耐划痕玻璃和制造方法与流程

技术背景

本文涉及一种耐划痕玻璃。更具体地，本文涉及具有耐划痕层的玻璃。甚至更具体地，本文涉及提供具有改进的耐划痕性的玻璃的方法。

可离子交换玻璃被广泛地用作覆盖玻璃和用在电子器件的主体中。虽然离子交换为玻璃提供了增强的表面强度，但是硬度的改善是极小的，并且玻璃仍然易受到由于暴露于比玻璃更硬的材料而导致的划痕。

改善耐划痕性或耐磨损性的尝试通常包括对玻璃自身的组成进行操纵以增加强度，使用替代材料，或者向玻璃表面施涂硬涂层。在大多数情况下，成本、可扩展性差以及透明度损失使得此类方法不适用于大面积玻璃应用。

技术实现要素：

提供了耐划痕玻璃。玻璃具有表面层，所述表面层相对于玻璃制品的余下部分是二氧化硅富集的。玻璃制品可包括碱性铝硅酸盐玻璃、碱性铝硼硅酸盐玻璃或者硼硅酸盐玻璃。玻璃用除了氢氟酸(HF)之外的无机酸的水性溶液进行处理，例如HCl、HNO₃或者H₂SO₄等，从而从玻璃选择性地滤去元素，并留下二氧化硅富集的表面层。在一些实施方式中，水性溶液排除了氢氟酸。在一些实施方式中，通过例如离子交换对玻璃进行化学强化，然后用无机酸的水性溶液进行处理。相比于没有用酸溶液进行处理的玻璃，富集二氧化硅的表面层改善了玻璃的努氏(Knoop)划痕阈值以及玻璃的划痕后的保留强度。

因此，本文的一个方面提供了一种玻璃制品，其具有从玻璃制品的表面延伸到玻璃制品中高至约600nm深度的多孔SiO₂富集区域。玻璃制品的努氏划痕引发阈值至少约为12N。在一些实施方式中，对玻璃进行酸处理以形成SiO₂-富集区域。在某些实施方式中，在形成SiO₂-富集区域之前，对玻璃进行离子交换。

本发明的第二个方面是提供一种制造包含SiO₂的耐划痕玻璃制品的方法。该方法包括形成多孔二氧化硅富集层，其从经离子交换的玻璃制品的表面延伸到高至约600nm的深度。玻璃制品具有努氏裂纹引发阈值。

本发明的第三个方面是提供一种改善化学强化玻璃的耐划痕性的方法。该方法包括：在预定的温度下，用酸对化学强化玻璃的表面进行处理，持续一段预定的时间，从而从玻璃的表面去除非二氧化硅组分，并在玻璃的表面上形成多孔二氧化硅富集层。多孔二氧化硅富集层从表面延伸进入玻璃的块体，深度高至约600nm。

从以下详细描述、附图和所附权利要求书能明显地看出本发明的上述及其他方面、优点和显著特征。

附图说明

图1是具有耐划痕二氧化硅富集表面层的经离子交换的平坦玻璃制品的横截面示意图；

图2是经过离子交换的玻璃以及经过离子交换然后经过酸处理的玻璃所测得的努氏划痕阈值图；

图3是在不同负荷下划痕的玻璃样品的标准化失效负荷图；

图4a是经离子交换的玻璃在H₂SO₄中进行酸处理之前和之后的模量测量图；

图4b是经离子交换的玻璃在H₂SO₄中进行酸处理之前和之后的硬度测量图；以及

图5是经离子交换的玻璃以及经过离子交换然后在95℃的0.02N的H₂SO₄中酸处理24小时的玻璃的表面的x射线光电子能谱(XPS)分析结果图。

具体实施方式

在以下描述中，相同的附图标记表示附图所示的若干视图中类似或相应的部分。还应理解，除非另外指出，否则术语如“顶部”，“底部”，“向外”，“向内”等是方便词语，不构成对术语的限制。此外，每当将一个组描述为包含一组要素中的至少一个要素和它们的组合时，应将其理解为所述组可以单个要素或相互组合的形式包含任何数量的这些所列要素，或者主要由它们组成，或者由它们组成。类似地，每当将一个组描述为由一组要素中的至少一个要素或它们的组合组成时，应将其理解为所述组可以单个要素或相互组合的形式由任何数量的这些所列要素组成。除非另有说明，否则，列举的数值范围同时包括所述范围的上限和下限，以及所述范围之间的任意范围。除非另外说明，否则，本文所用的不定冠词“一个”或“一种”及其相应的定冠词“该”表示“至少一(个/种)”，或者“一(个/种)或多(个/种)”。还应理解的是，在说明书和附图中揭示的各种特征可以任意和所有的组合方式使用。

本文所用术语“玻璃制品”和“玻璃制品(glass articles)”以它们最广泛的意义来使用，包括全部或部分由玻璃制成的任何物体。除非另外说明，否则所有组成表示为摩尔百分数(摩尔％)，并且所有温度表示为摄氏度(℃)。

应注意，本文可用术语“基本上”和“约”表示可由任何定量比较、数值、测量或其它表示方法造成的内在不确定性的程度。在本文中还使用这些术语表示数量的表示值可以与所述的参比值有一定的偏离程度，但是不会导致审议的主题的基本功能改变。因而，“基本不含MgO”的玻璃是这样一种玻璃，其中，没有主动将MgO添加或者配料到玻璃中，但是可能以非常少量作为污染物存在。

本文所述的努氏划痕阈值(KST)采用努氏钻石压痕计确定。通过如下方式确定划痕阈值：首先鉴定横向裂纹起始的负荷范围。一旦鉴定了负荷范围，以4mm/s的速度，在3条或更多条划痕/负荷的情况下，以增加的恒定负荷产生一系列的5mm长的划痕，从而鉴定努氏划痕阈值。横向裂纹定义为如下持续裂纹，其比凹槽的两倍宽度还长。

通过如下方式来确定本文所述的维氏裂纹引发阈值(VIT)：以0.2mm/分钟的速率，向玻璃表面施加压痕负荷，然后移除该压痕负荷。最大压痕负荷保持10秒。压痕裂纹阈值定义为10次压痕中的50％显示出任意数量的径向/中间裂纹从凹痕印记角落延伸出来的压痕负荷。增加最大负荷直至阈值符合给定的玻璃组成。所有的压痕测量都是在50％相对湿度和室温下进行。

使用本领域已知的那些方法来测量压缩应力和层深度。此类方法包括但不限于，使用诸如Luceo有限公司(日本东京)制造的FSM-6000或者类似的商用仪器，来测量表面应力(FSM)，测量压缩应力和层深度的方法如ASTM1422C-99所述，题为“用于化学强化的平坦玻璃的标准规格”和ASTM1279.19779的“用于退火的、热强化的、完全回火的平坦玻璃中的边缘和表面应力的非破坏性光弹性测量的标准测试方法”，其全文通过引用结合入本文。表面应力测量依赖于应力光学系数(SOC)的精确测量，其与玻璃的双折射相关。进而通过本领域已知的那些方法来测量SOC，例如纤维和四点弯曲方法(它们都参见ASTM标准C770-98(2008)所述，题为“Standard Test Method for Measurement of Glass Stress-Optical Coefficient(用于测量玻璃的应力-光学系数的标准测试方法)”，其全文通过引用结合入本文)以及块圆柱体方法。

从总体上参见附图，并具体参见图1，应理解举例说明是为了描述本发明的具体实施方式的目的，这些举例说明不是用来限制本发明的说明书或所附权利要求书的。为了清楚和简明起见，附图不一定按比例绘制，附图的某些特征和某些视图可能按比例放大显示或以示意图方式显示。

虽然离子交换为玻璃提供了增强的表面强度，但是硬度的改善是极小的，并且玻璃仍然易受到由于暴露于比玻璃更硬的材料而导致的划痕。改善耐划痕性或耐腐蚀性的尝试通常包括对玻璃自身的组成进行操纵以增加强度，使用替代材料，或者向玻璃表面施涂硬涂层。可以通过例如使得玻璃中的非桥联氧原子(NBO)的数量最小化来调节组成。更硬的材料，例如蓝宝石等，可代替玻璃用作基材或窗，但是对于可规模化和成本方面而言，可能具有高加工温度、制造工艺和需要抛光至所需厚度和形状的缺陷。可以向玻璃表面施涂硬的多晶陶瓷材料层，例如蓝宝石、氧化铝、钻石状碳和氮化硅、碳化硅和氧碳化硅等。在大多数情况下，成本、可扩展性差以及透明度损失使得该方法不适用于大面积玻璃应用。

本文描述了耐划痕碱性铝硅酸盐、碱性铝硼硅酸盐和硼硅酸盐玻璃，其具有整体耐划痕层。还揭示了形成此类层的方法和改善玻璃制品的耐划痕性的方法。在给定温度下，使得玻璃制品(例如，片材或板材)在酸性水性溶液中处理特定的时间段。在该过程中，选择性地去除，或者滤去玻璃的元素，留下从经处理的表面延伸到玻璃内一定深度的多孔二氧化硅富集层。如本文所用术语“二氧化硅富集”指的是该区域中，二氧化硅(SiO₂)的浓度大于玻璃本体所测得的平均二氧化硅浓度，这是由于通过酸处理滤去其他组分的结果。相比于相同组成的未经处理的玻璃制品，二氧化硅富集层改善了经处理的玻璃表面的耐划痕性，通过努氏划痕阈值确定的改善因子为1.5-3。在一些实施方式中，经处理的玻璃的耐划痕性增加到未经处理的强化玻璃的四倍。在一些实施方式中，玻璃制品的努氏划痕引发阈值至少约为12牛顿(N)，以及在其他实施方式中，至少约为16N。在一些实施方式中，努氏划痕引发阈值约为20-60N。

在一些实施方式中，通过本领域已知的离子交换方法对玻璃进行化学强化。离子交换通常用于对玻璃进行化学强化。在一个具体例子中，此类阳离子源(例如，熔盐或“离子交换”浴)中的碱性阳离子与玻璃内的较小碱性阳离子发生交换或替换，从而在靠近玻璃的表面实现处于压缩应力(CS)的层。例如，来自阳离子源的钾离子通常与玻璃内的钠离子发生交换。压缩层从表面起始延伸到玻璃内的层深度(DOL)。在用水性酸溶液处理并形成二氧化硅富集层之后，压缩层从二氧化硅富集层的深度延伸到玻璃内的层深度。

在一些实施方式中，压缩层的压缩应力最大值至少约为300MPa，以及在其他实施方式中，至少约为400MPa。在某些实施方式中，最大压缩应力约为400-900MPa。在一些实施方式中，压缩层深度DOL至少约为20微米(um)，以及在其他实施方式中，至少约为30um。在某些实施方式中，层深度约为20-100um。

耐划痕二氧化硅富集层的深度或厚度通常小于强化玻璃制品的压缩层的深度。在一些实施方式中，二氧化硅富集层的厚度小于或等于约600nm，以及在一些实施方式中，小于约100nm。在其他实施方式中，二氧化硅富集层的厚度约为100-600nm。

图1所示是具有耐划痕二氧化硅富集表面层的经离子交换的平坦玻璃制品的横截面示意图。玻璃制品100具有厚度t、第一表面110和第二表面112。虽然图1所述的实施方式中，玻璃制品100显示为平坦的平面片或板，但是玻璃制品100可具有其它的构造如三维形状或非平面构造。多孔二氧化硅富集层130、132从表面110、112延伸到玻璃制品100中的深度d₃、d₄，并提供耐划痕层。玻璃制品100还具有第一压缩层120，所述第一压缩层120从二氧化硅富集层130的深度d₃延伸到玻璃制品100本体中的层深度d₁。在图1所示的实施方式中，玻璃制品100还具有第二压缩层122，所述第二压缩层122从二氧化硅富集层132的深度d₄延伸到第二层深度d₂。玻璃制品100还具有从d₁起始延伸到d₂的中心区域130。中心区域130处于拉伸应力或中心张力(CT)，其平衡或者抵消了层120和122的压缩应力。第一和第二压缩层120、122的深度d₁、d₂保护玻璃制品100免受通过对玻璃制品100的第一和第二表面110、112的尖锐冲击造成的裂纹扩展，同时压缩应力使得裂纹渗透通过第一和第二压缩层120、122的深度d₁、d₂的可能性最小化。

虽然经过酸处理的玻璃的表面层130、132是二氧化硅富集的，并且经过离子交换的压缩应力层120、122包括额外的碱性阳离子，但是本文所述的玻璃制品的本体的组成仍然基本未发生变化。在一些实施方式中，本体或者基础玻璃是碱性铝硅酸盐玻璃。在一些实施方式中，本体或者基础玻璃制品是碱性铝硼硅酸盐玻璃。在其他实施方式中，本体或者基础玻璃制品是硼硅酸盐玻璃，其基本不含碱金属和/或其氧化物。

在一些实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含：至少约4摩尔％的P₂O₅，其中，(M₂O₃(摩尔％)/R_xO(摩尔％))<1，其中，M₂O₃＝Al₂O₃+B₂O₃，并且其中，R_xO是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价和二价阳离子氧化物的总和。在一些实施方式中，单价和二价阳离子氧化物选自下组：Li₂O、Na₂O、K₂O、Rb₂O、Cs₂O、MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO。在一些实施方式中，玻璃包含0摩尔％的B₂O₃。在一些实施方式中，玻璃在至少约为10um的层深度进行离子交换，并且包含至少约4％的P₂O₅，其中，其中0.6<[M₂O₃(摩尔％)/R_xO(摩尔％)]<1.4；或者1.3<[(P₂O₅+R₂O)/M₂O₃]≤2.3；其中M₂O₃＝Al₂O₃+B₂O₃并且R_xO是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价和二价阳离子氧化物的总和，以及R₂O是碱性铝硅酸盐玻璃中存在的单价阳离子(即碱性)氧化物的总和。玻璃参见Timothy M.Gross的题为“Ion Exchangeable Glass with High Crack Initiation Threshold(具有高裂纹引发阈值的可离子交换玻璃)”的美国专利申请第13/678,013号和题为“Ion Exchangeable Glass with High Crack Initiation Threshold(具有高裂纹引发阈值的可离子交换玻璃)”的美国专利申请第13/677,805号，它们提交于2012年11月15日，且要求2011年11月16日提交的美国临时专利申请第61/560,434号的优先权。这些申请的全部内容都参考结合入本文中。

在其他实施方式中，碱性铝硼硅酸盐玻璃包含：至少约50摩尔％的SiO₂；至少约10摩尔％的R₂O，其中，R₂O包括Na₂O；Al₂O₃；以及B₂O₃，其中，B₂O₃-(R₂O-Al₂O₃)≥3摩尔％。在一些实施方式中，玻璃包含：至少约50摩尔％的SiO₂；至少约10摩尔％的R₂O，其中R₂O包括Na₂O；Al₂O₃，其中Al₂O₃(摩尔％)<R₂O(摩尔％)；以及约3-4.5摩尔％的B₂O₃，其中B₂O₃(摩尔％)-(R₂O(摩尔％)-Al₂O₃(摩尔％))≥3摩尔％。在某些实施方式中，玻璃包含：至少约50摩尔％的SiO₂；约9-22摩尔％的Al₂O₃；约3-10摩尔％的B₂O₃；约9-20摩尔％的Na₂O；0摩尔％至约5摩尔％的K₂O；至少约0.1摩尔％的MgO、ZnO或其组合，其中0摩尔％≤MgO≤6摩尔％且0摩尔％≤ZnO≤6摩尔％；以及，可任选的，CaO、BaO和SrO中的至少一种，其中0摩尔％≤CaO+SrO+BaO≤2摩尔％。在一些实施方式中，当经过离子交换，玻璃的维氏压痕裂纹开裂负荷至少约10kgf。此类玻璃参见Matthew J.Dejneka等人于2013年5月28日提交的题为“Zircon Compatible,Ion Exchangeable Glass with High Damage Resistance(具有高抗破坏性的锆石相容、可离子交换玻璃)”的美国专利申请第14/197,658号所述，其是Matthew J.Dejneka等人于2013年5月28日提交的题为“Zircon Compatible,Ion Exchangeable Glass with High Damage Resistance(具有高抗破坏性的锆石相容、可离子交换玻璃)”的美国专利申请第13/903,433号的继续申请，它们都要求2012年5月31日提交的临时专利申请第61/653,489号的优先权。这些申请的全部内容都参考结合入本文中。

在一些实施方式中，碱性铝硼硅酸盐玻璃包含：至少约50摩尔％的SiO₂；至少约10摩尔％的R₂O，其中，R₂O包括Na₂O；Al₂O₃，其中，-0.5摩尔％≤Al₂O₃-R₂O≤2摩尔％；以及B₂O₃，其中，B₂O₃-(R₂O(摩尔％)-Al₂O₃)≥4.5摩尔％。在其他实施方式中，玻璃的锆分解温度等于玻璃的粘度大于约40千泊时的温度，并且玻璃包含：至少约50摩尔％的SiO₂；至少约10摩尔％的R₂O，其中，R₂O包括Na₂O；Al₂O₃；以及B₂O₃，其中，B₂O₃-(R₂O-Al₂O₃)≥4.5摩尔％。在其他实施方式中，玻璃是经过离子交换的，其维氏压痕裂纹引发阈值至少约30kgf，并且其包含：至少约50摩尔％的SiO₂；至少约10摩尔％的R₂O，其中，R₂O包括Na₂O；Al₂O₃，其中，-0.5摩尔％≤Al₂O₃-R₂O≤2摩尔％；以及B₂O₃，其中，B₂O₃-(R₂O-Al₂O₃)≥4.5摩尔％。此类玻璃参见Matthew J.Dejneka等人于2012年5月28日提交的题为“Ion Exchangeable Glass with High Damage Resistance(具有高抗破坏性的可离子交换玻璃)”的美国专利申请第13/903,398号所述，其要求2012年5月31日提交的美国临时专利申请第61/653,485号的优先权。这些申请的全部内容都参考结合入本文中。

在其他实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含：约70-80摩尔％的SiO₂；约6-12摩尔％的Al₂O₃；约0-15摩尔％的B₂O₃；约0-15摩尔％的Li₂O；约0-20摩尔％的Na₂O；约0-10摩尔％的K₂O；约0-8摩尔％的MgO；约0-10摩尔％的CaO；约0-5摩尔％的ZnO、ZrO₂和Fe₂O₃中的每一种；以及0摩尔％至约1摩尔％的SnO₂和P₂O₅中的每一种。在一些实施方式中，SiO₂+B₂O₃+Al₂O₃≥86.5摩尔％以及R₂O-RO-Al₂O₃<5摩尔％；以及在其他实施方式中，SiO₂+B₂O₃+Al₂O₃≥86.5摩尔％以及R₂O-RO-Al₂O₃<5摩尔％。此类玻璃参见Jeffrey Scott Cites等人于2014年5月2日提交的题为“Strengthened Glass and Compositions Therefor(强化玻璃及其组成)”的美国临时专利申请第61/987,795号所述，其全文通过引用结合入本文。

在一些实施方式中，上文所述的碱性铝硅酸盐和碱性铝硼硅酸玻璃基本不含(即含有0摩尔％的)锂、硼、钡、锶、铋、锑和砷中的至少一种。

在一些实施方式中，上文所述的碱性铝硅酸盐玻璃可以通过本领域已知的工艺下拉，所述工艺是例如狭缝拉制法、熔合拉制法和再拉制法等，所述碱性铝硅酸盐玻璃的液相线粘度可以至少为130千泊。

在其他实施方式中，玻璃是硼硅酸盐玻璃，例如，康宁有限公司(Corning Incorporated)制造的Corning Eagle 玻璃。

在另一个方面，提供了增加化学强化玻璃制品的耐划痕性的方法。在玻璃制品的表面上形成多孔二氧化硅富集层。二氧化硅富集层从玻璃制品的表面延伸到高至约600nm或较低的深度，以及在一些实施方式中，其小于约400nm。在其他实施方式中，二氧化硅富集层的厚度约为100-600nm。在一些实施方式中，用含有至少一种无机酸(例如但不限于，盐酸(HCl)、硝酸(HNO₃)、硫酸(H₂SO₄)，或其组合等)的水性溶液处理玻璃制品。在一些实施方式中，水性酸溶液的酸浓度范围约为0.005标准(N)至约1.0N。在一种具体实施方式中，溶液的酸浓度约为0.2N。在一些实施方式中，水性酸溶液基本不含或者不含有氢氟酸(HF)。在该过程中，从受影响区域选择性地滤去掉玻璃中存在的其他元素(例如，碱性物质、碱土物质、铝、硼、磷等)，留下整合到玻璃制品的二氧化硅富集层。多孔二氧化硅富集层改善了耐划痕性，其表征为玻璃表面的努氏划痕阈值。通过本领域已知的那些方式，例如，浸没、浸涂、喷涂、刷涂或者旋涂等，将所述至少一种无机酸施涂到待处理的表面。使得包含所述至少一种无机酸的水性溶液与表面接触足以形成具有所需深度或厚度的二氧化硅富集层的时间。实现所需层深度或厚度所要求的实际时间取决于多种因素，包括水性酸溶液的浓度、基材和/或酸溶液的温度以及玻璃组成等。

在预定或选定温度下，进行用水性酸溶液对化学强化玻璃制品的酸处理。在一些实施方式中，在约为25-95℃的温度范围加热玻璃制品和/或溶液。在其他实施方式中，在约为50-95℃的温度范围加热玻璃制品和/或溶液。例如，玻璃制品可以是室温，而将水性酸溶液加热到所需温度。或者，在处理之前，可以对玻璃制品和水性溶液这两者都进行预加热。

本文所述的方法产生高至约4倍的可离子交换玻璃的耐划痕性的改善。在一些实施方式中，相比于未经处理(“未处理的”)相同组成的强化样品，根据该方法处理的玻璃展现出高至4倍的耐划痕性改善。在一些实施方式中，测试样品的酸处理涉及：在95℃，将玻璃板暴露于0.02N的H₂SO₄或者1摩尔(M)的HNO₃的水性溶液，持续24小时。在酸暴露过程中，选择性地滤去玻璃元素，留下二氧化硅富集表面层(例如，图1中的130、132)，其组成明显不同于本体的组成。

采用努氏钻石压痕计来评估选定玻璃的耐划痕性。通过如下方式确定划痕阈值：首先鉴定横向裂纹起始的负荷范围。一旦鉴定了负荷范围，以4mm/s的速度，在恒定负荷下，产生一系列的5mm长的划痕。以增加的负荷制造划痕，每个负荷具有3条或更多条划痕，从而鉴定努氏划痕阈值。横向裂纹定义为如下持续裂纹，其比凹槽的两倍宽度还大。

在离子交换(IX)之后以及在离子交换和本文所述的后续酸处理之后的测试的玻璃组合物的努氏划痕阈值测量结果绘制在图2中并列于表1中。在图2和表1中，实施例A-E是康宁有限公司制造的Corning 玻璃的不同组合物。在图2中，对比了数种未经处理的离子交换玻璃和那些经过后续酸处理的离子交换玻璃的努氏划痕阈值。表I和2所列的所有样品都是在KNO₃熔盐浴中进行离子交换。离子交换浴温度约为390-480℃，以及离子交换时间为2-8小时。采用0.02N的H₂SO₄或者1摩尔(M)的HNO₃在95℃持续24小时，来对离子交换后的玻璃进行酸处理。相比于离子交换的Corning 玻璃，图2所示数据显示，本文所述的酸处理相比于数种离子交换玻璃得到了高至4倍的努氏划痕阈值的增加。观察到的更高的努氏划痕阈值可表明经过酸处理的玻璃表面较不容易受到由于沙粒和比玻璃表面更硬的物体所导致的损坏，这进而涉及较不容易看到的损坏和更高的保留强度。

表1：具有和不具有后续酸处理的离子交换玻璃的玻璃组成以及所得到的努氏划痕阈值(KST)数据

表2：具有和不具有后续酸处理的离子交换玻璃的玻璃组成以及所得到的努氏划痕阈值(KST)数据

图3是在不同负荷下划痕的玻璃样品的标准化失效负荷图。数据显示具有表2中的实施例4的组成的根据本文所述的方法进行酸处理的离子交换玻璃(图3中的a)和具有表2中的实施例4的组成的未经处理的离子交换样品(图3中的b)的划痕后保留强度的应用。图3中的数据是类似的经处理和离子交换的玻璃样品。图3中的样品d是Corning 玻璃实施例D(表1)，以及图3中的样品c是Corning 玻璃实施例C(表1)。图3中样品a的酸处理构成如下：在95℃，玻璃暴露于0.02N的H₂SO₄持续24小时。本文所述的酸处理实现在高至40牛顿(N)划痕负荷的情况下维持玻璃强度，相比较而言，未经酸处理玻璃则是约为25N。

增加的强度通常被视为溶液改善了玻璃表面的耐划痕性。硬度通常与弹性模量呈线性比例。图4a和4b分别是模量图和硬度图，对表1中经过和没经过酸处理的实施例D的玻璃的玻璃表面进行纳米压痕测得。经过酸处理的玻璃展现出模量从70.5GPa降低到12.2GPa，以及硬度从约为8.3GPa降低到约为1GPa。这种低模量“软”表面产生约为48-50N的努氏划痕阈值，约为未经酸处理玻璃的3倍。如图5所示是通过X射线光电子能谱(XPS)对(表2的)实施例4的经离子交换玻璃的未经酸处理和经过酸处理表面的分析结果。部分离子交换样品在95℃的0.02N的H₂SO₄中酸处理24小时。相比于未经酸处理的玻璃，每个经过酸处理的样品具有二氧化硅富集表面层，其减少了所有其他玻璃组分并且厚度约为400-500nm。经过酸处理的玻璃具有二氧化硅富集表面层，其光滑地过渡到本体玻璃组成。该层提供了柔性层，其消散了由于划痕产生的能量，并由此保护玻璃免于形成强度受限的瑕疵及其扩展。

虽然为了说明给出了典型的实施方式，但是前面的描述不应被认为是对本说明书或所附权利要求书的范围的限制。因此，在不偏离本说明书或者所附权利要求书的范围的情况下，本领域的技术人员可想到各种改进、修改和替换形式。