具有高硬度和高模量的可離子交換玻璃的制作方法
【專利說明】具有高硬度和高模量的可離子交換玻璃
【背景技術(shù)】
[0001] 本申請根據(jù)35 U.S.C. § 119要求2012年11月21日提交的美國專利申請系列號 第61/728944號的優(yōu)先權(quán)，本文以該申請為基礎(chǔ)并將其全部內(nèi)容結(jié)合于此。
[0002] 本發(fā)明涉及經(jīng)過可離子交換的堿性鋁硅酸鹽玻璃。更具體地，本申請涉及包含氧 化釔的堿性鋁硅酸鹽玻璃。更具體地，本申請描述了具有高水平硬度和彈性模量的包含氧 化釔的堿性鋁硅酸鹽玻璃。
[0003] 有時使用硬的透明覆蓋材料例如單晶藍(lán)寶石作為玻璃制品的保護(hù)層，例如用于電 子消費設(shè)備的蓋板玻璃或顯示器窗口。雖然硬的涂層能使硬度適當(dāng)增加，但這種涂層容易 接觸脫層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本文提供了具有高硬度和高彈性模量的可離子交換的玻璃?；A(chǔ)蓋板玻璃配方包 含Na2O, Y2O3, Al2O3和SiO 2。該玻璃可進(jìn)一步包含P2O5, B2O3, TiO2，和任意的堿金屬、堿土金 屬和稀土金屬氧化物，以及其它的二價金屬氧化物。本文描述的離子可交換玻璃提供較高 的硬度，這能提供對微延展性劃傷損壞的更高的耐受性。這些玻璃的離子交換增加了其對 摩擦損壞導(dǎo)致的裂紋的耐受性，并使表面損壞形成之后的殘留強度增加。
[0005] 相應(yīng)地，本發(fā)明的一個方面是提供一種可離子交換的玻璃，其包含 SiO2, Al2O3, Na2O和最高達(dá)約7摩爾％的Y2O3，其中摩爾比[Al2O 3 (摩爾％ )/Y2O3 (摩爾％ )] 大于2。
[0006] 本發(fā)明的第二個方面是提供一種玻璃，其包含SiO2, Al2O3, Na2O和Y2O3，其中摩爾比 [Al2O3 (摩爾％ )/Y2O3 (摩爾％ )]大于2且楊氏模量為至少75GPa。
[0007] 本發(fā)明的第三個方面是提供一種玻璃，其包含SiO2, Al2O3, Na2O,和Y2O3，其中摩爾 比[Al2O3 (摩爾％ ) /Y2O3 (摩爾％ )]至少為2且200gf維氏（Vickers)硬度至少為660kgf/ mm2〇
[0008] 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)明的這些和其它方 面、優(yōu)點和顯著特征。
【附圖說明】
[0009] 圖1是氧化釔堿性鋁硅酸鹽玻璃的三相圖。
【具體實施方式】
[0010] 在以下描述中，在附圖所示的若干視圖中，相同的附圖標(biāo)記表示類似或相應(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)"等是為了方便 起見的用語，不應(yīng)視為限制性用語。此外，每當(dāng)將一個組描述為包含一組要素中的至少一個 要素和它們的組合時，應(yīng)將其理解為所述組可以單個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)將一個組描述為由 一組要素中的至少一個要素或它們的組合組成時，應(yīng)將其理解為所述組可以單個要素或相 互組合的形式由任何數(shù)量的這些所列要素組成。除非另有說明，否則，列舉的數(shù)值范圍同時 包括所述范圍的上限和下限，以及所述范圍之間的任意范圍。除非另外說明，否則，本文所 用的修飾語"一個"或"一種"及其相應(yīng)的修飾語"該"表示"至少一（個/種）"，或者"一 (個/種）或多（個/種）"。還應(yīng)理解的是，在說明書和附圖中揭示的各種特征可以任意 和所有的組合方式使用。
[0011] 本文所用術(shù)語"玻璃"和"多種玻璃"同時包括玻璃和玻璃陶瓷。術(shù)語"玻璃制品" 和"多種玻璃制品"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。
[0012] 應(yīng)注意，本文可用術(shù)語"基本上"和"約"表示可由任何定量比較、數(shù)值、測量或其 它表示方法造成的固有不確定性。在本文中還使用這些術(shù)語表示數(shù)量的表示可以與所述的 參比值有一定的偏離程度，但是不會導(dǎo)致所針對的對象的基本功能改變。
[0013] 參見所有附圖，并具體參見圖1，應(yīng)理解為描述本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行的說 明，這些說明不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
[0014] 本文描述了具有高硬度和高彈性模量的可離子交換的玻璃和經(jīng)過離子交換的玻 璃。這些玻璃包含SiO2 (二氧化硅），Al2O3 (氧化鋁），Na2O和Y2O3 (氧化釔），其中玻璃的摩 爾比Al2O3 (摩爾％ )/Y2O3 (摩爾％ )大于2,在一些實施方式中，該摩爾比大于2. 1。雖然沒 有單晶藍(lán)寶石硬度那樣高，但本文描述的可離子交換的玻璃能進(jìn)行離子交換以實現(xiàn)高的表 面壓縮和深的壓縮層深度。離子交換增加了玻璃對摩擦損壞導(dǎo)致的裂紋的耐受性，并使形 成表面損壞之后的殘留強度增加。所述可離子交換的玻璃與很多可離子交換的堿性鋁硅酸 鹽玻璃或經(jīng)過離子交換的堿性鋁硅酸鹽玻璃相比硬度更高，并且耐微延展性劃傷。
[0015] 圖1是氧化釔鋁硅酸鈉玻璃的三相圖的等溫線，顯示形成玻璃、分離成多相、或失 透的樣品的組成。圖中繪出的各樣品包含14摩爾％的似20。圖1顯示的SiO2, Al2O3和Y2O3組分除以86,以在三相圖上表示組成。如圖1所示，包含氧化釔的鋁硅酸鈉玻璃在很大的組 成范圍或區(qū)域的容易發(fā)生相分離或失透。在一些實施方式中，本文所述的玻璃包含最高達(dá) 7摩爾％的Y2O3，從而避免了這種失透。
[0016] 如圖1所示，當(dāng)Na2O與氧化鋁的摩爾比（Na2O(摩爾％ VAl2O3(摩爾％ ))為1 :1 時，這些組合物中似乎容易發(fā)生相分離，相分離的程度隨著氧化釔含量的增加而增加。當(dāng) 玻璃中存在的Na2O相對于氧化鋁過量或者存在的氧化鋁相對于Na2O過量時，形成高質(zhì)量 (即，高度透明、清晰）的均勻的玻璃。因此，為了避免這種相分離，在一些實施方式中，本 文所述的玻璃中比例（Na20(摩爾％ VAl2O3(摩爾％ ))大于1，在其它實施方式中，比例 (Na2O (摩爾 ％ ) /Al2O3 (摩爾 ％ ))小于 1。
[0017] 在一些實施方式中，本文所述的玻璃包含約40摩爾％至約82摩爾％的SiO2，在一 些實施方式中，包含約50摩爾％至約80摩爾％的SiO2。本文所述的玻璃還包含約4摩爾％ 至約40摩爾％的Al2O3，在一些實施方式中，包含約4摩爾％至約30摩爾％的Al2O 3。本文 所述的玻璃還包含約4摩爾％至約26摩爾％的Na2O,在一些實施方式中，包含約12. 5摩 爾％至約18摩爾％的Na20。最后，在一些實施方式中，本文所述的玻璃包含約1.5摩爾％ 至約7摩爾％的Y2O3。在一些實施方式中，所述玻璃包含約40-82摩爾％的SiO2At 4-40 摩爾％的Al2O3;約4-26摩爾％的Na 20 ;以及約1. 5-7摩爾％的Y2O3。在其它實施方式中， 所述玻璃包含約50-80摩爾％的SiO2^ 4-30摩爾％的Al 203;約12. 5-18摩爾％的Na 20 ; 以及約1.5-7摩爾％的Y2O3。
[0018] 在一些實施方式中，所述玻璃可以進(jìn)一步包含至少一種不同于Na2O的堿金屬氧 化物，即Li2O, K20, Rb2O和/或Cs20。在一些實施方式中，所述玻璃可以基本上不含氧化鋰 (Li2O)。在一些實施方式中，所述玻璃可進(jìn)一步包含堿土金屬氧化物和/或其它二價金屬氧 化物（例如，ZnO)中的至少一種。在一些實施方式中，所述玻璃還可以進(jìn)一步包含至少一 種不同于氧化?乙的其它稀土金屬（即，La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Sc)氧化物，例如，La2O3和/或Sc 203。在一些實施方式中，所述玻璃可以進(jìn)一步包含B2O3, P2O5和TiO2中的至少一種。
[0019] 本文所述的含氧化釔的玻璃的例子列于表1。這些