专利名称：强化的玻璃制品及其制造方法
强化的玻璃制品及其制造方法本发明专利申请是国际申请日为2009年8月7日、国际申请号为PCT/US2009/004531、进入中国国家阶段的申请号为200980135969. 7、发明名称为“强化的玻璃制品及其制造方法”的发明专利申请的分案申请。相关申请交叉参考本申请要求2008年8月8日提交的美国临时专利申请第61/087324号的权益。
背景技术：
已知化学强化的玻璃可用于手持式装置中，例如移动电话、媒体播放器和其他装置，以及要求透明性、高强度和耐磨性的其他应用。但是，这些玻璃可能容易具有易碎性，即，所述玻璃在受到足够的穿透力冲击的时候容易碎裂成大量小片。发明概述本文提供和描述了强化的玻璃，所述玻璃具有一定的中心张力，该中心张力低于一定的阈值，超过该阈值时，所述玻璃表现出易碎性。所述中心张力随着玻璃的厚度非线性地变化。所述玻璃可用作便携式或移动式电子通讯和娱乐装置(如手机、音乐播放器)和信息终端(IT)装置(如膝上电脑等)的盖板或窗口。因此，本发明的一个方面提供一种强化的玻璃制品。所述强化的玻璃制品具有厚度t，该玻璃制品包括外部区域，该外部区域从制品表面延伸到制品内层的深度D0L，其中该外部区域受到压缩应力CS;内部区域，其中该内部区域受到中心张力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。本发明另一个方面提供一种强化的玻璃制品。所述强化的玻璃制品具有小于约2毫米的厚度t，该玻璃制品包括外部区域，和受到中心张力CT的内部区域，其中CT按兆帕(MPa)表示，CT > -15. 7t+52. 5。该强化玻璃制品在受到足以使强化玻璃制品碎裂的尖锐物冲击时基本上不易碎。本发明另一个方面提供一种制造基本不易碎的强化玻璃制品的方法。该方法包括以下步骤提供玻璃制品，该玻璃制品具有厚度t ;在玻璃制品的外部区域中形成直到一定层深度DOL的压缩应力CS，以形成强化的玻璃制品，该压缩应力足以在玻璃制品的中心区域中产生中心张力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,该强化玻璃制品基本不易碎。通过以下详细说明、附图和所附权利要求，这些和其他方面、优点和特征将是显而易见的。附图简要描述
图1a是显示强化玻璃制品的照片，I)表现碎裂时的易碎性；2)表现碎裂时的不易碎性；图1b是显示强化玻璃片的照片，表现碎裂时的不易碎性；图2包括阈值中心张力随强化的碱性铝硅酸盐玻璃制品的玻璃厚度变化的图；和
图3是强化的玻璃制品的示意图。
发明详述在以下说明中，类似的附图标记表示附图中显示的所有若干视图中类似或相应的部件。还应该理解，除非有另外的表示，否则，术语“顶部”、“底部”、“向外”、“向内”等都是为了方便而采用的用语，不应理解为限制性术语。另外，将基团描述为包含一组元素的至少一种及其组合时，应理解该组可包括、基本包括单独或互相组合形式的任意数量的所引述的那些元素，或由其组成。类似地，将基团描述为由一组元素的至少一个及其组合组成时，应理解该组可包括单独或互相组合形式的任意数量的所引述的那些元素。除非有另外的表示，否则，引述的值范围包括该范围的上限和下限、以及其间的任意子范围。参考一般意义的附图，将会理解，说明书的目的是描述具体实施方式
，而不是限制公开内容或所附权利要求。附图不一定是按比例的，可以夸张表现一些特征和一些附图，或者为了清楚和一致性示意表示。易碎性(本文也称为“脆性”)表示玻璃制品的极端碎裂性质。易碎性是制品内形成过大的内部或中心张力CT的结果，导致制品破裂时发生强力或剧烈的碎裂。在热回火、层压的或化学强化的(例如通过离子交换强化)玻璃制品中，当玻璃制品(如板或片)的表面或外部区域中的压缩应力(CS)与玻璃板中心的拉伸应力的平衡提供足够能量从而导致多重裂缝支化，使小玻璃片和/或颗粒从制品脱出(ejection)或“飞出(tossing)”时，产生易碎性。形成这些脱出物的速度是玻璃制品内作为中心张力CT储存的过多能量的结果O玻璃制品的易碎性是 中心张力CT和压缩应力CS的函数。具体来说，玻璃制品内的中心张力CT可以由压缩应力CS计算。压缩应力CS在表面附近(即，100微米以内)测量，给出最大CS值和压缩应力层的测量深度(本文也称为“层深度”或“D0L”)。CS和CT之间的关系通过以下表达式给出 CT= (CS · DOL) / (t_2D0L) (I)，其中t是玻璃制品的厚度。除非有另外的表示，否则，中心张力CT和压缩应力CS在本文中按兆帕(MPa)表示，其中厚度t和层深度DOL按毫米表示。可以为玻璃制品设计或提供的压缩层深度DOL和压缩应力CS最大值受到这种易碎性的限制。因此，易碎性是设计各种玻璃制品时需要考虑的因素之一。易碎性具有以下至少一种特征强化的玻璃制品(如板或片)碎裂成多个小片(如< I毫米)；每单位面积玻璃制品形成的碎片数量；从玻璃制品中的一个初始裂缝得到多重裂缝支化；暴力脱出的至少一个碎片与其初始位置的规定距离(如约5厘米，或约2英寸)；以及任意上述破裂(尺寸和密度)、碎裂和脱出行为的组合。如本文所用，术语“易碎性”和“脆性”表示没有任何外部限制(例如涂层、粘合剂层等)的强化玻璃制品的暴力或剧烈碎裂的那些模式。虽然可以将涂层、粘合剂层等与本文所述的强化玻璃制品联合使用，但是在确定玻璃制品的易碎性或脆性的时候并未使用这些外部限制。图1a和Ib说明强化玻璃制品在受到尖锐压头的尖端冲击(point impact)时的易碎性和不易碎性。用来确定易碎性的尖端冲击测试包括对玻璃制品的表面施加作用力的设备，所述作用力正好足以释放强化玻璃制品内存在的内部储存能量。也就是说，尖端冲击作用力足以在强化玻璃片的表面产生至少一条新裂缝，并延伸该裂缝通过压缩应力CS区域(即层深度)进入受到中心张力CT的区域。产生或活化强化玻璃片中的裂缝所需的冲击能量取决于压缩应力CS和制品的层深度DOL，因此取决于对该片进行强化时的条件(gp，通过离子交换强化玻璃时所用的条件)。或者，对每个离子交换的玻璃板施加尖镖压头接触，这种接触足以使得裂缝延伸进入板的内部区域，所述内部区域处于拉伸应力下。向玻璃板施加的作用力正好足以达到内部区域的开始位置，使得所述驱动裂缝的能量源自内部区域的拉伸应力，而不是源自外部表面上的尖镖冲击力。图1a和Ib中所示的玻璃片是50毫米X 50毫米的离子交换的碱性铝硅酸盐玻璃片，各样品的厚度为O. 5毫米。各样品的组成为66. 7摩尔％的SiO2 ；10. 5摩尔％的Al2O3 ；O. 64 摩尔 % 的 B2O3 ; 13. 8 摩尔 % 的 Na2O ；2. 06 摩尔 % 的 K2O ；5. 50 摩尔 % 的 MgO ；0. 46 摩尔 %的CaO ；0. 01摩尔%的ZrO2 ；0. 34摩尔%的As2O3 ;和O. 007摩尔%的Fe2O3 ;或者为66. 4摩尔%的SiO2 ；10. 3摩尔%的Al2O3 ；0. 60摩尔%的B2O3 ；4. O摩尔%的Na2O ；2. 10摩尔%的K2O ；5. 76 摩尔 % 的 MgO ；0. 58 摩尔 % 的 CaO ；0. 01 摩尔 % 的 ZrO2 ；0. 21 摩尔 % 的 SnO2 ;和O. 007摩尔％的Fe203。对图1a和Ib中所示的各玻璃板进行离子交换，实现80兆帕(Ib)到84兆帕(Ia)的中心张力。参见图la，玻璃板a(图1a)可归类为易碎性。具体来说，玻璃板a碎裂成多个脱出的小片，表现为从初始裂缝产生较高程度的裂缝支化，形成小片。约50%的碎片的尺寸小于I毫米，估计从初始裂缝产生约8-10条支化的裂缝。如图1a中所示，脱出的玻璃片与初始玻璃板a的距离约为5厘米。表现出上述三项标准(即，多重裂缝支化、脱出和极多碎裂)中任意项的玻璃制品可归类为易碎性。例如，若玻璃只表现出过多的支化，但是没有表现出上述脱出或极多碎裂，则该玻璃仍可表征为易碎性。
玻璃板b、c (图lb)和d(图1a)归类为不易碎性。在这各个样品中，玻璃片破裂成少量的大片。例如玻璃板b (图2b)破裂成两个大片，没有裂缝支化；玻璃板c (图2b)破裂成四片，从初始裂缝形成两条支化裂缝；玻璃板d(图2a)破裂成四片，从初始裂缝形成两条支化裂缝。根据没有脱出碎片(即，没有玻璃片强力脱出到与其初始位置相距2英寸以上)，没有尺寸< I毫米的可见碎片，以及观察到很少量的支化裂缝的情况，样品b、c和d归类为不易碎性或基本不易碎性。根据以上内容，可以设立易碎性指数(表I)来定量玻璃、玻璃陶瓷和/或陶瓷制品在受到另一物体冲击时的易碎性或不易碎性的程度。该指数从I到5，I表示不易碎性，5表示高度易碎性，用该指数描述易碎性或不易碎性的不同水平。使用该指数，以许多参数的形式表征易碎性1)直径(即最大尺寸)小于I毫米的碎片的数量百分比(表I中的“碎片尺寸”);2)每单位面积(在这种情况下为平方厘米)样品形成的碎片数量(表I中的“碎片密度”);3)受到冲击时由初始裂缝形成的支化裂缝的数量(表I中的“裂缝支化”)；和4)受到冲击时从初始位置脱出超过约5厘米(或约2英寸)的碎片的数量百分比(表I中的“脱出”)。表1.确定易碎程度和易碎性指数的标准。
权利要求
1.一种强化玻璃制品，该强化玻璃制品的厚度t ( O. 75mm，其包括 外部区域； 和内部区域，其中该内部区域处于中心张力CT之下，其中CT(MPa) > -15. 7 (MPa/mm).t (mm) +52. 5 (MPa), 当所述强化玻璃制品被尖端冲击破裂时，所述强化玻璃制品显示出下述特征中的至少一个碎片尺寸叫(％彡I毫米)0% ^ H1 ^ 5% ;裂缝支化1130 ^ η3^ 5%，或它们的组合。
2.如权利要求1所述的强化玻璃制品，其特征在于，当所述强化玻璃制品被尖端冲击破裂时，所述强化玻璃制品显示出下述特征中的至少一个碎片密度112(碎片/平方厘米)，O碎片/平方厘米彡η2彡3碎片/平方厘米；脱出η4 (%彡5厘米)，O %彡η4彡2 %，或它们的组合。
3.如权利要求1所述的强化玻璃制品，其特征在于，所述强化玻璃制品的易碎性指数小于3。
4.如权利要求1所述的强化玻璃制品，其特征在于，所述强化玻璃制品的易碎性指数小于2。
5.如权利要求2所述的强化玻璃制品，其特征在于，所述强化玻璃制品显示出下述特征中的至少一个碎片尺寸Ii1 (%彡I毫米)为0%;碎片密度112 (碎片/平方厘米)(I碎片/平方厘米；裂缝支化η3彡2 ;脱出η4 (%彡5厘米)为0，或它们的组合。
6.如权利要求5所述的强化玻璃制品，其特征在于，所述强化玻璃制品的易碎性指数小于2。
7.如权利要求1所述的强化玻璃制品，其特征在于，所述强化玻璃制品是不易碎的。
8.如权利要求1所述的强化玻璃制品，其特征在于，所述强化玻璃制品包含碱性铝硅酸盐玻璃。
9.如权利要求8所述的强化玻璃制品，其特征在于，所述碱性铝硅酸盐玻璃包含60-70 摩尔 % 的 SiO2 ；6-14 摩尔 % 的 Al2O3 ;0_15 摩尔 % 的 B2O3 ;0_15 摩尔 % 的 Li2O ；0-20 摩尔 ％ 的 Na2O ；0-10 摩尔 ％ 的 K2O ;0_10 摩尔 ％ 的 CaO ;0_5 摩尔 ％ 的 ZrO2 ;0_1 摩尔％的SnO2 ；0-1摩尔％的CeO2 ；小于50ppm的As2O3 ；和小于50ppm的Sb2O3 ;其中12摩尔 ％ ( Li20+Na20+K20 ( 20 摩尔 ％ 且 O 摩尔 ％ ( MgO+CaO ( 10 摩尔 ％。
10.一种强化玻璃制品，该强化玻璃制品的厚度t ( O. 75mm，其包括 外部区域；和 内部区域，其中该内部区域处于中心张力CT之下，其中CT(MPa) > -15. 7 (MPa/mm).t (mm) +52. 5 (MPa), 当所述强化玻璃制品被尖端冲击破裂时，所述强化玻璃制品显示出下述特征中的至少一个碎片尺寸1^(%彡I毫米)0%彡Ii1 ( 5%;碎片密度112(碎片/平方厘米)，0碎片/平方厘米彡n2 ^ 3碎片/平方厘米；裂缝支化η3 O彡η3彡5 ;脱出η4 (%彡5厘米)，0%^ n4 ^ 2% ;或它们的组合。
11.如权利要求10所述的强化玻璃制品，其特征在于，所述强化玻璃制品的易碎性指数小于3。
12.如权利要求10所述的强化玻璃制品，其特征在于，所述强化玻璃制品显示出下述特征中的至少一个碎片尺寸叫(％彡I毫米)为0%;碎片密度112(碎片/平方厘米)(I碎片/平方厘米；裂缝支化n3 ( 2 ;脱出n4(%彡5厘米)为O，或它们的组合。
13.如权利要求10所述的强化玻璃制品，其特征在于，所述强化玻璃制品是不易碎的。
14.如权利要求10所述的强化玻璃制品，其特征在于，所述强化玻璃制品包含碱性铝硅酸盐玻璃。
15.如权利要求14所述的强化玻璃制品，其特征在于，所述碱性铝硅酸盐玻璃包含60-70 摩尔 % 的 SiO2 ;6-14 摩尔 % 的 Al2O3 ;0_15 摩尔 % 的 B2O3 ;0_15 摩尔 % 的 Li2O ；0-20 摩尔 ％ 的 Na2O ；0-10 摩尔 ％ 的 K2O ;0_10 摩尔 ％ 的 CaO ;0_5 摩尔 ％ 的 ZrO2 ;0_1 摩尔％的SnO2 ；0-1摩尔％的CeO2 ；小于50ppm的As2O3 ；和小于50ppm的Sb2O3 ;其中12摩尔 ％ ( Li20+Na20+K20 ( 20 摩尔 ％ 且 O 摩尔 ％ ( MgO+CaO ( 10 摩尔 ％。
全文摘要
一种强化的玻璃制品，该玻璃制品具有一定的中心张力，该中心张力低于一定的阈值，高于该阈值时，所述玻璃表现出易碎性。所述中心张力随着玻璃的厚度非线性地变化。所述玻璃可用作便携式或移动式电子装置如手机等的盖板或窗口。所述制品通过在熔融盐浴中的碱金属离子交换进行强化。
文档编号C03B27/03GK103043900SQ20121029071
公开日2013年4月17日 申请日期2009年8月7日 优先权日2008年8月8日
发明者K·L·贝尔富特, J·J·普赖斯, J·M·奎恩塔尔, R·L·斯图尔特 申请人:康宁股份有限公司