可离子交换的硅酸盐玻璃

技术领域

本发明涉及一种能够化学强化的硅酸盐玻璃。更具体地，本发明涉及具有良好3D成型能力的盖板玻璃组合物。甚至更具体地，本发明涉及确定玻璃的3D成型能力的三维成型参数(TDFP)。

背景技术

近年来，玻璃衬底已广泛用于保护移动电话、娱乐装置、平板电脑、笔记本计算机、数码相机、可穿戴装置等各种电子装置的显示屏。随着显示屏尺寸的增加和电子装置厚度的减小，盖板玻璃在受到冲击(例如，与坚硬的有棱角的物体接触)时变得更容易划伤和破裂。出于这个原因，对具有高强度和耐久性的化学强化玻璃的需求已被提出。此外，曲面或柔性显示器的使用越来越受到消费电子市场的关注。因此，电子装置中使用的盖板玻璃现在正从平面(2D)演变为曲面(3D)形式或形状。由于3D形式的盖板玻璃有助于加强曲面或柔性显示器的拐角/边缘，因此需要具有良好3D成型能力的玻璃组合物。

此外，盖板玻璃的性质高度依赖于反应温度和玻璃组成。各种不同比例的化合物已被用作生产盖板玻璃的原料。此外，盖板玻璃通过离子交换工艺等各种工艺进行化学强化。这种化学强化玻璃具有优异的性能性质。需要具有适当的3D成型能力、热膨胀性质和退火玻璃温度的盖板玻璃组合物。鉴于前述，需要一种确定玻璃组合物的3D成型能力的方法。

本文中描述本公开的一些目的。本公开的一个目的是提供一种盖板玻璃组合物。另一个目的是提供具有高强化性质的盖板玻璃组合物。

本公开的另一个目的是提供具有描述高3D成型能力的高三维成型参数(TDFP)的盖板玻璃组合物。TDFP定义为1/(玻璃化转变温度(Tg)×热膨胀系数(CTE))。

本公开的另一个目的是提供TDFP值大于220的盖板玻璃组合物。TDFP值大于220的盖板玻璃具有良好的3D成型能力。

本公开的另一个目的是提供韧性更高、密度更低且使用寿命更长的盖板玻璃组合物。

本公开的另一个目的是使盖板玻璃组合物经历多重离子交换工艺。

本公开的其它目的和优点将从以下描述更显而易见，所述描述并不意图限制本发明的范围。

发明内容

在本公开的一个实施例中，已经公开了盖板玻璃组合物。本公开公开了具有高三维成型参数(TDFP)的盖板玻璃组合物。

在一个实施例中，TDFP被定义为1/(玻璃化转变温度(Tg)×热膨胀系数(CTE))。

在一个实施例中，玻璃的TDFP应该大于220。当TDFP大于220时，玻璃具有良好的3D成型性质。当TDFP小于220时，玻璃不适合3D成型。具有高强度和优异3D成型能力的玻璃具有更好的耐久性、高抗裂性、高损伤后保留强度和高锐冲击强度，并且玻璃在失效前可以承受住更多次的装置跌落。

在一个实施例中，盖板玻璃组合物具有减少的非桥接氧(NBO)，这增加了玻璃的韧性。

在一个实施例中，盖板玻璃组合物的SiO

在一个实施例中，玻璃组合物还包括碱金属氧化物。在一个实施例中，碱金属氧化物选自由以下组成的群组：Li

在一个实施例中，盖板玻璃组合物包括约40摩尔％到约70摩尔％的SiO

在一个实施例中，玻璃组合物进一步包括约0摩尔％到约2.5摩尔％的一或多种精炼剂，如SnO

在一个实施例中，可以通过多重离子交换的化学强化处理为盖板玻璃提供高强度。在一个实施例中，玻璃组合物非常适合双重离子交换工艺。

在一个实施例中，双重离子交换工艺包含离子交换的第一步，然后是在玻璃的外表面区域上进行离子交换的第二步。在一个实施例中，离子交换工艺是基于离子的尺寸。当来自外部离子交换浴的较大离子与玻璃中较小的离子进行交换时，较大的离子会包裹先前由较小离子占据的表面区域，从而导致玻璃材料表面的压缩应力，相应地增加了玻璃材料的强度。据报道，产生的压缩应力与发生离子交换的玻璃体积成正比。

在一个实施例中，盖板玻璃可以用作触摸面板显示器的衬底和这些显示器的后盖，例如液晶显示器(LCD)、场发射显示器(FED)、等离子体显示器(PD)、电致发光显示器(ELD)、有机发光二极管(OLED)显示器、微型LED等。所述玻璃还可以用作太阳能电池盖板玻璃的衬底、磁盘衬底和窗玻璃。此外，玻璃还用作与各种运输方式(例如空中、海上或陆地)相关的保护窗，以及在非运输应用中用于防风。此外，它还用作防火玻璃。然而，盖板玻璃不限于上述应用，且还可以用作例如涂层衬底、炉灶面、半导体中介层、半导体载体、硬盘、内部显示器、汽车挡风玻璃等。

本公开的这些和其它方面、优点和显著特征将从以下详细描述中变得显而易见。

附图说明

被认为是新颖的本发明的特征在所附权利要求中具体阐述。本发明的实施例将在下文中结合所提供的附图进行描述，以说明而非限制权利要求的范围，其中相同的标号表示相同的元件，并且在所述附图中：

图1A-1C示出了根据本公开的实施例的在不同熔炉条件下的第一盖板玻璃和第二盖板玻璃的图像；

图1D示出了根据本公开的实施例的在3D成型能力测试之后的第一盖板玻璃和第二盖板玻璃的透视图的图像；以及

图1E示出了根据本公开的实施例的在3D成型能力测试之后的第一盖板玻璃和第二盖板玻璃的侧视图的图像。

具体实施方式

在以下描述中，在图式中示出的若干视图中，相同的参考标号表示相同或对应的部分。还应理解，除非另外规定，否则例如“顶部”、“底部”、“向外”、“向内”等术语是为了方便的词语，并且不应被解释为限制性术语。此外，每当一个组被描述为包含一组要素中的至少一个和其组合时，应理解，所述组可单独或彼此组合地包含任何数目的所述的那些要素、基本上由其组成或由其组成。类似地，每当一个组被描述为由一组要素中的至少一个或其组合组成时，应理解，所述组可单独或彼此组合地由任何数目的所述的那些要素组成。除非另外说明，否则在列举值的范围时，其包括范围的上限和下限以及其间的任何范围。如本文所用，除非另外说明，否则不定冠词“一(a/an)”和对应的定冠词“所述(the)”意指“至少一个”或“一或多个”。还应理解，说明书和附图中公开的各种特征可以任何和所有组合使用。

如本文所用，术语“玻璃制品(glass article/glass articles)”以其最广泛含义使用以包括完全或部分由玻璃制成的任何物体。除非另外说明，否则所有组合物均以摩尔百分比(摩尔％)表示。除非另外说明，否则所有温度均以摄氏度(℃)表示。除非另外说明，否则热膨胀系数(CTE)以10-7/℃表示，并且表示在约50℃到约300℃的温度范围内测得的值。如本文所用，术语“退火点”是指玻璃的粘度约为1×10

应注意，术语“大体上”和“约”可在本文中用来表示可归因于任何定量比较、值、测量或其它表示的固有的不确定性程度。这些术语还在本文中用于表示定量表示可不同于所陈述参考而不导致所论述标的物的基本功能变化的程度。

近来，随着技术的进步，玻璃已被模制以形成3D曲面盖板玻璃。3D曲面盖板玻璃具有轻、薄、透明、清洁、防指纹、防眩光、坚硬、耐刮擦以及耐候性好的优点。此外，3D曲面盖板玻璃的弯曲表面为显示器提供了额外的功能性分显示器应用或更好的美观性。如下所述，盖板玻璃用于保护如移动电话、智能手机、平板电脑、可穿戴装置、数码相机等电子装置的显示屏(例如，基于触摸的显示器)。背面上使用的盖板玻璃除了为装置提供强度外，还是更好的电磁传输所需的。但是，盖板玻璃不限于上述应用，且还可以用于触摸面板显示器、太阳能电池用玻璃、磁盘、汽车内部和外部零件、标牌、运输工具中的窗户等。

本发明详细描述了各种盖板玻璃组合物。本发明主要描述了锂铝硼硅酸盐(LABS)玻璃和其组合物。玻璃组合物包含一或多种化学组分，例如SiO

盖板玻璃的生产工艺受玻璃组合物组分的摩尔百分比含量的影响很大。组分的摩尔百分比含量和反应温度是影响盖板玻璃性质的重要因素。

3D成型能力是LABS盖板玻璃组合物的一个重要方面，以便在各种应用中使用玻璃组合物。为确保盖板玻璃组合物具有3D成型能力，有必要了解玻璃组合物的组分的摩尔％范围和性质。热膨胀系数(CTE)和玻璃化转变温度是表征玻璃材料的关键参数。

因此，本发明描述了计算三维成型参数(TDFP)以预测盖板玻璃的3D成型能力的模型。具体地说，本发明公开了一种具有较高TDFP的盖板玻璃组合物。TDFP定义为玻璃化转变温度(Tg)和热膨胀系数(CTE)乘积的反比。例如，TDFP可以由以下等式(1)表示：

计算出的TDFP值可能有助于了解玻璃组合物的3D成型能力。上述等式理解如下：Tg代表在所述温度下恒定的玻璃的粘度(10

在一个实施例中，当TDFP大于220时，玻璃具有良好的3D成型性质。当TDFP小于220时，玻璃不适合3D成型。具有高强度和优异3D成型能力的玻璃具有更好的耐用性、高抗裂性、高损伤后保留强度和高锐冲击强度，并且玻璃在失效前可以承受住更多次的装置跌落。

在一个实施例中，玻璃的Tg和CTE越低，玻璃可以具有越高的3D成型能力。可以通过增加B

在一个实施例中，盖板玻璃具有减少的非桥接氧(NBO)，这增加了玻璃的韧性。

在一个实施例中，用于获得盖板玻璃的玻璃组合物包括各种组分，例如SiO

在一个实施例中，SiO

在一个实施例中，B

在一个实施例中，玻璃组合物中Al

在一个实施例中，玻璃组合物还包括碱金属氧化物，其中碱金属氧化物的总和R

较大的碱金属氧化物含量可促进熔融，从而软化玻璃、能够进行离子交换、降低熔体电阻率并破坏玻璃网络，从而增加热膨胀并降低耐久性。玻璃组合物可包括约3摩尔％到约18摩尔％的Na

在一个实施例中，玻璃组合物还包括碱土金属氧化物，其中MgO在约0摩尔％到约5摩尔％的范围内。在一个实施例中，碱土金属氧化物可以是MgO、CaO、SrO或BaO中的至少一种。碱土金属氧化物可能有助于为玻璃产生更陡峭的粘度曲线。用碱土金属氧化物代替碱金属氧化物会导致玻璃的退火点和应变点升高，同时降低制造高质量玻璃所需的熔融温度。

在一个实施例中，玻璃组合物还包括约0摩尔％到约7摩尔％的P

在一个实施例中，玻璃组合物可以包括或不包括ZnO。在一个示例性实施例中，玻璃可以不含ZnO。在另一个示例性实施例中，玻璃可以包括约0摩尔％到约5摩尔％的ZnO。在一个实施例中，玻璃组合物还包括约0摩尔％到约2.5摩尔％的一或多种精炼剂，例如SnO

本发明描述了组合物的各种组分的最佳摩尔％。盖板玻璃组合物包括约40摩尔％到约70摩尔％的SiO

表1说明了非限制性的示例性玻璃组合物和其相应的物理性质，包括玻璃化转变温度(Tg)、密度、杨氏模量(YM)、热膨胀系数(CTE)、退火温度、泊松比、剪切模量、酸测试损失和TDFP。

表1：玻璃的示例性组成和物理性质

表2说明了非限制性的示例性玻璃组合物和其相应的物理性质，包括玻璃化转变温度(Tg)、密度、杨氏模量(YM)、热膨胀系数(CTE)、退火温度、泊松比、剪切模量、酸测试损失和TDFP。

表2：玻璃的示例性组成和物理性质

表3说明了非限制性的示例性玻璃组合物和其相应的物理性质，包括玻璃化转变温度(Tg)、密度、杨氏模量(YM)、热膨胀系数(CTE)、退火温度、泊松比、剪切模量、酸测试损失和TDFP。

表3：玻璃的示例性组成和物理性质

表4说明了非限制性的示例性玻璃组合物和其相应的物理性质，包括玻璃化转变温度(Tg)、密度、杨氏模量(YM)、热膨胀系数(CTE)、退火温度、泊松比、剪切模量、酸测试损失和TDFP。

表4：玻璃的示例性组成和物理性质

在一个示例性实施例中，当盖板玻璃的玻璃组合物包括约58.70摩尔％的SiO

在另一个示例性实施例中，当盖板玻璃的玻璃组合物包括约57.43摩尔％的SiO

对由两种不同玻璃组合物形成的第一和第二玻璃盖板进行了一项实验，以确定其在熔炉中的3D成型能力。

第一盖板玻璃102由玻璃组合物30形成，所述玻璃组合物30包括约58.70摩尔％的SiO

第二盖板玻璃104由玻璃组合物16形成，所述玻璃组合物16包括约65.42摩尔％的SiO

图1A-1C示出了根据本公开的实施例的在不同熔炉条件下的第一盖板玻璃和第二盖板玻璃的图像。将第一盖板玻璃102和第二盖板玻璃104保持在熔炉中以进行3D成型能力测试。如图1A所示，在打开熔炉之前，第一盖板玻璃102和第二盖板玻璃104在室温下是平面状的。一旦打开熔炉，将第一盖板玻璃102和第二盖板玻璃104在650℃下保持在熔炉中10分钟。参考图1B，与第二盖板玻璃104相比，第一盖板玻璃102弯曲了一定程度。将第一盖板玻璃102和第二盖板玻璃104进一步在670℃下保持在熔炉中10分钟。参考图1C，与第二盖板玻璃104相比，第一盖板玻璃102进一步弯曲。然后关闭熔炉，将第一盖板玻璃102和第二盖板玻璃逐渐冷却到室温。

图1D示出了根据本公开的实施例的在3D成型能力测试之后的第一盖板玻璃和第二盖板玻璃的透视图的图像。图1E示出了根据本公开的实施例的在3D成型能力测试之后的第一盖板玻璃和第二盖板玻璃的侧视图的图像。如图1D和1E所示，第一盖板玻璃102为曲面形状，而第二盖板玻璃104为平面形状。如表2和表4所提及，第一盖板玻璃102的TDFP值大于220，而第二盖板玻璃104的TDFP值小于220。测试证明，与TDFP值小于220的玻璃相比，TDFP值大于220的玻璃具有较高的3D成型能力。

在一个实施例中，对于碱金属硅酸盐玻璃，如锂铝硅酸盐玻璃材料的两步离子交换工艺，待置换的碱金属离子为锂离子(Li+)。优选使用的盐浴为钠离子(Na+)浴和钾离子(K+)浴。更优选地，所使用的盐浴包含NaNO

在一个实施例中，在两步离子交换工艺期间，首先交换一个离子对，接着进行另一离子交换，其在最外表面层中再引入初始离子或引入另一离子。在一个实施例中，离子交换工艺是基于玻璃中存在的离子由不同大小的离子交换的原理。当来自外部离子交换浴的较大离子交换玻璃中的较小离子时，较大离子完全地填满表面，使其利用内部平衡拉伸应力进行压缩。据报道，所产生的压缩应力与已发生离子交换的玻璃体积成正比。一旦离子交换，则玻璃展现高抗裂性。

在一个示例性实施例中，玻璃样品组合物进行两步离子交换工艺，其中首先将玻璃浸入含有超过45重量％KNO

表5说明了定义特定玻璃组合物，例如玻璃30的玻璃组合物在不同反应条件下双重离子交换工艺的每一步骤的最大层深度(DOL)和压缩应力(CS)的示例性样品。

表5：示例性样品以及双重离子交换工艺的每一步骤的DOC和CS

在一个示例性实施例中，盖板玻璃的玻璃组合物包括约58.70摩尔％的SiO

盖板玻璃组合物用于触摸面板显示器和显示屏的后盖，如液晶显示器(LCD)、场发射显示器(FED)、等离子体显示器(PD)、电致发光显示器(ELD)、有机发光二极管(OLED)显示器、微型LED等。然而，盖板玻璃不限于前述应用，并且还可用作例如触摸面板显示器的衬底、太阳能电池的盖板玻璃、磁盘衬底和窗玻璃。

在一个特定实施例中，盖板玻璃用作与各种运输方式(例如空中、海上或陆地)相关的保护窗，以及在非运输应用中用于防风。此外，它还用作防火玻璃。此外，盖板玻璃也用作硬盘的衬底。此外，它还可用于半导体中介层和半导体载体。通过添加成核剂，它也可用作呈陶瓷化形式的炉灶面。最后，盖板玻璃在各种应用中用作涂层衬底。

在一个特定实施例中，本公开进一步聚焦于一种背面盖板玻璃，其用于保护如移动电话、智能手机、平板电脑、可穿戴装置、数码相机等电子装置的背面。背面上使用的盖板玻璃除了为装置提供强度外，还是更好的电磁传输所需的。出于设计原因，着色不透明的外观可为可能的。实现这一点的一种方法是在玻璃熔体中包括一或多种过渡元素。一或多种过渡元素可为Nb

本公开提供了具有优异3D成型能力的盖板玻璃的组合物。通过确定玻璃组合物的TDFP，本发明有助于以更有效的方式控制组合物。特别地，本公开涉及一种能够具有更好的耐用性、高抗裂性、高损伤后保持强度和高冲击强度的硅酸盐玻璃组合物。

虽然已出于说明的目的阐述了典型实施例，但不应将前述描述视为对本公开或所附权利要求书的范围的限制。因此，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本领域技术人员可想到各种修改、调整和替代。