有色和不透明玻璃-陶瓷,相關(guān)的可著色和可陶瓷化玻璃,和相關(guān)方法
【專利說明】有色和不透明玻璃-陶瓷，相關(guān)的可著色和可陶瓷化玻璃， 和相關(guān)方法
[0001] 本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C. § 119,要求2012年8月28日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)系列第 61/693875號(hào)的優(yōu)先權(quán)，本文以該申請(qǐng)為基礎(chǔ)并將其全文通過引用結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明的實(shí)施方式的方面和/或?qū)嵤┓绞揭话愕厣婕安ＡР牧霞夹g(shù)領(lǐng)域，更具體 地涉及不透明玻璃-陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。此外，本發(fā)明的實(shí)施方式的方面和/或?qū)嵤┓绞?涉及一種或多種玻璃組合物（下文稱作"可著色和可陶瓷化玻璃"或"可陶瓷化和可著色玻 璃"），其可陶瓷化成為：黑色或灰色且不透明的玻璃-陶瓷，所述玻璃-陶瓷包含β -鋰輝 石固溶體（β-鋰輝石ss)以及（i)鐵板鈦礦或者（ii)釩或含釩化合物（下文稱作"有色 和不透明玻璃-陶瓷"或"不透明和有色玻璃-陶瓷"），有色和不透明玻璃-陶瓷，可經(jīng)受 離子交換表面處理的有色和不透明玻璃-陶瓷，經(jīng)離子交換的有色和不透明玻璃-陶瓷，包 含有色和不透明玻璃-陶瓷的機(jī)器或設(shè)備，包含經(jīng)離子交換的有色和不透明玻璃-陶瓷的 機(jī)器或設(shè)備，用于制造可陶瓷化成為有色和不透明玻璃-陶瓷的可著色和可陶瓷化玻璃的 方法，用于制造有色和不透明玻璃-陶瓷的方法，用于制造經(jīng)離子交換的有色和不透明玻 璃-陶瓷的方法，以及采用可陶瓷化和有色玻璃、著色和不透明玻璃-陶瓷以及經(jīng)離子交換 的有色和不透明玻璃-陶瓷中的任意一種的一種或多種方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 在過去十年，集中于作為電子器件，例如筆記本電腦、個(gè)人數(shù)字助理（PDA)、便攜式 導(dǎo)航儀（PND)、媒體播放器、移動(dòng)電話、便攜式存儲(chǔ)裝置（PID)等（通常稱作"便攜式計(jì)算裝 置"），同時(shí)它們變得小而輕，并且功能更強(qiáng)大。致力于此類較小裝置的發(fā)展和可用性的一 個(gè)因素是增加通過不斷地降低電子組件尺寸來增加計(jì)算密度和運(yùn)行速度的能力。但是，更 小、更輕和功能更強(qiáng)大的電子器件的趨勢(shì)存在關(guān)系便攜式計(jì)算裝置的某些組件的設(shè)計(jì)方面 的不斷挑戰(zhàn)。
[0004] 與便攜式計(jì)算裝置相關(guān)的組件遭遇特別的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，包括用于罩住各種內(nèi)部/電 子組件的包封或外殼。該設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)通常來自兩個(gè)沖突的設(shè)計(jì)目標(biāo)：希望制造更輕和更薄的 包封或外殼，以及希望制造更堅(jiān)固和更剛性的包封或外殼。更輕的包封或外殼（通常是具 有較少緊固件的薄的塑料結(jié)構(gòu)）傾向于更為撓性，同時(shí)具有變彎和彎曲的趨勢(shì)，這與更堅(jiān) 固和更剛性的包封或外殼（通常是重量較重的具有更多緊固件的較厚的塑料結(jié)構(gòu)）相反。 不幸的是，更堅(jiān)固和更剛性的塑料結(jié)構(gòu)的重量增加可能導(dǎo)致用戶的不滿意，然而，較輕結(jié)構(gòu) 的變彎和彎曲可能損害便攜式計(jì)算裝置的內(nèi)部/電子組件，這幾乎肯定會(huì)導(dǎo)致用戶的不滿 〇
[0005] 在已知的材料分類中，玻璃-陶瓷廣泛地用于各種其他應(yīng)用。例如，玻璃-陶瓷廣 泛地用于廚房如爐灶、烹飪用具以及餐具，例如碗和餐盤等。透明的玻璃-陶瓷用于生產(chǎn)烤 箱和/或爐窗、光學(xué)元件以及鏡面基材等。通常，通過在特定的溫度下對(duì)前體玻璃組成進(jìn) 行特定時(shí)間段的陶瓷化，使得玻璃基質(zhì)中的晶體相成核和生長(zhǎng)，來制造玻璃-陶瓷?；?SiO2-Al2O3-Li2O玻璃體系的兩種玻璃-陶瓷包括具有β-石英固溶體（β-石英ss)作為主 晶相或者β-鋰輝石固溶體（β-鋰輝石SS)作為主晶相的那些。存在一種對(duì)于可著色和 可陶瓷化玻璃和/或有色和不透明玻璃-陶瓷和/或可離子交換的有色和不透明玻璃-陶 瓷和/或經(jīng)離子交換的有色和不透明玻璃-陶瓷的需求，它們?yōu)楸銛y式計(jì)算裝置的包封或 外殼提供改進(jìn)的黑色或灰色顏色。此外，還存在提供此類改進(jìn)的顏色同時(shí)解決了產(chǎn)生輕、堅(jiān) 固和剛性包封或外殼的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的此類材料的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的實(shí)施方式的一些方面和/或?qū)嵤┓绞缴婕安Ａ?陶瓷，所述玻璃-陶瓷 具有包含鋰輝石ss以及（i)鐵板鈦礦或者（ii)釩或含釩化合物的晶相，從而是具有 CIELAB色空間的如下坐標(biāo)（coordinates)范圍的有色和不透明玻璃-陶瓷，由總反射率 (包括鏡面反射）測(cè)量確定，L* =約為20至45 ;a* =約為-2至+2 ;以及b* =約為-12至 +1。有利地，CIELAB色空間中的此類坐標(biāo)可以在整個(gè)有色和不透明玻璃-陶瓷是基本均勻 的。在一個(gè)方面，額外組分包括包含鐵板鈦礦的晶相。在另一個(gè)方面，額外組分包括釩或含 釩化合物，以及，任選地，錫或含錫化合物、硫或含硫化合物的任意一種，以及前述的任意兩 種或更多種。在每一個(gè)前述方面，晶相可以基本不存在β-石英ss，然而，如果存在的話， β -石英ss可以小于約20重量百分比（重量％ )，以及，或者，小于約15重量％的晶相。此 外，在每一個(gè)前述方面，額外的晶相可包括尖晶石ss (例如，鐵尖晶石和/或鋅尖晶石-鐵 尖晶石ss)、金紅石、磷酸鎂鋅或者尖晶石ss (例如鐵尖晶石和/或鋅尖晶石-鐵尖晶石ss) 和金紅石。
[0007] 本發(fā)明的實(shí)施方式的其他方面和/或?qū)嵤┓绞缴婕吧衔牡目呻x子交換的有色和 不透明玻璃-陶瓷，或者經(jīng)離子交換的有色和不透明玻璃-陶瓷。在一個(gè)方面，能夠?qū)呻x 子交換的有色和不透明玻璃-陶瓷進(jìn)行處理，以具有處于至少約200兆帕斯卡（MPa)的平 均表面壓縮（CS)的層。此類壓縮應(yīng)力的層可以從玻璃-陶瓷的表面延伸一定距離進(jìn)入玻 璃-陶瓷中，深度為（即層深度和D0L)至少約20微米（μπι)，以及，或者此類壓縮應(yīng)力的層 具有至少為60 μ m的D0L。在另一個(gè)方面符合，可以對(duì)經(jīng)離子交換的有色和不透明玻璃-陶 瓷進(jìn)行處理，以使得DOL至少約20 μ m(以及，或者DOL至少約60 μ m)的壓縮應(yīng)力的層中至 少約200MPa的平均表面壓縮（CS)。在涉及約0. 8毫米（mm)厚的經(jīng)離子交換的有色和不透 明玻璃-陶瓷的方面中，壓縮應(yīng)力的層可具有至少約20 μπι至高至約150 μπι的DOL ;或者， 至少約40 μ m至高至約150 μ m的DOL ;以及，至少約80 μ m至高至約120 μ m的D0L。
[0008] 本發(fā)明的實(shí)施方式的其他方面和/或?qū)嵤┓绞缴婕翱芍涂商沾苫Ａ?，其適 合陶瓷化為黑色或灰色且不透明的玻璃-陶瓷。此類玻璃的組成，以氧化物的重量％計(jì)， 包含約95-99. 7的基本組成，余量為一種或多種著色劑。在各個(gè)方面，一種或多種著色劑 可以是一種或多種鐵基材料；或者一種或多種鐵基材料以及一種或多種額外的過渡金屬基 材料；或者一種或多種多價(jià)金屬基材料。在每一個(gè)前述方面，以氧化物的重量％計(jì)，可著 色和可陶瓷化玻璃包含如下計(jì)算組成：SiO2，約53. 5-70 ;A1203，約16. 9-24. 5 ;B203，約0-2 ; Li2O，約 3. 3-4. 5 ;Na20，約 0· 3-0. 5 JiO2，約 2. 5-6. 2 ;MgO,約 1. 5-3 ;ZnO,約 0-2. 2 ;P205， 約0-7. 7 ;Sn02，約0-1 ;Fe203,約0-5 ;-種或多種額外的過渡金屬的一種或多種氧化物，約 0-4 ;以及一種或多種多價(jià)金屬的一種或多種氧化物，約0-4。應(yīng)理解的是，此類可著色和可 陶瓷化玻璃，在預(yù)選定的溫度陶瓷化相應(yīng)的預(yù)選定的時(shí)間以使得晶相成核和生長(zhǎng)之后，可 以引起上文所述的不透明玻璃-陶瓷和/或可離子交換和不透明的玻璃-陶瓷。此外，還 應(yīng)理解的是，此類可著色和可陶瓷化玻璃，在使用一種或多種預(yù)選定的離子交換技術(shù)在相 應(yīng)的預(yù)選定的溫度進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)選定時(shí)間的處理之后，可引起上文所述的經(jīng)離子交換的不 透明玻璃-陶瓷。
[0009] 本發(fā)明的實(shí)施方式的其他方面和/或?qū)嵤┓绞缴婕爸圃炜商沾苫陀猩Ａ?、?色和不透明玻璃-陶瓷、可離子交換的有色和不透明玻璃-陶瓷以及經(jīng)離子交換的有色和 不透明玻璃-陶瓷的任意一種的方法。為此，一些方面涉及制造可陶瓷化和有色玻璃的方 法，其通過：將包含以相應(yīng)預(yù)選定量混合的預(yù)選定的著色包（color package)的預(yù)選定的 組成的原材料進(jìn)行熔融，從而產(chǎn)生適合陶瓷化為黑色或灰色顏色且不透明的玻璃-陶瓷的 可陶瓷化和有色玻璃。應(yīng)理解的是，對(duì)于用于為有色和不透明玻璃-陶瓷和/或可陶瓷化和 有色玻璃提供一種或多種著色劑的具體著色包的原材料的組分或成分可能以及可以包含 以相應(yīng)的預(yù)選定量混合的預(yù)選定的組成，它們?cè)谌缦路矫媾c一種或多種著色劑是不同的： 量和/或化學(xué)性質(zhì)（例如，化合物vs元素，和/或反之亦然，碳酸鹽vs氧化物、混合的氧化 物vs氧化物，和/或反之亦然，價(jià)態(tài)等）和/或物理性質(zhì)（例如，晶體vs無定形，和/或反 之亦然，單相VS多項(xiàng)，和/或反之亦然，沉淀物VS溶液中，和/或反之亦然，存在VS不存在 等）。
[0010] 在涉及著色包的上述方面，本發(fā)明預(yù)期采用以相應(yīng)的預(yù)選定量混合的預(yù)選定的組 成的原材料或成分，其能夠產(chǎn)生一種或多種著色劑水平，以氧化物的重量％計(jì)，包含以下任 意一種：
[0011] Fe2O3:約 0· 3-5 ;
[0012] Fe2O3:約0. 3-5,以及一種或多種額外過渡金屬的一種或多種氧化物：約0-4 ;或者
[0013] 一種或多種多價(jià)金屬的一種或多種氧化物：約0-4。
[0014] 其他方面涉及制造有色和不透明玻璃-陶瓷的方法，所述有色和不透明玻璃-陶 瓷包含β-鋰輝石固溶體（β-鋰輝石ss)以及（i)鐵板鈦礦或者（ii)釩或含釩化合物， 所述方法：
[0015] 通過以預(yù)選定的第一速率加熱至預(yù)選定的成核溫度（TEMPn)，并在預(yù)選定的成核 溫度（TEMPn)保持預(yù)選定的第一時(shí)間，使得可著色和可陶瓷化玻璃經(jīng)受成核熱處理；以及：
[0016] 通過以預(yù)選定的第二速率加熱至預(yù)選定的陶瓷化溫度（TEMPc)，在預(yù)選定的陶瓷 化溫度（TEMPc)保持預(yù)選定的第二時(shí)間，以及以預(yù)選定的第三速率冷卻至預(yù)選定的最終溫 度（TEMPe)，使得經(jīng)熱處理的玻璃經(jīng)受陶瓷化熱處理。
[0017] 此類預(yù)選定的成核溫度（TEMPn)可以包括約700-850°C，同時(shí)相應(yīng)的預(yù)選定的第 一時(shí)間可以包括約1/4至4小時(shí)。同樣，此類預(yù)選定的陶瓷化溫度（TEMPc)可以包括約 850-1150°C，相應(yīng)的預(yù)選定的第二時(shí)間可以包括約1/4至16小時(shí)。在前述每一個(gè)中，此類 預(yù)選定的第一速率和第二速率可以相同或不同，包括約為l°c /分鐘（min)至10°C /min。
[0018] 除了展現(xiàn)出美學(xué)上合適的黑色或灰色之外，申請(qǐng)人相信，所得到的有色和不透明 玻璃-陶瓷和/或經(jīng)離子交換的有色和不透明玻璃-陶瓷可具有如下有利的性質(zhì)，例如：
[0019] 在約25°C，在約0.5-3. 0千兆赫（GHz)頻率范圍內(nèi)，小于約0.05的損耗角正切 (loss tangent);或者小于約0· 03 ;或者，小于約0· 02 ;
[0020] 在約25°C，在約0. 5-3. 0千兆赫（GHz)范圍內(nèi)，小于約8的介電常數(shù)；或者小于約 7 ;或者，小于約6 ;
[0021] 大于0. 3MPa ·πι1/2的斷裂韌度；或者大于0. 5MPa ·πι1/2的斷裂韌度；或者大于約 lMPa.ml/2的斷裂韌度；以及
[0022] 大于約135MPa的斷裂強(qiáng)度模量（MOR);或者大于275MPa ;或者大于約340MPa ;
[0023] 至少約400kg/mm2的努氏硬度；或者至少約550kg/mm 2的努氏硬度；或者至少約 700kg/mm2的努氏硬度；或者
[0024] 以及前述兩種和多種的組合。
[0025] 為此，有色和不透明玻璃-陶瓷和/或經(jīng)離子交換的有色或不透明玻璃-陶瓷可 用于可配置成無線通訊的各種電子器件或便攜式計(jì)算裝置，例如計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)附件，例 如，"鼠標(biāo)"、鍵盤、監(jiān)測(cè)器、游戲控制器、平板、白板等；個(gè)人數(shù)字助理（PDA);便攜式導(dǎo)航儀 (PND);便攜式存儲(chǔ)裝置（PID);娛樂中心和中心附件，例如調(diào)諧器、媒體播放器（例如，唱 片、磁帶、碟片等）、電纜和/或衛(wèi)星接收器、鍵盤、監(jiān)測(cè)器、游戲控制器等；電子閱讀裝置或 電子閱讀器；移動(dòng)電話和/或智能電話等。
[0026] 由下文和附圖揭示本發(fā)明的實(shí)施方式的許多其他方面、實(shí)施方式、特征和優(yōu)點(diǎn)。在 說明書和/或附圖中，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的示例性方面和/或?qū)嵤┓绞竭M(jìn)行參考，它們可 單獨(dú)應(yīng)用或者以任意方式相互結(jié)合。此類實(shí)施方式的方面和/或?qū)嵤┓绞讲淮肀景l(fā)明的 全部范圍。因此，應(yīng)該參考本文的權(quán)利要求來解釋本發(fā)明的全部范圍。出于簡(jiǎn)短和簡(jiǎn)明的 目的，本說明書所述的數(shù)值的任意范圍預(yù)期了該范圍內(nèi)的所有值，并且理解為支持?jǐn)⑹隽?具有被懷疑的具體范圍內(nèi)的實(shí)際數(shù)值的終端的任意子范圍的權(quán)利要求。舉例一個(gè)假定的示 例性例子，本發(fā)明的約1-5的范圍的陳述應(yīng)該理解為支持任意如下范圍的【主權(quán)項(xiàng)】
1_5 ; 1-4 ;1-3 ;1-2 ;2-5 ;2-4 ;2-3 ;3-5 ;3-4 ;和4-5。同樣出于簡(jiǎn)短和簡(jiǎn)明的目的，應(yīng)理解的是， 諸如"是"、"為"、"包括"、"具有"以及"包含"等術(shù)語(yǔ)是方便用詞，不理解為限制性術(shù)語(yǔ)，并 且只要