技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁硅酸鹽玻璃、鋁硅酸鹽玻璃的強化方法及強化玻璃。
背景技術(shù)：
：近年來，智能手機、平板電腦等設(shè)備不斷普及，而且呈現(xiàn)出薄型化和輕量化的發(fā)展趨勢。薄型化會帶來的一個問題是，玻璃的強度會隨著厚度的減小而下降。為了能夠滿足使用的要求，必須使顯示用的玻璃在小的厚度下仍具有高的強度。為了達到這一目的，需要對玻璃進行強化。目前，在所用鋁硅酸鹽玻璃的組成中，為了保證離子交換能力并考慮到玻璃的熔融性、成形性、耐失透性等因素，堿金屬氧化物的含量較高。對鋁硅酸鹽玻璃進行強化時，由于玻璃較薄，采用物理強化的效果不顯著，故一般選擇化學強化法。用作蓋板玻璃的主要為經(jīng)化學強化的鋁硅酸鹽玻璃，其Al2O3的摩爾分數(shù)一般為8％～17％，常采用的離子交換溫度為350℃～430℃，時間為4～10h，表面壓應力為400MPa～800MPa，離子交換深度為20μm～80μm。在不考慮其它因素的情況下，玻璃表層的離子濃度和擴散深度應該是隨時間的增加而增加的，玻璃的表面壓應力也應該隨之增加。但是，由于玻璃是非晶態(tài)材料，在高溫下存在應力松弛現(xiàn)象，這一現(xiàn)象在整個離子交換過程中一直存在。在離子交換初期，由于玻璃表面與熔鹽的界面上的液相(熔鹽)與固相(玻璃)的濃度差比較大，傳質(zhì)推動力大，離子擴散容易進行。隨著時間的推移，這種傳質(zhì)速度將隨著大半徑離子在玻璃表面的聚集而下降，在恒溫下應力松弛的速度是基本不變的，當擴散離子產(chǎn)生的應力小于應力松弛消耗的應力時，對玻璃的強化將產(chǎn)生不利影響。因此，在恒溫條件下，在壓應力-時間曲線上會出現(xiàn)極大值。這樣就帶來了以下問題。由于離子交換溫度被限制在較低的范圍內(nèi)(350℃～430℃)，一方面當需要取得較大的離子交換深度時，所需時間較長(典型的為4h～10h)，效率不高；另一方面，離子交換時間長又易引起“應力松弛”效應，從而導致某些表面壓應力與交換深度的組合可能無法達到(即其中一者達到指定值時另一者無法滿足要求)，其表面壓應力-離子交換時間曲線上出現(xiàn)極值，對于現(xiàn)有鋁硅酸鹽玻璃，極值點對應的時間一般在3h～5h，隨后表面壓應力隨時間延長降低，當繼續(xù)延長離子交換時間2h～3h時，應力發(fā)生明顯松弛，表面壓應力降低20％～30％，對其應用范圍造成影響。應力松弛主要與兩個條件有關(guān)，一個是溫度，另一個是玻璃的化學組成，應力松弛是不可避免的，但是可以通過調(diào)整玻璃的化學組成來減弱其影響。技術(shù)實現(xiàn)要素：基于此，有必要提供一種能在較高溫度下進行化學強化的鋁硅酸鹽玻璃、鋁硅酸鹽玻璃的強化方法及得到的強化玻璃，該鋁硅酸鹽玻璃即使進行長時間離子交換，其表面壓應力也不會顯著松弛，而離子交換深度卻能增加。一種鋁硅酸鹽玻璃，按照摩爾百分比含量包括如下組分：60％～67％的SiO2，15％～20％的Al2O3，0～1％的Li2O，9.9％～13.6％的Na2O，1％～4.2％的K2O，0～1.8％的CaO，0.7～5％的MgO及0.3～2％的ZrO2，所述Li2O、Na2O及K2O的總摩爾含量為ΣR2O，所述SiO2和Al2O3的總摩爾含量為ΣXO，其中，ΣR2O為12％～17％，ΣXO-ΣR2O為60％～74％，式中每種組分均代表該組分的摩爾百分含量，上述鋁硅酸鹽玻璃中，各組分含量較為合理，各組分配合使得鋁硅酸鹽玻璃可以在較高的溫度下進行化學強化，經(jīng)測試，該鋁硅酸鹽玻璃可以在435℃～550℃下進行化學強化，離子交換的溫度較高，如果所需離子交換的深度較小，則在高溫下進行離子交換的時間較短，即使離子交換時間達到8小時，也不會發(fā)生明顯的應力松弛，應力松弛效應較弱，可以采用更長的離子交換時間，從而可以實現(xiàn)多種表面壓應力與交換深度的組合，以滿足多種應用。在其中一個實施例中，所述鋁硅酸鹽玻璃的應力松弛系數(shù)ω≥0.9，其中ω＝CS8/CS4，CS4與CS8分別代表鋁硅酸鹽玻璃在相同的離子交換溫度下進行4h與8h離子交換后的表面壓應力。在其中一個實施例中，按照摩爾百分比含量包括如下組分：62％～65.3％的SiO2，15％～18％的Al2O3，0～0.5％的Li2O，9.9％～11.2％的Na2O，1％～3.3％的K2O，0～1.8％的CaO，2～5％的MgO及0.3～2％的ZrO2。在其中一個實施例中，按照摩爾百分比含量包括如下組分：65.3％～67％的SiO2，15.4％～18.9％的Al2O3，0～0.6％的Li2O，10.2％～13.6％的Na2O，2％～4％的K2O，0～1.5％的CaO，0.7～5％的MgO及0.5～1.4％的ZrO2。在其中一個實施例中，按照摩爾百分比含量包括如下組分：60％～62％的SiO2，15％～20％的Al2O3，0～1％的Li2O，10％～13.6％的Na2O，1％～2％的K2O，0～1.8％的CaO，3～5％的MgO及0.3～2％的ZrO2。一種鋁硅酸鹽玻璃的強化方法，包括以下步驟：對上述的鋁硅酸鹽玻璃進行預熱，使所述鋁硅酸鹽玻璃的溫度為415℃～530℃；將所述鋁硅酸鹽玻璃浸入435℃～550℃的熔鹽中進行離子交換得到強化玻璃；及除去所述強化玻璃表面的熔鹽。在其中一個實施例中，所述除去所述熔鹽的操作具體為：將所述強化玻璃從所述熔鹽中取出并放入溫度為415℃～530℃的預熱爐中隨爐冷卻到室溫后進行超聲清洗以除去所述鋁硅酸鹽玻璃表面殘留的熔鹽。在其中一個實施例中，在所述對上述的鋁硅酸鹽玻璃進行預熱的步驟之前還包括步驟：對上述的鋁硅酸鹽玻璃進行拋光處理。在其中一個實施例中，拋光處理后的所述鋁硅酸鹽玻璃的表面平整度至少為0.01mm。一種采用上述的鋁硅酸鹽玻璃的強化方法制備的強化玻璃。具體實施方式為了便于理解本發(fā)明，下面將對本發(fā)明進行更全面的描述。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容的理解更加透徹全面。一實施方式的鋁硅酸鹽玻璃，按照摩爾百分含量計包括如下組分：60％～70％的SiO2，13％～20％的Al2O3，0～1％的Li2O，8％～17％的Na2O，0％～5％的K2O，0～2％的CaO，0～7％的MgO及0～2％的ZrO2，Li2O、Na2O及K2O的總摩爾含量為ΣR2O，SiO2和Al2O3的總摩爾含量為ΣXO，其中，ΣR2O為12％～17％，ΣXO-ΣR2O為60％～74％。二氧化硅(SiO2)是形成鋁硅酸鹽玻璃骨架所必須的成分。SiO2能提高玻璃的強度、化學穩(wěn)定性等，二氧化硅摩爾百分含量優(yōu)選為60％～70％。若SiO2的摩爾分數(shù)不足60％，則鋁硅酸鹽玻璃的耐候性不夠；若超過70％時，鋁硅酸鹽玻璃變得難熔。三氧化二鋁(Al2O3)能提高鋁硅酸鹽玻璃的化學穩(wěn)定性和離子交換性能，是促進離子交換所必需的成分，摩爾分數(shù)優(yōu)選為13％～20％。如果Al2O3的摩爾百分含量不足13％，則鋁硅酸鹽玻璃的離子交換性能不夠，而且適用較高溫度的離子交換；若超過20％，則鋁硅酸鹽玻璃的黏度顯著增大，同時也難以澄清。氧化鋰(Li2O)是離子交換成分，也是降低鋁硅酸鹽玻璃高溫黏度、提高鋁硅酸鹽玻璃熔融性、成型性的成分，Li2O過多時，玻璃容易失透，且耐候性惡化，同時，會造成應力松弛，Li2O摩爾百分含量優(yōu)選為0～1％。氧化鈉(Na2O)能顯著降低鋁硅酸鹽玻璃的熔化溫度，是進行化學強化所必需的成分，其摩爾百分含量為8％～17％，如果其摩爾百分含量低于8％，則鋁硅酸鹽玻璃中能與熔鹽中K+進行交換的Na+不足，難以達到所需離子交換程度，同時，鋁硅酸鹽玻璃也難熔；如果高于17％，則鋁硅酸鹽玻璃的耐候性變差。氧化鉀(K2O)能顯著降低鋁硅酸鹽玻璃的熔化溫度，同時提高鋁硅酸鹽玻璃的離子交換性能，而且其與Na2O形成“混合堿效應”能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)鋁硅酸鹽玻璃的熱膨脹系數(shù)，K2O的摩爾分數(shù)優(yōu)選為0％～5％，若超過5％，則玻璃的耐候性不足。Li2O、Na2O及K2O是離子交換成分，Li2O、Na2O及K2O的總摩爾含量ΣR2O優(yōu)選為12％～17％，若低于12％，則鋁硅酸鹽玻璃的熔融性惡化，且離子交換性能不足；若高于17％，則鋁硅酸鹽玻璃的耐候性變差。SiO2和Al2O3的總摩爾含量為ΣXO，ΣXO與ΣR2O的差(即ΣXO-ΣR2O)為60％～74％，如果低于60％，則鋁硅酸鹽玻璃的耐候性惡化；如果高于74％，則鋁硅酸鹽玻璃的熔融性變差，而且可供離子交換的離子不足。氧化鈣(CaO)在高溫時能降低鋁硅酸鹽玻璃的黏度，促進鋁硅酸鹽玻璃的熔化和澄清，如果CaO的含量過高，則鋁硅酸鹽玻璃的耐失透性惡化，同時離子交換性能降低，因此，其摩爾百分含量優(yōu)選為0～2％。氧化鎂(MgO)是使鋁硅酸鹽玻璃的高溫黏度降低而提高熔融性和成型性的成分，其含量過高時，鋁硅酸鹽玻璃易失透，摩爾百分含量優(yōu)選為0～7％。二氧化鋯(ZrO2)是提高鋁硅酸鹽玻璃離子交換性能和化學穩(wěn)定性的成分，不是必需成分，在本發(fā)明中至多含有2％；超過2％時，鋁硅酸鹽玻璃的熔融性惡化，且鋁硅酸鹽玻璃易析晶。進一步優(yōu)選的，組成因子式中每種組分均代表該組分的摩爾百分含量，若則其抗應力松弛的性能不夠；若則SiO2的含量過低，或者Al2O3的含量過高，這些都會與前述各氧化物及其組合的范圍相沖突，即在滿足本發(fā)明組成要求的情況下，必定小于或等于0.43。本發(fā)明采用應力松弛系數(shù)來評價玻璃的抗應力松弛能力。應力松弛系數(shù)ω＝CS8/CS4。式中CS4與CS8分別為同一試樣在相同的離子交換溫度下進行4h與8h離子交換后的表面壓應力。此處，離子交換溫度為435℃～550℃。這里離子交換時間選擇4h和8h的理由是：現(xiàn)有鋁硅酸鹽玻璃一般在3h～5h左右其表面壓應力達到極大值，而后繼續(xù)進行離子交換2～3h，其應力明顯松弛。對于現(xiàn)有鋁硅酸鹽玻璃，其ω<0.855。經(jīng)測試，上述鋁硅酸鹽玻璃在435℃～550℃的溫度下進行離子交換，則ω>0.9，同時，在同一溫度下，大的試樣其應力松弛效應較弱。上述鋁硅酸鹽玻璃中，各組分含量較為合理，各組分配合使得鋁硅酸鹽玻璃可以在較高的溫度下進行化學強化，經(jīng)測試，該鋁硅酸鹽玻璃可以在435℃～550℃下進行化學強化，離子交換的溫度較高，如果所需離子交換的深度較小，則在高溫下進行離子交換的時間較短，即使離子交換時間達到8小時，也不會發(fā)生明顯的應力松弛，應力松弛效應較弱，可以采用更長的離子交換時間，從而可以實現(xiàn)多種表面壓應力與交換深度的組合，以滿足多種應用。上述鋁硅酸鹽玻璃在制備時，稱取各組分原料并轉(zhuǎn)入研缽中充分研磨使其混合均勻，之后置于鉑金坩堝中，將鉑金坩堝放入硅鉬爐中并加熱至1550℃～1650℃并保溫3小時～5小時進行澄清，之后將熔融的玻璃液澆入模具中進行成型，然后退火獲得塊狀玻璃。一實施方式的鋁硅酸鹽玻璃的強化方法，包括以下步驟：步驟S110、除去鋁硅酸鹽玻璃表面的污垢。鋁硅酸鹽玻璃為上述鋁硅酸鹽玻璃。鋁硅酸鹽玻璃，按照摩爾百分含量計包括如下組分：60％～70％的SiO2，13％～20％的Al2O3，0～1％的Li2O，8％～17％的Na2O，0％～5％的K2O，0～2％的CaO，0～7％的MgO及0～2％的ZrO2，Li2O、Na2O及K2O的總摩爾含量為ΣR2O，SiO2和Al2O3的總摩爾含量為ΣXO，其中，ΣR2O為12％～17％，ΣXO-ΣR2O為60％～74％。具體在本實施方式中，鋁硅酸鹽玻璃為板狀，厚度為0.5mm～2mm。本實施方式中，除去鋁硅酸鹽玻璃表面的污垢時，使用洗滌劑配合盤刷進行。洗滌劑為去離子水。當然，洗滌不限于使用盤刷，也可使用滾刷等清洗工具。需要說明的是，如果鋁硅酸鹽玻璃表面較為干凈，則無需清洗，步驟S110可以省略。步驟S120、對鋁硅酸鹽玻璃進行拋光處理。優(yōu)選的，拋光后的鋁硅酸鹽玻璃的表面平整度至少為0.01mm。本實施方式中，使用盤刷配合氧化鈰拋光粉對鋁硅酸鹽玻璃表面進行拋光處理。當然，拋光不限于使用盤刷，也可使用其他業(yè)內(nèi)常用的拋光工具，拋光粉也不限于為氧化鈰，還可為業(yè)內(nèi)常用的其他拋光粉。需要說明的是，如果鋁硅酸鹽玻璃表面平整光潔，表面平整度達到0.01mm，比如鋁硅酸鹽玻璃為浮法玻璃，則表面無需拋光，步驟S120可以省略。步驟S130、清洗鋁硅酸鹽玻璃。本實施方式中，清洗鋁硅酸鹽玻璃時，使用去離子水配合滾刷進行清洗。當然，在其他實施方式中，還可以采用其他清洗劑如乙醇、丙酮進行清洗，也不限于使用滾刷進行清洗，還可使用其他工具進行清洗。清洗后將鋁硅酸鹽玻璃烘干即可。需要說明的是，如果鋁硅酸鹽玻璃表面較為干凈，則無需清洗，步驟S130可以省略。步驟S140、對鋁硅酸鹽玻璃進行預熱，使鋁硅酸鹽玻璃的溫度為415℃～530℃。對鋁硅酸鹽玻璃進行預熱，可以防止在后續(xù)強化處理過程中，鋁硅酸鹽玻璃發(fā)生爆裂。步驟S150、將鋁硅酸鹽玻璃浸入435℃～550℃的熔鹽中進行離子交換得到強化玻璃。熔鹽按照質(zhì)量百分含量計包括90％～100％的KNO3及0％～10％的NaNO3。需要說明的是，熔鹽也可以其他業(yè)內(nèi)常用于離子交換的熔鹽。優(yōu)選的，離子交換的時間為2小時～8小時。本實施方式中，離子交換的時間為2小時～8小時的條件下離子交換的深度為30μm～86μm。步驟S160、除去強化玻璃表面的熔鹽。具體的，將強化玻璃從熔鹽中取出并放入溫度為415℃～530℃的預熱爐中，關(guān)閉預熱爐電源，隨爐冷卻到室溫后放入水中進行超聲清洗以除去所述鋁硅酸鹽玻璃表面殘留的熔鹽。本實施方式中，超聲清洗的時間為1小時。優(yōu)選的，超聲清洗的水溫為室溫～100℃。上述鋁硅酸鹽玻璃的強化方法，離子交換的溫度為435℃～550℃，離子交換的溫度較高，如果所需離子交換的深度較小，則在高溫下進行離子交換的時間較短，從而可以縮短制備時間，同時即使離子交換時間達到8小時，也不會發(fā)生明顯的應力松弛，應力松弛效應較弱，可以采用更長的離子交換時間，從而可以實現(xiàn)多種表面壓應力與交換深度的組合，以滿足多種應用。一實施方式的強化玻璃，采用上述鋁硅酸鹽玻璃的強化方法制備。上述強化玻璃，能達到表面壓應力與交換深度的優(yōu)化組合，可以滿足多種應用。以下結(jié)合具體實施例對上述鋁硅酸鹽玻璃、鋁硅酸鹽玻璃的強化方法及強化玻璃進行詳細說明。實施例1～25實施例1～25中鋁硅酸鹽玻璃的組成如表1所示。表1中每種原料對應的數(shù)值為該原料的摩爾百分含量。表1實施例1～25的鋁硅酸鹽玻璃制備時，按照表1中各原料配比稱取原料，將稱得的原料轉(zhuǎn)入研缽中進行充分研磨，使其混合均勻，之后將其置于鉑金坩堝中。將鉑金坩堝放入硅鉬爐中并加熱至1650℃并保溫3小時進行澄清，之后將熔融的玻璃液澆入模具中進行成型，然后在650℃下退火獲得塊狀玻璃。將所述塊狀玻璃切成6mm×6mm×50mm的條狀以及150mm×100mm×1.1mm的片狀。將條狀試樣的兩個端面再次進行研磨使其充分平行且垂直于側(cè)面。其中，表1中R2O表示的是Li2O、Na2O及K2O的總摩爾含量；式中每種組分均代表該組分的摩爾百分含量。對實施例1-25中的試樣的兩個面進行拋光，清洗后干燥；對鋁硅酸鹽玻璃進行預熱，之后將鋁硅酸鹽玻璃浸入熔鹽中進行離子交換得到強化玻璃，之后將強化玻璃取出放入去離子水中超聲清洗1小時后風干得到強化玻璃。其中，實施例1～25的鋁硅酸鹽玻璃預熱溫度、熔鹽的組成、熔鹽的溫度、離子交換的時間見表2。表2表2中“4/8”代表分別進行4小時和8小時離子交換。對實施例1-10制備的強化玻璃測試密度ρ，楊氏模量E、熱膨脹系數(shù)α、表面壓應力(CS)和離子交換深度(DOL)，結(jié)果見表3。密度ρ是利用公知的阿基米德法測定的。楊氏模量E是利用彎曲共振法測定的。熱膨脹系數(shù)α是利用德國耐馳DIL-402PC臥式膨脹儀測定的，升溫速率為5℃/min，測試范圍為20～1000℃，表中的數(shù)據(jù)為25℃～300℃之間的平均熱膨脹系數(shù)。表面壓應力(CS)和離子交換深度(DOL)均采用FSM-6000LE表面應力儀觀察干涉條紋的條數(shù)及其間隔來計算，計算由計算機自動完成。表3實施例ρ(g/cm3)E(GPa)α(10-7K-1)CS(MPa)DOL(μm)12.6626102.9970.8179742.3522.560493.3265.1499549.7532.638591.7177.27100257.3242.658682.5696.0587363.8952.605770.0795.9084372.6462.696871.5196.3385970.8572.518595.0967.5595385.6882.554793.1467.8888268.5392.541796.3857.9890652.41102.490094.9060.5475030.17從表3可以看出，本發(fā)明制備的強化玻璃，壓應力與交換深度可以同時達到較大值。實施例11～25制備的強化玻璃分別進行4h與8h的離子交換，測試進行4小時及8小時離子交換后的表面壓應力CS4與CS8，計算ω＝CS8/CS4，結(jié)果見表4。表4實施例CS4(MPa)CS8(MPa)ω118117510.926128467950.940137326860.937148577910.923157756990.902168435530.656178025860.731187485930.793196595470.830207616490.853218267630.924228558100.947238708360.961249128830.968259389110.971從表4中可以看出，實施例11～15制備的強化玻璃均滿足其ω也都在0.9以上。實施例16～20制備的強化玻璃不滿足其ω也都小于0.9。實施例21～25的強化玻璃均在490℃下進行離子交換，大的試樣其ω也大。以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的一種或幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權(quán)利要求為準。當前第1頁1 2 3