專利名稱：強化的玻璃制品及其制造方法
強化的玻璃制品及其制造方法相關申請交叉參考本申請要求2008年8月8日提交的美國臨時專利申請第61/0873M號的權益。
背景技術：
已知化學強化的玻璃可用于手持式裝置中，例如移動電話、媒體播放器和其他裝 置，以及要求透明性、高強度和耐磨性的其他應用。但是，這些玻璃可能容易具有易碎性， 即，所述玻璃在受到足夠的穿透力沖擊的時候容易碎裂成大量小片。發(fā)明_既述本文提供和描述了強化的玻璃，所述玻璃具有一定的中心張力，該中心張力低于 一定的閾值，超過該閾值時，所述玻璃表現(xiàn)出易碎性。所述中心張力隨著玻璃的厚度非線性 地變化。所述玻璃可用作便攜式或移動式電子通訊和娛樂裝置(如手機、音樂播放器)和 信息終端(IT)裝置(如膝上電腦等)的蓋板或窗口。因此，本發(fā)明的一個方面提供一種強化的玻璃制品。所述強化的玻璃制品具有厚 度t，該玻璃制品包括外部區(qū)域，該外部區(qū)域從制品表面延伸到制品內層的深度D0L，其中 該外部區(qū)域受到壓縮應力CS ；內部區(qū)域，其中該內部區(qū)域受到中心張力CT，且-15. 7t+52. 5 < CT彡-38. 71n(t)+48. 2，其中CT按兆帕(MPa)表示，t按毫米(mm)表示。本發(fā)明另一個方面提供一種強化的玻璃制品。所述強化的玻璃制品具有小于約2 毫米的厚度t，該玻璃制品包括外部區(qū)域，和受到中心張力CT的內部區(qū)域，其中CT按兆帕 (MPa)表示，CT > -15. 7t+52. 5。該強化玻璃制品在受到足以使強化玻璃制品碎裂的尖銳 物沖擊時基本上不易碎。本發(fā)明另一個方面提供一種制造基本不易碎的強化玻璃制品的方法。該方法包括 以下步驟提供玻璃制品，該玻璃制品具有厚度t ；在玻璃制品的外部區(qū)域中形成直到一定 層深度DOL的壓縮應力CS，以形成強化的玻璃制品，該壓縮應力足以在玻璃制品的中心區(qū) 域中產(chǎn)生中心張力CT，使得CT彡-38. 71n (t)+48. 2，其中CT按兆帕(MPa)表示，t按毫米 (mm)表示，該強化玻璃制品基本不易碎。通過以下詳細說明、附圖
和所附權利要求，這些和其他方面、優(yōu)點和特征將是顯而 易見的。附圖簡要描述圖Ia是顯示強化玻璃制品的照片，1)表現(xiàn)碎裂時的易碎性；幻表現(xiàn)碎裂時的不易 碎性；圖Ib是顯示強化玻璃片的照片，表現(xiàn)碎裂時的不易碎性；圖2包括閾值中心張力隨強化的堿性鋁硅酸鹽玻璃制品的玻璃厚度變化的圖；和圖3是強化的玻璃制品的示意圖。發(fā)明詳述在以下說明中，類似的附圖標記表示附圖中顯示的所有若干視圖中類似或相應的 部件。還應該理解，除非有另外的表示，否則，術語“頂部”、“底部”、“向外”、“向內”等都是為了方便而采用的用語，不應理解為限制性術語。另外，將基團描述為包含一組元素的至少 一種及其組合時，應理解該組可包括、基本包括單獨或互相組合形式的任意數(shù)量的所引述 的那些元素，或由其組成。類似地，將基團描述為由一組元素的至少一個及其組合組成時， 應理解該組可包括單獨或互相組合形式的任意數(shù)量的所引述的那些元素。除非有另外的表 示，否則，引述的值范圍包括該范圍的上限和下限、以及其間的任意子范圍。參考一般意義的附圖，將會理解，說明書的目的是描述具體實施方式
，而不是限制 公開內容或所附權利要求。附圖不一定是按比例的，可以夸張表現(xiàn)一些特征和一些附圖，或 者為了清楚和一致性示意表示。易碎性(本文也稱為“脆性”)表示玻璃制品的極端碎裂性質。易碎性是制品內形 成過大的內部或中心張力CT的結果，導致制品破裂時發(fā)生強力或劇烈的碎裂。在熱回火、 層壓的或化學強化的(例如通過離子交換強化)玻璃制品中，當玻璃制品(如板或片)的 表面或外部區(qū)域中的壓縮應力(⑶)與玻璃板中心的拉伸應力的平衡提供足夠能量從而導 致多重裂縫支化，使小玻璃片和/或顆粒從制品脫出(ejection)或“飛出(tossing) ”時， 產(chǎn)生易碎性。形成這些脫出物的速度是玻璃制品內作為中心張力CT儲存的過多能量的結^ ο玻璃制品的易碎性是中心張力CT和壓縮應力CS的函數(shù)。具體來說，玻璃制品內 的中心張力CT可以由壓縮應力CS計算。壓縮應力CS在表面附近(即，100微米以內)測 量，給出最大CS值和壓縮應力層的測量深度(本文也稱為“層深度”或“DOL”)。CS和CT 之間的關系通過以下表達式給出CT = (CS · DOL) / (t_2D0L)(1)，其中t是玻璃制品的厚度。除非有另外的表示，否則，中心張力CT和壓縮應力CS 在本文中按兆帕(MPa)表示，其中厚度t和層深度DOL按毫米表示?？梢詾椴Ａе破吩O計 或提供的壓縮層深度DOL和壓縮應力CS最大值受到這種易碎性的限制。因此，易碎性是設 計各種玻璃制品時需要考慮的因素之一。易碎性具有以下至少一種特征強化的玻璃制品(如板或片)碎裂成多個小片 (如< 1毫米)；每單位面積玻璃制品形成的碎片數(shù)量；從玻璃制品中的一個初始裂縫得到 多重裂縫支化；暴力脫出的至少一個碎片與其初始位置的規(guī)定距離(如約5厘米，或約2英 寸)；以及任意上述破裂(尺寸和密度)、碎裂和脫出行為的組合。如本文所用，術語“易碎 性”和“脆性”表示沒有任何外部限制(例如涂層、粘合劑層等)的強化玻璃制品的暴力或 劇烈碎裂的那些模式。雖然可以將涂層、粘合劑層等與本文所述的強化玻璃制品聯(lián)合使用， 但是在確定玻璃制品的易碎性或脆性的時候并未使用這些外部限制。圖Ia和Ib說明強化玻璃制品在受到尖銳壓頭的尖端沖擊(point impact)時的 易碎性和不易碎性。用來確定易碎性的尖端沖擊測試包括對玻璃制品的表面施加作用力的 設備，所述作用力正好足以釋放強化玻璃制品內存在的內部儲存能量。也就是說，尖端沖擊 作用力足以在強化玻璃片的表面產(chǎn)生至少一條新裂縫，并延伸該裂縫通過壓縮應力CS區(qū) 域(即層深度)進入受到中心張力CT的區(qū)域。產(chǎn)生或活化強化玻璃片中的裂縫所需的沖 擊能量取決于壓縮應力CS和制品的層深度D0L，因此取決于對該片進行強化時的條件(即， 通過離子交換強化玻璃時所用的條件)?；蛘撸瑢γ總€離子交換的玻璃板施加尖鏢壓頭接 觸，這種接觸足以使得裂縫延伸進入板的內部區(qū)域，所述內部區(qū)域處于拉伸應力下。向玻璃板施加的作用力正好足以達到內部區(qū)域的開始位置，使得所述驅動裂縫的能量源自內部區(qū) 域的拉伸應力，而不是源自外部表面上的尖鏢沖擊力。圖Ia和Ib中所示的玻璃片是50毫米X 50毫米的離子交換的堿性鋁硅酸鹽玻璃 片，各樣品的厚度為0. 5毫米。各樣品的組成為66. 7摩爾％的SW2 ； 10. 5摩爾％的Al2O3 ； 0. 64 摩爾 % 的 B2O3 ；13. 8 摩爾 % 的 Na2O ；2. 06 摩爾 % 的 K2O ；5. 50 摩爾 % 的 MgO ；0. 46 摩 爾％的CaO ；0. 01摩爾%的ZrO2 ；0. 34摩爾%的As2O3 ；和0. 007摩爾%的Fe2O3 ；或者為 66. 4 摩爾 ％的 SiO2 ； 10. 3 摩爾 ％ WAl2O3 ；0. 60 摩爾 ％的 B2O3 ；4. 0 摩爾 ％的 Na2O ；2. 10 摩 爾％的K2O ；5. 76摩爾％的MgO ；0. 58摩爾％的CaO ；0. 01摩爾％的^O2 ；0. 21摩爾％的 SnO2 ；和0. 007摩爾％的狗203。對圖Ia和Ib中所示的各玻璃板進行離子交換，實現(xiàn)80兆 帕(Ib)到84兆帕(Ia)的中心張力。參見圖la，玻璃板a(圖la)可歸類為易碎性。具體來說，玻璃板a碎裂成多個脫 出的小片，表現(xiàn)為從初始裂縫產(chǎn)生較高程度的裂縫支化，形成小片。約50%的碎片的尺寸 小于1毫米，估計從初始裂縫產(chǎn)生約8-10條支化的裂縫。如圖Ia中所示，脫出的玻璃片與 初始玻璃板a的距離約為5厘米。表現(xiàn)出上述三項標準(即，多重裂縫支化、脫出和極多碎 裂)中任意項的玻璃制品可歸類為易碎性。例如，若玻璃只表現(xiàn)出過多的支化，但是沒有表 現(xiàn)出上述脫出或極多碎裂，則該玻璃仍可表征為易碎性。玻璃板b、c (圖lb)和d(圖la)歸類為不易碎性。在這各個樣品中，玻璃片破裂 成少量的大片。例如玻璃板b (圖2b)破裂成兩個大片，沒有裂縫支化；玻璃板c (圖2b)破 裂成四片，從初始裂縫形成兩條支化裂縫；玻璃板d (圖2a)破裂成四片，從初始裂縫形成兩 條支化裂縫。根據(jù)沒有脫出碎片(即，沒有玻璃片強力脫出到與其初始位置相距2英寸以 上)，沒有尺寸< 1毫米的可見碎片，以及觀察到很少量的支化裂縫的情況，樣品b、c和d歸 類為不易碎性或基本不易碎性。根據(jù)以上內容，可以設立易碎性指數(shù)(表1)來定量玻璃、玻璃陶瓷和/或陶瓷制 品在受到另一物體沖擊時的易碎性或不易碎性的程度。該指數(shù)從1到5，1表示不易碎性，5 表示高度易碎性，用該指數(shù)描述易碎性或不易碎性的不同水平。使用該指數(shù)，以許多參數(shù)的 形式表征易碎性1)直徑(即最大尺寸)小于1毫米的碎片的數(shù)量百分比(表1中的“碎 片尺寸”)；2)每單位面積(在這種情況下為平方厘米)樣品形成的碎片數(shù)量(表1中的 “碎片密度”)；3)受到?jīng)_擊時由初始裂縫形成的支化裂縫的數(shù)量(表1中的“裂縫支化”)； 和4)受到?jīng)_擊時從初始位置脫出超過約5厘米(或約2英寸)的碎片的數(shù)量百分比(表 1中的“脫出”)。表1.確定易碎程度和易碎性指數(shù)的標準。
權利要求
1.一種強化玻璃制品，該強化玻璃制品的厚度為t，其包括a.厚度t，外部區(qū)域，該外部區(qū)域從制品表面延伸到制品內的層深度D0L，其中該外部 區(qū)域處于壓縮應力CS之下；和b.內部區(qū)域，其中該內部區(qū)域處于中心張力CT之下，其 中-15. 7t+52. 5 ^ CT ^ -38. 71n (t)+48. 2，其中 CT 按兆帕(MPa)表示，t 按毫米(mm)表不。
2.如權利要求1所述的強化玻璃制品，其特征在于，所述強化玻璃在受到足以使該強 化玻璃制品破裂的尖端沖擊時基本沒有易碎性。
3.如權利要求2所述的強化玻璃制品，其特征在于，所述強化玻璃制品在受到足以使 該強化玻璃制品破裂的尖端沖擊時的易碎性指數(shù)小于3。
4.如前述權利要求中任一項所述的強化玻璃制品，其特征在于，所述強化玻璃制品是 厚度為約0. 2毫米到最大約2毫米的片。
5.如權利要求4所述的強化玻璃制品，其特征在于，所述厚度為約0.5毫米到最大約 0. 75毫米。
6.如權利要求4所述的強化玻璃制品，其特征在于，所述厚度為約0.9毫米到最大約2毫米。
7.如前述權利要求中任一項所述的強化玻璃制品，其特征在于，所述強化玻璃制品包 含堿性鋁硅酸鹽玻璃。
8.如權利要求7所述的強化玻璃制品，其特征在于，所述堿性鋁硅酸鹽玻璃包含 60-70 摩爾 % 的 SiO2 ；6-14 摩爾 % 的 Al2O3 ；0-15 摩爾 % 的 B2O3 ；0-15 摩爾 % 的 Li2O ；0-20 摩 爾％的Na2O ；0-10摩爾%的K2O ；0-8摩爾%的MgO ；0-10摩爾%的CaO ；0-5摩爾%的ZrO2 ； 0-1摩爾％的SnA ；0-1摩爾％的CeA ；小于50ppm的Aii2O3 ；和小于50ppm的SId2O3 ；其中12 摩爾％彡Li20+Na20+K20彡20摩爾％且0摩爾MgO+CaO彡10摩爾％。
9.如權利要求7所述的強化玻璃制品，其特征在于，所述堿性鋁硅酸鹽玻璃包含5-50 重量％的SiR ；2-20重量％的Al2O3 ；0-15重量％的化03 ； 1-20重量％的Na2O ；0-10重量％ 的 Li2O ；0-10 重量 ％的 K2O ；和 0-5 重量 ％的(MgO+CaO+SrO+BaO) ；0-3 重量 ％的(Sr0+Ba0)； 和 0-5 重量％的(Zr02+Ti02)，其中 0 ( (Li2CHK2O)/Na2O 彡 0. 5。
10.如權利要求7所述的強化玻璃制品，其特征在于，所述堿性鋁硅酸鹽玻璃的液相線 粘度為至少130千泊。
11.如權利要求7所述的強化玻璃制品，其特征在于，所述堿性鋁硅酸鹽玻璃基本不含鋰。
12.如前述權利要求中任一項所述的強化玻璃制品，其特征在于，所述外部區(qū)域的深度 為至少30微米。
13.如前述權利要求中任一項所述的強化玻璃制品，其特征在于，所述壓縮應力為至少 600兆帕。
14.如前述權利要求中任一項所述的強化玻璃制品，其特征在于，所述強化玻璃制品是 一種用于便攜式電子裝置、信息終端裝置的蓋板和用于電腦的顯示器。
15.如前述權利要求中任一項所述的強化玻璃制品，其特征在于，所述外部區(qū)域通過離 子交換進行強化。
16.如前述權利要求中任一項所述的強化玻璃制品，其特征在于，CT=(CS · DOL)/ (t-2D0L)，其中CS按兆帕表示，DOL按毫米表示。
17.—種制造強化玻璃制品的方法，該強化玻璃制品基本沒有易碎性，該方法包括以下 步驟a.提供玻璃制品，該玻璃制品具有厚度t;和b.在玻璃制品的外部區(qū)域中產(chǎn)生到層深度DOL的壓縮應力CS，以形成強化玻璃 制品，所述壓縮應力足以在所述強化玻璃制品的中心區(qū)域中產(chǎn)生中心張力CT，使得 CT ^ -38. 71n(t)+48. 2，其中CT按兆帕(MPa)表示，t按毫米(mm)表示，其中該強化玻璃 制品基本沒有易碎性。
18.如權利要求17所述的方法，其特征在于，在外部區(qū)域中產(chǎn)生壓縮應力CS的步驟包 括用大量第二金屬離子交換外部區(qū)域中的大量第一金屬離子，使得外部區(qū)域包含大量第二 金屬離子，其中各種第一金屬離子具有第一離子半徑，各種第二堿金屬離子具有第二離子 半徑，所述第二離子半徑大于第一離子半徑，第二堿金屬離子的存在在外部區(qū)域中產(chǎn)生壓 縮應力。
19.如權利要求17或18所述的方法，其特征在于，所述大量第一金屬離子和大量第二 金屬離子中的至少一種包括堿金屬離子。
20.如權利要求18所述的方法，其特征在于，所述大量第一堿金屬離子包括鋰離子、鈉 離子、鉀離子和銣離子中的至少一種，所述大量第二堿金屬離子包括鈉離子、鉀離子、銫離 子和銣離子中的至少一種。
21.如權利要求18所述的方法，其特征在于，用大量第二金屬離子交換外部區(qū)域中的 大量第一金屬離子的步驟使得外部區(qū)域包含大量第二金屬離子，該步驟包括將玻璃制品浸 入熔融鹽浴中，該熔融鹽浴包含第二金屬離子。
22.如權利要求18所述的方法，其特征在于，所述強化玻璃制品包含堿性鋁硅酸鹽玻璃
23.如權利要求17-22中任一項所述的方法，其特征在于，CT= (CS · DOL) / (t_2D0L)， 其中CS按兆帕表示，DOL按毫米表示。
24.如權利要求17-23中任一項所述的方法，其特征在于，-15.7t+52.-38. 71η (t)+48. 2。
25.如權利要求17-24中任一項所述的方法，其特征在于，所述強化玻璃制品的易碎性 指數(shù)小于3。
全文摘要
一種強化的玻璃制品，該玻璃制品具有一定的中心張力，該中心張力低于一定的閾值，高于該閾值時，所述玻璃表現(xiàn)出易碎性。所述中心張力隨著玻璃的厚度非線性地變化。所述玻璃可用作便攜式或移動式電子裝置如手機等的蓋板或窗口。所述制品通過在熔融鹽浴中的堿金屬離子交換進行強化。
文檔編號C03C21/00GK102149649SQ200980135969
公開日2011年8月10日 申請日期2009年8月7日 優(yōu)先權日2008年8月8日
發(fā)明者J·J·普賴斯, J·M·奎恩塔爾, K·L·貝爾富特, R·L·斯圖爾特 申請人:康寧股份有限公司