可離子交換的含過渡金屬的玻璃的制作方法
【專利說明】可離子交換的含過渡金屬的玻璃
[0001] 本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C. § 119要求2012年5月31日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)系列第 61/653, 495號(hào)的優(yōu)先權(quán)，本文以該申請(qǐng)的內(nèi)容為基礎(chǔ)并通過參考將其完整地結(jié)合于此。
[0002] 背景
[0003] 本發(fā)明涉及可離子交換玻璃。具體來說，本發(fā)明涉及可離子交換玻璃，其包括過渡 金屬或稀土金屬。
[0004] 在例如用于便攜式或移動(dòng)電子通訊和娛樂設(shè)備的蓋板或窗戶的應(yīng)用中，通常通過 化學(xué)或熱方法強(qiáng)化玻璃。
[0005] 概述
[0006] 本發(fā)明提供可離子交換的玻璃。所述玻璃包括過渡金屬氧化物或稀土金屬氧化物 中的至少一種，其組成同時(shí)促進(jìn)具有高壓縮應(yīng)力和深的層深度的表面層，或者在減少的離 子交換時(shí)間內(nèi)進(jìn)行離子交換以形成給定的壓縮應(yīng)力或?qū)由疃取?br>[0007] 因此，本發(fā)明一個(gè)方面是提供一種堿性鋁硅酸鹽玻璃。堿性鋁硅酸鹽玻璃是可離 子交換的且包括至少50摩爾％Si02，Al203，選自過渡金屬氧化物和稀土金屬氧化物的至 少一種金屬氧化物，和至少一種堿金屬氧化物R2〇,其中所述至少一種堿金屬氧化物包括 Na20,且其中A1203 (摩爾％ ) -Na20(摩爾％ )彡2摩爾％。
[0008] 本發(fā)明的第二方面提供堿性鋁硅酸鹽玻璃。所述堿性鋁硅酸鹽玻璃包括至少50 摩爾％Si02，Al203，選自過渡金屬氧化物和稀土金屬氧化物的至少一種金屬氧化物，和 至少一種堿金屬氧化物馬〇，其中所述至少一種堿金屬氧化物包括Na20,其中A1203 (摩 爾％) -Na20(摩爾％) <2摩爾％。所述堿性鋁硅酸鹽玻璃進(jìn)行離子交換，且具有受到壓 縮應(yīng)力并從所述表面延伸到一個(gè)層深度的強(qiáng)化表面和層，其中壓縮應(yīng)力是至少約lGPa，層 深度是至少約20ym。
[0009] 本發(fā)明的第三方面是提供制備離子交換的堿性鋁硅酸鹽玻璃的方法。所述方法包 括提供堿性鋁硅酸鹽玻璃，所述堿性鋁硅酸鹽玻璃包括至少50摩爾％Si02,A1203，選自過 渡金屬氧化物和稀土金屬氧化物的至少一種金屬氧化物，和至少一種堿金屬氧化物R2〇， 其中所述堿金屬氧化物包括Na20,其中A1203 (摩爾％) -Na20(摩爾％) <2摩爾％;以及， 對(duì)堿性鋁硅酸鹽玻璃進(jìn)行離子交換預(yù)定的時(shí)間，以形成受到至少約lGPa的壓縮應(yīng)力的層， 所述層從堿性鋁硅酸鹽玻璃的表面延伸到層深度。
[0010] 從以下詳細(xì)描述、附圖和所附權(quán)利要求書能明顯地看出本發(fā)明的上述及其他方 面、優(yōu)點(diǎn)和顯著特征。
[0011] 附圖簡要說明
[0012] 圖la-f是在離子交換之前和之后測(cè)量的本文所述的玻璃的紫外-可見-近紅外 (UV-Vis-NIR)透射光譜圖；
[0013]圖2a_e是用于選自表la-d的玻璃的鈉-鉀相互擴(kuò)散系數(shù)的溫度依賴性圖；
[0014] 圖3a_e是退火樣品的層株度隨壓縮應(yīng)力變化的圖，該退火的樣品在410°C下在工 業(yè)級(jí)KN03中離子交換4、8、和16小時(shí)；
[0015] 圖4是圖譜，顯示了用Nb205替代MgO對(duì)固定的50ym層深度的壓縮應(yīng)力，以及取 得50ym層株度所需時(shí)間的影響；
[0016] 圖5a和5b是圖譜，顯示了用不同的氧化物替代A1203對(duì)固定的50ym層深度的壓 縮應(yīng)力，以及取得50ym層深度所需時(shí)間的影響；以及
[0017] 圖6是圖譜，顯示了在基礎(chǔ)玻璃組合物頂部增加大約1. 5摩爾％對(duì)固定的50ym 層深度的壓縮應(yīng)力，以及取得50ym層深度所需時(shí)間的影響。
[0018] 發(fā)明詳述
[0019] 在以下描述中，相同的附圖標(biāo)記表示附圖所示的若干視圖中類似或相應(yīng)的部分。 還應(yīng)理解，除非另外說明，否則，術(shù)語如"頂部"、"底部"、"向外"、"向內(nèi)"等是方便用語，不 應(yīng)視為限制性用語。此外，每當(dāng)將一個(gè)組描述為包含一組要素中的至少一個(gè)要素和它們的 組合時(shí)，應(yīng)將其理解為所述組可以單個(gè)要素或相互組合的形式包含任何數(shù)量的這些所列要 素，或者主要由它們組成，或者由它們組成。類似地，每當(dāng)將一個(gè)組描述為由一組要素中的 至少一個(gè)要素或它們的組合組成時(shí)，應(yīng)將其理解為所述組可以單個(gè)要素或相互組合的形式 由任何數(shù)量的這些所列要素組成。除非另外說明，列舉的數(shù)值范圍同時(shí)包括所述范圍的上 限和下限，以及所述上限和下限之間的任意范圍。除非另外說明，否則，本文所用的不定冠 詞"一個(gè)"或"一種"及其相應(yīng)的定冠詞"該"表示"至少一（個(gè)/種）"，或者"一（個(gè)/種） 或多（個(gè)/種）"。還應(yīng)理解，本說明書和附圖所批露的各種特征可以任意和全部組合來使 用。
[0020] 如本文所使用，術(shù)語"玻璃"和"玻璃（glasses) "同時(shí)包括玻璃和玻璃陶瓷。術(shù)語 "玻璃制品"和"玻璃制品（glassarticles) "以它們最廣泛的意義來使用，包括全部或部 分由玻璃和/或玻璃陶瓷制成的任何物體。如本文所使用，術(shù)語"堿金屬氧化物"和"堿性 氧化物"指堿金屬的氧化物，且認(rèn)為是等同術(shù)語。類似地，術(shù)語"堿土金屬氧化物"和"堿土 氧化物"指堿土金屬的氧化物，且認(rèn)為是等同術(shù)語。
[0021] 應(yīng)注意，本文可用詞語"基本上"和"約"表示可由任何定量比較、數(shù)值、測(cè)量或其 它表示方法造成的內(nèi)在不確定性。在本文中還使用這些術(shù)語表示數(shù)量的表示值可以與所述 的參比值有一定的偏離程度，但是不會(huì)導(dǎo)致審議的主題的基本功能改變。
[0022] 本文所述的是可用于通過離子交換生產(chǎn)化學(xué)強(qiáng)化玻璃板的可離子交換玻璃。通過 在玻璃組合物中包括至少一種過渡金屬氧化物或稀土金屬氧化物來選定這些玻璃的組成， 從而同時(shí)促進(jìn)高壓縮應(yīng)力和深的層深度或者減少的離子交換時(shí)間。本文所述的玻璃組合物 不都是可熔合成形的，且可通過本技術(shù)領(lǐng)域所公知的其他方式來制備，例如浮玻璃法或狹 縫拉制法。
[0023] 因此，堿性鋁硅酸鹽玻璃包括過渡金屬氧化物和稀土金屬氧化物中的至少一種， 至少50摩爾％ (摩爾％)Si02，氧化鋁（A1203)和至少一種堿金屬氧化物R20,其中堿金屬氧 化物包括Na20,和其中A1203 (摩爾％ ) -Na20(摩爾％ < 2摩爾％。當(dāng)進(jìn)行離子交換時(shí)， 本文所述的堿性鋁硅酸鹽玻璃可具有受到至少約1吉帕斯卡（GPa)的壓縮應(yīng)力CS的層，其 從堿性鋁硅酸鹽玻璃的至少一種表面延伸進(jìn)入玻璃的中央部分，到達(dá)層深度（層深度，或 D0L)。在一些實(shí)施方式中，層深度D0L是至少20微米（ym)且，在其他實(shí)施方式中，至少 30um〇
[0024] 在一些實(shí)施方式中，至少一種過渡金屬氧化物或稀土金屬氧化物可包括氧化鈮 (Nb205)、氧化f凡（V205)、氧化錯(cuò)（Zr02)、氧化鐵（Fe203)、氧化?乙（Y203)、和氧化猛（Mn02)中的 至少一種。在一些實(shí)施方式中，所述堿性鋁硅酸鹽玻璃包括：約62摩爾％ -約72摩爾％Si02jt5摩爾％ -約12摩爾％A1 203;12摩爾％ -約16摩爾％Na20 ;和大于1摩爾％ -約 10摩爾％的選自下組的至少一種金屬氧化物：過渡金屬氧化物和稀土金屬氧化物包括，但 不限于如上所述的那些。
[0025] 本文所述的玻璃組合物的非限制性例子和所選定的性質(zhì)見表la-d。在所列實(shí)施例 中，將6種不同的過渡金屬氧化物各自添加到坩鍋熔體基礎(chǔ)玻璃（表la，2,和3中的"基礎(chǔ) (base)")。這些氧化物要么添加到基礎(chǔ)玻璃熔體頂部，要么部分地取代氧化物。用X-射線 熒光和/或電感耦合等離子體（ICP)分析組成。通過梁彎曲粘度法測(cè)定退火點(diǎn)和應(yīng)變點(diǎn)， 通過平行板粘度法測(cè)定軟化點(diǎn)。表la-d中的熱膨脹系數(shù)（CTE)值表示從室溫到300°C之間 的平均值。在表la-d中報(bào)道的液相線溫度是24小時(shí)，通過共振超聲光譜測(cè)定彈性模量，且 報(bào)道的折射率是針對(duì)589. 3納米而言的。通過徑向壓縮方法來測(cè)定應(yīng)力光學(xué)系數(shù)（S0C)。
[0026] 在1毫米厚的玻璃樣品上觀察玻璃顏色，并在表2中報(bào)道。離子交換之前和之后 的紫外-可見-近紅外（UV-Vis-NIR)透射光譜見圖la-f。在一些實(shí)施方式中，本文所述 的玻璃是著色的。在其他實(shí)施方式中，所述玻璃不含任何顏色。
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