專利名稱：可變溫度/連續(xù)離子交換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及玻璃和玻璃陶瓷制品的化學(xué)強(qiáng)化。更具體地，本發(fā)明涉及通過離子交換對(duì)這種制品進(jìn)行的化學(xué)強(qiáng)化。甚至更具體地，本發(fā)明涉及在具有溫度梯度的離子交換浴中對(duì)這種制品進(jìn)行強(qiáng)化。
背景技術(shù)：
離子交換是強(qiáng)化玻璃和玻璃陶瓷制品的一種方法。所述方法包括將玻璃制品在熔鹽浴中浸泡給定的時(shí)間。在制品浸沒的時(shí)候，陽離子在玻璃與鹽浴之間相互擴(kuò)散，其中較大的鹽浴陽離子被玻璃中相同價(jià)態(tài)的較小離子交換。這種離子尺寸的失配在玻璃表面處引起壓縮應(yīng)力，并提高玻璃強(qiáng)度。離子交換產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力在表面處具有最大值，并隨深度減小。為了維持力的平衡，表面處存在的壓縮應(yīng)力被玻璃中心區(qū)域的拉伸應(yīng)力或中心張力平衡。應(yīng)力為零(或者應(yīng)力改變符號(hào))的點(diǎn)稱作層深度。對(duì)于常規(guī)離子交換工藝(即采用單一溫度、浸泡時(shí)間、基材厚度和鹽浴濃度的工藝)，這些變量之間的關(guān)系是明確的。離子交換應(yīng)力場(chǎng)的這些度量參數(shù)可與玻璃制品的機(jī)械性能關(guān)聯(lián)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了對(duì)玻璃和玻璃陶瓷制品進(jìn)行離子交換的方法。所述方法包括在具有第一端和第二端的離子交換浴中浸泡至少一種這樣的制品，其中所述第一端和第二端分別被加熱到第一溫度和第二溫度。所述第一溫度和第二溫度可彼此相同，也可彼此不同，后一種狀態(tài)產(chǎn)生橫穿離子交換浴或者沿著離子交換浴的溫度梯度。也可在離子交換浴中連續(xù)處理多件制品。因此，本發(fā)明一方面提供了對(duì)基材進(jìn)行離子交換的方法。所述方法包括以下步驟將基材浸泡在離子交換浴的第一端，所述離子交換浴包含至少一種堿金屬鹽，并且具有第一端和第二端，其中第一端被加熱到第一溫度，第二端被加熱到第二溫度，所述基材是可離子交換玻璃和可離子交換玻璃陶瓷之一，并且具有應(yīng)變點(diǎn)；移動(dòng)至少一塊基材，使其通過離子交換浴，從第一端到達(dá)第二端，其中所述至少一塊基材在通過離子交換浴的過程中發(fā)生離子交換；使所述至少一塊基材在第二端發(fā)生離子交換，其中離子交換足以在基材的至少一個(gè)表面中產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。本發(fā)明第二方面提供了一種離子交換浴。所述離子交換浴包含具有第一端和與第一端相對(duì)的第二端的容器和設(shè)置在容器內(nèi)的至少一種堿金屬鹽熔鹽浴，所述熔鹽浴包含至少一種堿金屬鹽。
本發(fā)明第三方面提供了一種包含堿金屬鋁硅酸鹽玻璃和玻璃陶瓷之一的基材。所述基材具有至少一個(gè)處于壓縮應(yīng)力之下的表面，所述壓縮應(yīng)力達(dá)到層深度，在基材表面處具有最大值。根據(jù)以下詳細(xì)描述、附圖以及所附權(quán)利要求書，上述及其他方面、優(yōu)點(diǎn)和顯著特征將變得顯而易見。


圖I是離子交換浴和在離子交換浴中對(duì)基材進(jìn)行離子交換的方法的示意圖；圖2是離子交換浴中第一、第二和第三溫度之間的關(guān)系圖線；圖3是對(duì)基材進(jìn)行連續(xù)離子交換的方法和離子交換浴的示意圖；圖4是已經(jīng)通過離子交換強(qiáng)化的平面基材的截面示意圖； 圖5是假想應(yīng)力分布圖，可利用不同的離子交換工藝得到。
具體實(shí)施例方式在以下描述中，附圖所示的幾幅視圖中相同的附圖標(biāo)記均表示相同或類似的部分。還應(yīng)理解，除非另行指明，否則，諸如“頂部”、“底部”、“向外”、“向內(nèi)”等詞語是方便用詞，不應(yīng)視為限制性詞匯。此外，無論在什么情況下將一個(gè)組描述為包含一組元素或其組合當(dāng)中的至少一個(gè)元素或組合時(shí)，應(yīng)理解為該組可包含任意數(shù)量的所述元素，基本上由任意數(shù)量的所述元素組成，或者由任意數(shù)量的所述元素組成，所述元素可單獨(dú)存在或相互組合。類似地，無論在什么情況下將一個(gè)組描述為由一組元素或其組合當(dāng)中的至少一個(gè)元素或組合組成時(shí)，應(yīng)理解為該組可由任意數(shù)量的所述元素組成，所述元素可單獨(dú)存在或相互組合。除非另行指明，否則，在描述數(shù)值范圍時(shí)，該數(shù)值范圍既包括該范圍的上限，也包括該范圍的下限，還包括上下限之間的所有范圍。如本文所用，不定冠詞“一個(gè)”、“一種”以及相應(yīng)的定冠詞“該”表示“至少一個(gè)(種)”或“一個(gè)(種)或多個(gè)(種)”，除非另行指明。總體上參考各附圖并具體參考附圖1，應(yīng)理解圖示的目的是描述具體的實(shí)施方式，而不是為了限制本發(fā)明或其所附權(quán)利要求。附圖不一定按比例繪制，附圖中的某些特征和某些視圖可能按放大比例顯示，或者為清晰和簡(jiǎn)潔起見以示意圖形式顯示。從膝上型計(jì)算機(jī)到移動(dòng)電話、音樂視頻播放機(jī)等，消費(fèi)電子產(chǎn)品往往包含玻璃，如鎂堿金屬鋁硅酸鹽玻璃，所述玻璃可通過離子交換強(qiáng)化。因此，本發(fā)明提供了對(duì)基材進(jìn)行離子交換和通過離子交換對(duì)基材進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化的方法。在此方法中，玻璃表面層中的離子被玻璃中存在的具有相同價(jià)態(tài)或氧化態(tài)的較大離子置換一或者與之發(fā)生交換。堿金屬鋁硼硅酸鹽玻璃表面層中的離子和所述較大離子是單價(jià)金屬陽離子，例如但不限于Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+、Ag+、Tl+、Cu+等。離子尺寸的失配在表面處產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，所述壓縮應(yīng)力抑制裂紋的形成和擴(kuò)展。要使玻璃破裂，所施加的應(yīng)力必須先超過誘導(dǎo)壓縮力，將表面置于足夠的張力之下，從而使已經(jīng)存在的瑕疵擴(kuò)展。離子交換法通常包括以下步驟將玻璃或玻璃陶瓷制品或基材(本文所用的“制品”和“基材”是同義詞，可互換使用)浸泡在熔鹽浴中，所述熔鹽浴包含將與玻璃中的較小離子交換的較大離子。本領(lǐng)域的技術(shù)人員不難理解，離子交換法的參數(shù)一般根據(jù)玻璃的組成以及要通過強(qiáng)化方法實(shí)現(xiàn)的玻璃或玻璃陶瓷的所需層深度和壓縮應(yīng)力確定，所述參數(shù)包括但不限于鹽浴的組成和溫度，浸泡時(shí)間，玻璃在一種鹽浴(或多種鹽浴)中浸泡的次數(shù)，多鹽浴的使用，附加步驟如退火、洗滌等。舉例來說，含堿金屬的玻璃的離子交換可通過浸泡在至少一種熔鹽浴中實(shí)現(xiàn)，所述熔鹽浴包含諸如但不限于較大堿金屬離子的硝酸鹽、硫酸鹽和/或氯化物之類的鹽。這種熔鹽浴的溫度通常在約380-450°C的范圍內(nèi)，浸泡時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)到約16小時(shí)。然而，也可采用不同于本文所述的溫度和浸泡時(shí)間。這種離子交換處理通常得到強(qiáng)化玻璃或玻璃陶瓷，所述強(qiáng)化玻璃或玻璃陶瓷具有處于壓縮應(yīng)力(CS)之下的外表面層(在本文中也稱作“層深度”或“DOL”)。通過離子交換產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力(CS)通常在制品表面具有最大值，并隨深度減小。為了維持制品內(nèi)部的力的平衡，表面處存在的壓縮應(yīng)力由制品中心區(qū)域的拉伸應(yīng)力平衡，所述拉伸應(yīng)力在本文中稱作中心張力(CO?？倯?yīng)力為零或者改變符號(hào)的點(diǎn)稱作層深度(D0L)。對(duì)于采用單一溫度、時(shí)間、厚度和鹽浴濃度的傳統(tǒng)離子交換法，這些變量之間的關(guān)系是明確的。離子交換應(yīng)力場(chǎng)的這些測(cè)量參數(shù)可與玻璃制品的機(jī)械性能關(guān)聯(lián)。例如，研磨或處理之后的殘余強(qiáng)度直接隨著DOL改善。據(jù)稱壓縮應(yīng)力控制著表面瑕疵性質(zhì)，如通過環(huán)上環(huán)或落球測(cè)試所確定。較低的中心張力對(duì)于在切割過程中控制斷裂和控制易碎性更加有利。如前所述，CT、CS和DOL在單步離子交換法中是緊密聯(lián)系的。相比于單步離子交換，本文所述的方法涉及溫度是可變的而不是恒定的離子交換工藝。通過改變溫度，CS、D0L和CT彼此脫去關(guān)聯(lián)，因此每個(gè)參數(shù)都能獨(dú)立地獲得具體的數(shù)值。由于能夠獨(dú)立地獲得所需的壓縮應(yīng)力、層深度和中心張力，所以例如能夠?qū)崿F(xiàn)切割和精整離子交換基材所需的機(jī)械性質(zhì)——所述機(jī)械性質(zhì)由高CS、高DOL和低CT決定。對(duì)基材進(jìn)行離子交換和通過離子交換對(duì)基材進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化的方法簡(jiǎn)示于圖I。第一步(圖I中的步驟20)，將基材(圖I中的130)浸泡在離子交換浴100的第一端112，其中基材150在第一端112處的離子交換浴100的溫度下發(fā)生離子交換。雖然圖I僅示出了單塊基材150，但應(yīng)當(dāng)理解，離子交換浴100可同時(shí)容納本領(lǐng)域的技術(shù)人員認(rèn)為可行的任意數(shù)量的基材150。例如，在一些實(shí)施方式中，可將所述至少一塊基材放入或者裝入盒子或者夾具，使得能夠在所述方法的每一步同時(shí)處理多塊基材。在離子交換浴100的第一端112處對(duì)基材150進(jìn)行離子交換的時(shí)間根據(jù)幾個(gè)因素選擇，所述因素包括第一溫度T1、熔鹽120的·組成、基材的組成以及最終所需的壓縮應(yīng)力分布和壓縮層深度。在一些實(shí)施方式中，所述方法包括首先提供至少一塊基材(步驟10)。所述至少一塊基材是可離子交換玻璃或玻璃陶瓷，并且在多個(gè)實(shí)施方式中包含以下物質(zhì)、基本上由以下物質(zhì)組成或者由以下物質(zhì)組成堿金屬鋁硅酸鹽玻璃或玻璃陶瓷如堿金屬鋁硅酸鹽玻璃陶瓷。這樣的玻璃和玻璃陶瓷在下文描述。在基材是堿金屬鋁硅酸鹽玻璃的那些實(shí)施方式中，提供基材的步驟可包括使用本領(lǐng)域已知的那些方法下拉基材，所述方法是例如但不限于熔合拉制、狹縫拉制、再拉制等。在一些實(shí)施方式中，基材具有平面構(gòu)造，例如片材。或者，基材可具有非平面或三維構(gòu)造，并且可形成彎曲或部分彎曲的表面。在一些實(shí)施方式中，還提供離子交換浴(步驟20)。所述離子交換浴通常是熔融(即液態(tài))或部分熔融的鹽浴。在一些實(shí)施方式中，離子交換浴包含以下物質(zhì)、基本上由以下物質(zhì)組成或者由以下物質(zhì)組成至少一種堿金屬鹽，例如但不限于鈉、鉀或其他堿金屬的硝酸鹽、硫酸鹽和鹵化物。在一些實(shí)施方式中，離子交換浴還可包括其他單價(jià)金屬的鹽(例如Ag+、Tl+、Cu+等)。在一些實(shí)施方式中，離子交換浴是這種鹽的低共熔混合物或者一種鹽在第二種鹽中的熔融溶液。熔鹽溶液的一個(gè)非限制性例子是硝酸鉀在硝酸銨中的溶液。本文所述的離子交換浴的一個(gè)實(shí)施方式簡(jiǎn)示于圖I。離子交換浴100具有第一端112和與第一端112相對(duì)的第二端114，并包含設(shè)置在容器110中的熔鹽120。第一端112被加熱到第一溫度T1，第二端114被加熱到第二溫度T2。在一些實(shí)施方式中，離子交換浴100在第一端112與第二端114之間的至少一部分116或區(qū)域可被加熱到第三溫度T3。雖然圖I僅示出了一個(gè)這樣被加熱到第三溫度T3的部分116，但在一些實(shí)施方式中，位于第一端112與第二端114之間的多段各自可被加熱到選定的溫度。除非另行指明，否則，本文所述的所有溫度(例如第一溫度T1、第二溫度T2和第三溫度T3)均足以使離子交換浴100中的鹽至少部分液化——并且優(yōu)選完全液化。在一些實(shí)施方式中，第一溫度T1、第二溫度T2和第三溫度T3中至少有一個(gè)溫度比基材應(yīng)變點(diǎn)至少低100°C。如本文所用，術(shù)語“被加熱到一個(gè)溫度”是指在離子交換浴的指定位置(例如第一端112、第二端114等)，離子交換浴100被加熱到所述溫度。在一些實(shí)施方式中，離子交換浴100通過電阻加熱器(未示出)或本領(lǐng)域已知的其他同類方法從外部加熱，也就是將這種加熱器放置在容器110的外面?；蛘?，離 子交換浴可從內(nèi)部加熱，也就是將加熱元件(未示出)直接插入離子交換浴100的熔鹽120中，或者將這樣的元件放置在保護(hù)套內(nèi)，然后將保護(hù)套插入熔鹽120。在一些實(shí)施方式中，先預(yù)熱基材150 (步驟15)，然后再將其浸入離子交換浴100，以免在浸入熔鹽120時(shí)因熱沖擊而破裂或斷裂。基材150的預(yù)熱可在單獨(dú)的爐子中進(jìn)行，并且在一些實(shí)施方式中包括將基材預(yù)熱到高于或等于第一溫度T1的溫度。在離子交換浴的第一端112浸泡和離子交換之后，移動(dòng)或平移基材150(步驟30)，使其通過熔鹽120和離子交換浴100，沿著路徑32到達(dá)第二端114?；?50的這種移動(dòng)或平移可通過本領(lǐng)域已知的那些手段實(shí)現(xiàn)，如利用與基材150連接的鏈或帶驅(qū)動(dòng)件，借助手工移動(dòng)或移位，等等?；?50的這種移動(dòng)可以是連續(xù)的，也可以按一定間隔發(fā)生或發(fā)生在不連續(xù)的步驟中。類似地，基材150可在第二端114放置或保持任意所需長(zhǎng)短的時(shí)間。在基材150從離子交換浴的第一端112移動(dòng)到第二端114的過程中，基材150繼續(xù)進(jìn)行離子交換。使離子交換持續(xù)足夠的時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)所選定的壓縮應(yīng)力分布和壓縮層深度。如前面在上文中所述，離子交換的時(shí)間基于幾個(gè)因素，包括第一溫度T1和第二溫度T2,熔鹽120的組成，以及基材150的組成。在一個(gè)實(shí)施方式中，在一定條件下對(duì)基材150進(jìn)行一定時(shí)間的離子交換，所述時(shí)間和條件足以在基材150的表面處產(chǎn)生最大壓縮應(yīng)力。在另一個(gè)實(shí)施方式中，對(duì)所需的壓縮應(yīng)力、中心張力和/或?qū)由疃戎械闹辽僖粋€(gè)參數(shù)加以選擇，對(duì)基材150進(jìn)行足夠長(zhǎng)的時(shí)間的離子交換，以實(shí)現(xiàn)這些參數(shù)。離子交換到所需水平之后，從離子交換浴110中取出基材150 (步驟40)。在一些實(shí)施方式中，使基材150快速冷卻且/或用去離子水清洗(步驟45)。第一溫度T1與第二溫度T2之間可能的關(guān)系簡(jiǎn)不于圖2。在一些實(shí)施方式中,第一端112的溫度T1和第二端114的溫度T2彼此不同。這種溫度的差異導(dǎo)致熔鹽120和離子交換浴100內(nèi)從第一端112到第二端114的溫度梯度。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，第一溫度T1與第二溫度T2至少相差io°c (即Ti+icrc彡T2;或者T1彡t2+io°c)?；蛘?，第一溫度T1與第二溫度T2可相等(T1=T2 ;圖2中C)。第一溫度T1小于(T1CT2 ;圖2中b)還是大于(T1XT2 ；圖2中a)第二溫度T2部分取決于熔鹽浴120的組成、所需的壓縮應(yīng)力、層深度和/或基材150的表面壓縮層的組成分布。在一些實(shí)施方式中，將離子交換浴100中隔開第一端112與第二端114的部分116加熱到第三溫度T3，所述第三溫度與第一溫度T1和第二溫度T2均不同。第三溫度T3可小于TJPT2 (T3CT1, T2 ;圖2中e)，也可大于TjPT2 (T3XT1, T2 ;圖2中d)?；蛘?，第三溫度T3可大于T1和T2之一，即T3可在T1與T2之間(T2XT3XT1 ;圖2中e或者T2CT3CT1X雖然圖2顯示了離子交換浴100中溫度隨位置的明晰的線性變化，但熔鹽120的實(shí)際溫度可以更連續(xù)的方式變化，因?yàn)榈谝欢?12和第二端140的熔鹽120的各部分彼此流體連通。尚子交換速率與進(jìn)行交換的尚子的相互擴(kuò)散率有關(guān)。交換速率和相互擴(kuò)散率遵循阿倫尼烏斯(Arrhenius)關(guān)系，因此隨溫度發(fā)生許多個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。因?yàn)閿U(kuò)散率隨溫度增大，所以溫度與浸泡/離子交換時(shí)間的不同組合可能產(chǎn)生類似的組成分布(例如，在較高溫度進(jìn)行較短時(shí)間的離子交換可與在較低溫度進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的離子交換產(chǎn)生相同的分布)。然而，升高溫度有自身的意義，因?yàn)殡x子交換產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力分布也強(qiáng)烈依賴于溫度。雖然溫度越高離子擴(kuò)散越快，但較高的溫度也會(huì)促進(jìn)應(yīng)力松弛，限制可在表面獲得的最大壓縮應(yīng)力。 通過將第一端112加熱到第一溫度T1并將第二端114加熱到第二溫度T2，在單個(gè)離子交換浴100中綜合了高溫離子交換過程和低溫離子交換過程，產(chǎn)生具有特定的壓縮應(yīng)力、中心張力和層深度的應(yīng)力分布。圖5是可利用以下方式獲得的假想應(yīng)力分布曲線a)在單個(gè)離子交換浴中，在單一溫度下浸泡設(shè)定的時(shí)間(圖5中a) ;b)先在第一離子交換浴中，在第一溫度下浸泡，然后在第二個(gè)獨(dú)立的離子交換浴中，在不同的溫度下浸泡(圖5中b);以及c)在本文所述的離子交換浴100中浸泡，其中溫度從第一端112到第二端114變化，在第一端112至第二端114之間產(chǎn)生溫度梯度(圖5中C)。本文所述的離子交換浴100和方法比浸泡在單個(gè)離子交換浴中或者依次浸泡在兩個(gè)獨(dú)立離子交換浴中所需的處理時(shí)間短，產(chǎn)生的基材150具有更低的中心張力，而壓縮應(yīng)力和層深度相近。從圖I可以看出，離子交換浴100是連續(xù)的單個(gè)浴槽。在T1與T2 (在一些實(shí)施方式中還有T3)彼此不同的實(shí)施方式中，這種不同在離子交換浴100中產(chǎn)生連續(xù)溫度梯度，如圖2所示。溫度梯度給熔鹽120的密度和濃度造成差異，在第一端112與第二端114之間發(fā)生熔鹽120的對(duì)流運(yùn)動(dòng)、輸送和/或流動(dòng)。在一些實(shí)施方式中，這種對(duì)流可通過在離子交換浴100中放置擋板、閘或其他限制熔鹽120發(fā)生對(duì)流和/或湍流運(yùn)動(dòng)的裝置加以抑制?；蛘?，離子交換浴100中的湍流或擾動(dòng)可通過內(nèi)部或外部手段加強(qiáng)，即提供本領(lǐng)域已知的聲能、電場(chǎng)、鼓泡器、攪拌器、螺旋槳等，用來攪拌流體。在一些實(shí)施方式中，第一溫度T1與第二溫度T2相等，離子交換浴100具有基本上平坦的等溫線溫度分布(圖2中C)。在此情況下，本文所述的對(duì)基材進(jìn)行離子交換的方法是連續(xù)過程而不是間歇過程，因?yàn)殡x子交換浴100可用來依次處理多塊基材(圖3中150a_e)，其以示意圖示于圖3。從圖3可以看出，基材150b、150c和150d分別在第一端112、將第一端112與第二端114分開的部分116以及第二端114進(jìn)行離子交換。與此同時(shí)，基材150a被預(yù)熱(步驟15)，而基材150d快速冷卻(步驟45)。在一塊基材150從離子交換浴中的一個(gè)步驟或位置移動(dòng)或平移到下一個(gè)步驟或位置(例如基材150b在步驟30a中從第一端112移動(dòng)到部分116)時(shí)，另一塊基材150取代前面一塊基材150 (例如基材150a在步驟20中移動(dòng)至并浸泡在第一端112)。
在離子交換過程中，從玻璃移出的流出離子可能成為污染源，從而減慢離子交換過程。例如，從玻璃中移出的鈉離子作為包含鉀鹽的離子交換浴中的污染物。目前，這種污染問題是這樣解決的從離子交換浴排出受污染的鹽，向離子交換浴加入“新鮮”或純凈的鹽，并使鹽熔化。為了減小這種污染的影響，本文所述的離子交換浴100也可裝有一定的裝置，用來選擇地清空熔鹽120或者增補(bǔ)熔鹽120的至少一種材料或組分。這種增補(bǔ)和/或清空可在離子交換浴100的不同位置進(jìn)行；例如在第一端112或第二端114。熔鹽120可通過例如排放裝置170去除(圖I)?；蛘?，可通過提供源或貯存裝置160，在離子交換浴中補(bǔ)充添加至少一種鹽162。如圖I所示，貯存裝置160相對(duì)于離子交換浴100設(shè)置，從而將至少一種鹽162直接送至離子交換浴100的第二端114。在另一個(gè)實(shí)施方式中(未示出)，貯存裝置160與離子交換浴100連接，使得裝有至少一種鹽162的室與熔鹽120流體連通。雖然圖I中的排放裝置170和貯存裝置160分別位于第一端112和第二端114，本領(lǐng)域的技術(shù)人員不難理解，排放裝置170和貯存裝置160可位于離子交換浴100中的任何位置。例如，排放裝置170可位于離子交換浴中由于離子交換過程的化學(xué)平衡或者其他平衡因素而富集特定陽離子(例如Na+或K+)的區(qū)域。這樣可以通過排放裝置170除去更大一部分富集的陽離子，而熔鹽120的化學(xué)平衡可至少部分恢復(fù)。類似地，可從貯存裝置160向熔鹽120加入至少一種鹽162，以恢復(fù)或維持離子交換浴100中的化學(xué)平衡?；蛘?，可在特別需要為熔鹽浴120增補(bǔ)陽離子的區(qū)域，從貯存裝置160向熔鹽120添加至少一種鹽162。本發(fā)明還提供了化學(xué)強(qiáng)化基材。所述基材是可離子交換玻璃或玻璃陶瓷，并且在多個(gè)實(shí)施方式中，包含以下物質(zhì)、基本上由以下物質(zhì)組成或者由以下物質(zhì)組成堿金屬鋁硅酸鹽玻璃或玻璃陶瓷，例如堿金屬鋁硅酸鹽玻璃陶瓷。在一些實(shí)施方式中，基材具有平面構(gòu)造，例如片材。或者，基材可具有非平面或者三維構(gòu)造，可形成彎曲或者部分彎曲的表面。通過離子交換強(qiáng)化的平面玻璃或玻璃陶瓷基材的截面視圖簡(jiǎn)示于圖4。強(qiáng)化基材400具有厚度t，基本上相互平行的第一表面410和第二表面420，中心部分415，以及將第一表面410與第二表面420連起來的邊緣430。強(qiáng)化基材400具有強(qiáng)化表面層412、422，它們分別從第一表面410和第二表面420延伸到各表面以下的深度屯、d2。強(qiáng)化表面層412、422處于壓縮應(yīng)力下，而中心部分415處于拉伸應(yīng)力或者說張力下。中心部分415中的拉伸應(yīng)力與強(qiáng)化表面層412、422中的壓縮應(yīng)力平衡，從而維持強(qiáng)化基材400內(nèi)部的平衡。強(qiáng)化表面層412、422延伸的深度Clpd2 —般各自稱作“層深度”。邊緣430的一部分432也可 因強(qiáng)化過程而得到強(qiáng)化。強(qiáng)化玻璃基材400的厚度t 一般在約O. Imm至最高約2_的范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施方式中，厚度t在約O. 5mm至最高約I. 3mm的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方式中，基材是堿金屬招娃酸鹽玻璃基材，它包含以下成分、基本上
由以下成分組成或者由以下成分組成60-72 mol%Si02;9-16mol%Al203 ；5-12mol%B203 ；
kl,QAmol%) +,
8-16mol%Na20 ；以及0-4mol%K20，其中比例[喊金屬改性劑(mol%) > 1，其中喊金
屬改性劑是堿金屬氧化物。在另一個(gè)實(shí)施方式中，堿金屬鋁硅酸鹽玻璃基材包含以下成分、基本上由以下成分組成或者由以下成分組成61-75mol%Si02 ；7-15mol%Al203 ；0-12mol%B203 ；9-21mol%Na20 ；0-4mol%K20 ；0-7mol%Mg0 ；以及 0_3mol% CaO。在又一個(gè)實(shí)施方式中，堿金屬鋁硅酸鹽玻璃基材包含以下成分、基本上由以下成分組成或者由以下成分組成60-70mol% SiO2 ；6-14mol%Al203 ；0-15mol%B203 ；0-15mol%Li20 ；0-20mol%Na20 ；0_10mol%K20 ;0_8mol%Mg0 ;0_10mol%Ca0 ；0-5mol%Zr02 ;0_lmol%Sn02 ;0_lmol%Ce02 ；少于 50 ppm 的 As2O3 ;以及少于 50 ppm 的 Sb2O3 ；其中 12mol% ( Li20+Na20+K20 ( 20mol%且0mol% ( MgO+CaO ( 10mol%。在另一個(gè)實(shí)施方式中，堿金屬鋁硅酸鹽玻璃基材包含以下成分、基本上由以下成分組成或者由以下成分組成64-68mol%Si02 ；12-16mol%Na20 ；8-12mol%Al203 ；0-3mol%B203 ；2-5mol%K20 ；4-6mol%MgO ；以及 0_5mol%Ca0，其中66mol% ( Si02+B203+Ca0 ( 69mol% ；Na20+K20+B203+Mg0+Ca0+Sr0>10mol% ；5mol% ( MgO+CaO+SrO ( 8mol% ； (Na2CHB2O3) -Al2O3 ( 2mol% ；2mol% ( Na2O-Al2O3 ( 6mol% ；以及4mol%彡(Na2CHK2O)-Al2O3彡10mol%。在又一個(gè)實(shí)施方式中，堿金屬鋁硅酸鹽玻璃基材包含以下成分、基本上由以下成分組成或者由以下成分組成50-80重量％Si02 ；2-20重量 %A1203 ；0-15 重量 %B203 ；1-20 重量 %Na20 ;0_10 重量 %Li20 ;0_10 重量 %K20 ；以及0-5 重量 %(Mg0+Ca0+Sr0+Ba0) ;0_3 重量 ％(Sr0+Ba0);以及 0-5 重量 ％(Zr02+Ti02)，其中O ( (Li2CHK2O)/Na2O 彡 0. 5。在一些實(shí)施方式中，堿金屬招娃酸鹽玻璃基材基本上不含鋰,而在其他實(shí)施方式中，堿金屬鋁硅酸鹽玻璃基本上不含砷、銻和鋇中的至少一種。在一些實(shí)施方式中，玻璃基材是利用本領(lǐng)域已知的方法下拉的，例如但不限于熔合拉制、狹縫拉制、再拉制等，其液體 黏度至少為135千泊。堿金屬鋁硅酸鹽玻璃基材用上文描述的方法通過離子交換強(qiáng)化，至少有一個(gè)表面處于壓縮應(yīng)力之下,其中壓縮應(yīng)力在表面處具有最大值。在一個(gè)實(shí)施方式中，壓縮應(yīng)力至少為600MPa。壓縮應(yīng)力層從表面延伸到至少20 μ m的深度，在一些實(shí)施方式中延伸到至少30 μ m的深度。在其他實(shí)施方式中，經(jīng)過化學(xué)強(qiáng)化的基材是玻璃陶瓷，如堿金屬鋁硅酸鹽玻璃陶瓷。這種玻璃陶瓷包括但不限于霞石、β石英(例如KeraliteTM)、i3鋰輝石、鈉云母、焦硅酸鋰、它們的組合等。玻璃陶瓷基材用上文所述的方法通過離子交換強(qiáng)化，至少有一個(gè)表面處于壓縮應(yīng)力之下，其中壓縮應(yīng)力在表面處具有最大值。在一個(gè)實(shí)施方式中，壓縮應(yīng)力至少為400MPa。壓縮應(yīng)力層從表面延伸到至少20 μ m的深度，在一些實(shí)施方式中延伸到至少30 μ m的深度。雖然為了說明的目的已經(jīng)給出了典型的實(shí)施方式，但前面的描述不應(yīng)認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明或所附權(quán)利要求書的范圍的限制。因此，在不背離本發(fā)明或所附權(quán)利要求書的精神和范圍的前提下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可想出各種改進(jìn)、適應(yīng)和替代方式。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)基材進(jìn)行離子交換的方法，所述方法包括以下步驟 a.將基材浸泡在離子交換浴的第一端，所述離子交換浴包含至少一種堿金屬鹽，并且具有第一端和第二端，其中第一端被加熱到第一溫度，第二端被加熱到第二溫度，所述基材是可離子交換玻璃和可離子交換玻璃陶瓷之一，并且具有應(yīng)變點(diǎn)； b.平移所述至少一塊基材，使其通過離子交換浴，從第一端到達(dá)第二端，其中所述至少一塊基材在通過離子交換浴的過程中發(fā)生離子交換；以及 c.使所述至少一塊基材在第二端發(fā)生離子交換，其中所述離子交換足以在基材的至少一個(gè)表面中產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述第一溫度不同于所述第二溫度，并且在所述第一端與所述第二端之間存在溫度梯度。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一溫度與所述第二溫度相差至少10。。。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一溫度低于所述第二溫度。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一溫度高于所述第二溫度。
6.如權(quán)利要求2-5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將所述離子交換浴位于所述第一端與所述第二端之間的部分加熱到第三溫度，所述第三溫度不同于所述第一溫度和所述第二溫度，其中將所述基材從所述第一端移動(dòng)到第二端的步驟包括使所述基材移動(dòng)通過所述被加熱到第三溫度的部分。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述第三溫度與所述第一溫度和所述第二溫度各相差至少10 °c。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述第三溫度高于所述第一溫度和所述第二溫度當(dāng)中的至少一個(gè)溫度。
9.如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第一溫度等于第二溫度。
10.如權(quán)利要求1-6和9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第一溫度和所述第二溫度當(dāng)中的至少一個(gè)溫度比所述基材的應(yīng)變點(diǎn)至少低100°c。
11.如權(quán)利要求1-6和9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述可離子交換玻璃是堿金屬鋁硅酸鹽玻璃，所述堿金屬鋁硅酸鹽玻璃包含60-72mol%Si02;9-16mol%Al203 ；A1^0 (inoi%) + V>r,0,Xmol%) 15-12mol%B203 ；8-16mol%Na20 ；以及 0-4mol%K20,其中比例乙堿金屬改性劑—(mol %) > ls其中堿金屬改性劑是堿金屬氧化物。
12.如權(quán)利要求1-6和9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述可離子交換玻璃是堿金屬鋁硅酸鹽玻璃，所述堿金屬鋁硅酸鹽玻璃包含61-75mol%Si02 ；7-15mol%Al203 ；0-12mol%B203 ；9-21mol%Na20 ；0-4mol%K20 ；0-7mol% MgO ;以及 0_3mol% CaO。
13.如權(quán)利要求1-6和9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述可離子交換玻璃是堿金屬鋁硅酸鹽玻璃，所述堿金屬鋁硅酸鹽玻璃包含60-70mol% SiO2 ；6-14mol%Al203 ；0_15mol%B203 ;0_15mol% Li2O ;0_20mol%Na20 ;0_10mol% K2O ;0_8mol% MgO ;0_10mol% CaO ；0_5mol% ZrO2 ;0_lmol% SnO2 ;0_lmol% CeO2 ;少于 50ppm 的 As2O3 ；以及少于 50ppm 的 Sb2O3 ；其中 12mol% < Li20+Na20+K20 < 20mol% 且 0mol% < MgO+CaO < 10mol%。
14.如權(quán)利要求1-6和9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述可離子交換玻璃不含鋰。
15.如權(quán)利要求1-6和9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述基材是可離子交換玻璃，所述壓縮應(yīng)力至少為600MPa。
16.如權(quán)利要求1-6和9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，將所述基材離子交換到所述至少一個(gè)表面以下至少30 μ m的深度。
17.如權(quán)利要求1-6和9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述基材是堿金屬鋁硅酸鹽玻璃陶瓷。
18.如權(quán)利要求1-6和9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述可離子交換玻璃陶瓷是霞石、β石英、β鋰輝石、鈉云母、焦硅酸鋰及其組合之
19.如權(quán)利要求1-6和9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述基材是可離子交換玻璃陶瓷，所述壓縮應(yīng)力至少為400MPa。
20.如權(quán)利要求1-6和9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法還包括提供所述至少一塊基材。
21.如權(quán)利要求1-6和9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述提供基材的步驟包括下拉所述可離子交換玻璃。
22.如權(quán)利要求1-6和9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于 a.所述提供至少一塊基材的步驟包括依次提供第一基材和第二基材； b.所述將所述至少一塊基材浸泡在所述第一端的步驟包括依次將所述第一基材和所述第二基材浸泡在所述第一端；以及 c.所述移動(dòng)所述至少一塊基材，使其通過離子交換浴，從第一端到達(dá)第二端的步驟包括依次將所述第一基材和所述第二基材移動(dòng)到所述第二端。
23.如權(quán)利要求1-6和9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述離子交換浴包含鉀鹽和鈉鹽當(dāng)中的至少一種。
24.如權(quán)利要求1-6和9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在離子交換的過程中從所述離子交換浴中除去所述至少一種堿金屬鹽之一。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，從所述第一端除去所述堿金屬鹽。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，除去的所述堿金屬鹽是污染鹽。
27.如權(quán)利要求1-6和9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在離子交換的過程中向所述離子交換浴添加堿金屬鹽。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，所述堿金屬鹽從所述第二端添加。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，添加的所述堿金屬鹽是已存在于所述離子交換浴中的堿金屬鹽。
30.一種離子交換浴，所述離子交換浴包含 a.具有第一端和與第一端相對(duì)的第二端的容器； b.設(shè)置在所述容器內(nèi)的熔鹽浴，所述熔鹽浴包含至少一種堿金屬鹽，其中所述第一端被加熱到第一溫度，所述第二端被加熱到第二溫度。
31.如權(quán)利要求30所述的離子交換浴，其特征在于，所述第一溫度不同于所述第二溫度，并且在所述第一端與所述第二端之間存在溫度梯度。
32.如權(quán)利要求31所述的離子交換浴，其特征在于，所述第一溫度與所述第二溫度相差至少10°C。
33.如權(quán)利要求31所述的離子交換浴，其特征在于，所述第一溫度高于所述第二溫度。
34.如權(quán)利要求30-33中任一項(xiàng)所述的離子交換浴，其特征在于，所述至少一種堿金屬鹽包含鉀鹽和鈉鹽當(dāng)中的至少一種。
35.如權(quán)利要求30-33中任一項(xiàng)所述的離子交換浴，其特征在于，所述離子交換浴還包含樣品移動(dòng)機(jī)構(gòu)，用來平移至少一個(gè)樣品，使其通過所述熔鹽浴，從所述第一端到達(dá)所述第
36.如權(quán)利要求30-33中任一項(xiàng)所述的離子交換浴，其特征在于，所述離子交換浴還包含用來從所述離子交換浴除去至少一種堿金屬鹽的裝置。
37.如權(quán)利要求36中所述的離子交換浴，其特征在于，所述除去至少一種堿金屬鹽的裝置包括設(shè)置在所述容器中的排放裝置。
38.如權(quán)利要求36或37所述的離子交換浴，其特征在于，所述除去裝置位于所述第一端。
39.如權(quán)利要求30-38中任一項(xiàng)所述的離子交換浴，其特征在于，所述離子交換浴還包含用來向所述離子交換浴添加至少一種堿金屬鹽的裝置。
40.如權(quán)利要求39所述的離子交換浴，其特征在于，所述向所述離子交換浴添加至少一種堿金屬鹽的裝置包括與所述容器連通的堿金屬鹽貯存裝置。
41.如權(quán)利要求39或40所述的離子交換浴，其特征在于，所述添加裝置位于所述第二端。
42.一種包含堿金屬鋁硅酸鹽玻璃和玻璃陶瓷之一的基材，所述基材至少有一個(gè)表面處于到達(dá)層深度的壓縮應(yīng)力之下，其特征在于，所述壓縮應(yīng)力在所述基材的表面處具有最大值。
43.如權(quán)利要求42所述的基材，其特征在于，所述基材包含堿金屬鋁硅酸鹽玻璃，并且所述壓縮應(yīng)力的最大值至少為600MPa。
44.如權(quán)利要求42所述的基材，其特征在于，所述層深度至少為20μ m。
45.如權(quán)利要求42所述的基材，其特征在于，所述基材包含堿金屬鋁硅酸鹽玻璃，所述堿金屬鋁硅酸鹽玻璃包含60-72mol% SiO2;9-16mol%Al203 ；5-12mol% B2O3 ；8-16mol% Κ\,βΛηιο1%) + B 0,( oi%),Na2O ;以及0-4mol% KzO,其中比例[喊金屬改性劑(mol %) > I，其中堿金屬改性劑是堿金屬氧化物。
46.如權(quán)利要求42所述的基材，其特征在于，所述基材包含堿金屬鋁硅酸鹽玻璃，所述堿金屬鋁硅酸鹽玻璃包含61-75mol% SiO2 ；7-15mol%Al203 ；0-12mol% B2O3 ；9-2Imo 1%Na2O ；0-4mol% K2O ；0-7mol% MgO ;以及 0_3mol% CaO。
47.如權(quán)利要求42所述的基材，其特征在于，所述基材包含堿金屬鋁硅酸鹽玻璃，所述堿金屬鋁硅酸鹽玻璃包含60-70mol% SiO2 ；6-14mol%Al203 ；0-15mol% B2O3 ；0-15mol% Li2O ；0-20mol% Na2O ；0-10mol% K2O ；0-8mol% MgO ；0-10mol% CaO ；0-5mol%ZrO2 ；0-lmol% SnO2 ；0-lmol%Ce02 ；少于 50ppm 的 As2O3 ;以及少于 5Oppm 的 Sb2O3 ；其中12mol% ( Li20+Na20+K20 ( 20mol% 且 0mol% ( MgO+CaO ( 10mol%。
48.如權(quán)利要求42-47中任一項(xiàng)所述的基材，其特征在于，所述堿金屬鋁硅酸鹽玻璃不含鋰。
49.如權(quán)利要求42-47中任一項(xiàng)所述的基材，其特征在于，所述堿金屬鋁硅酸鹽玻璃的液相線黏度至少為135千泊。
50.如權(quán)利要求42-47中任一項(xiàng)所述的基材，其特征在于，所述基材包含玻璃陶瓷，所述玻璃是霞石、β石英、β鋰輝石、鈉云母、焦硅酸鋰及其組合之一。 如權(quán)利要求42所述的基材，其特征在于，所述玻璃陶瓷的最大壓縮應(yīng)力至少為.400MPa。
全文摘要
一種對(duì)玻璃和玻璃陶瓷制品進(jìn)行離子交換的方法。所述方法包括將至少一種這樣的制品浸泡在離子交換浴中，所述離子交換浴具有分別被加熱到第一溫度和第二溫度的第一端和第二端。所述第一溫度和第二溫度可彼此相同或不同，在溫度不同的情況下橫穿離子交換浴或者沿著離子交換浴產(chǎn)生溫度梯度。在所述離子交換浴中也可以連續(xù)處理多件制品。
文檔編號(hào)C03C3/083GK102917992SQ201180025731
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2011年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者I·A·科爾內(nèi)霍, S·戈麥斯, R·A·紹特, S·A·蒂切 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司