本公开涉及强化玻璃技术领域，具体地，涉及一种玻璃组合物及其制备方法和应用。
背景技术：
玻璃一直是显示技术发展中不可或缺的材料，随着显示技术的发展，通过化学强化改变玻璃表面的组成可以提高玻璃的强度，玻璃更多的应用于显示器件的保护中。目前平板电脑、液晶电视、移动电话、数码相机等都配备触摸屏，而在使用过程中，触摸屏盖板玻璃易于发生接触和摩擦，加上不经意的刻划、碰触，由此产生的划痕直接造成触摸屏表面粗糙，光洁度下降，影响使用效果，更有可能导致屏幕破裂。
根据市场的需求，触摸屏盖板玻璃正逐渐向着更优质的方向发展。其优质主要体现在表面应力大、应力层深度合适、耐热、耐热冲击、轻薄、适合大尺寸化等方面。目前，在降低坚韧性、脆性方面的研究进展依旧差强人意，未有突破性进展，触摸屏盖板玻璃的损坏亦多由抗损伤性能不足而造成。
因此亟需一种玻璃组合物，强化后机械性能好，抗破坏，抗跌落，可以制备为高性能的触摸屏盖板玻璃。
技术实现要素：
本公开的目的是提供一种玻璃组合物配方，该玻璃组合物配方制备得到的玻璃适合于化学强化，强化后机械性能好，抗破坏、跌落。
为了实现上述目的，本公开提供了一种玻璃组合物，以所述玻璃组合物的总摩尔数值为100％计，所述玻璃组合物包括40-65mol％的sio2、10-22mol％的al2o3、3-18mol％的p2o5、12-20mol％的na2o和0.01-5mol％的zno。
在本公开所提供的玻璃组合物中，sio2是构成玻璃骨架的成分，sio2含量较高，耐化学性和机械强度会增加，玻璃的高温粘度增加，如果sio2过多，就难以得到料性长的玻璃。sio2含量较低则不易形成玻璃，应变点下降，膨胀系数增加，耐酸性和耐碱性均会下降。考虑到熔化温度、析晶上限温度、玻璃膨胀系数、机械强度、玻璃料性等性能，本公开的sio2含量为40-65mol％。
在本公开所提供的玻璃组合物中引入al2o3，非桥氧与al形成铝氧四面体，该体积比硅氧四面体的大，在玻璃结构中产生更大的缝隙，有利于离子交换，最终使得化学强化效果更好。但al2o3含量过高，难以熔制。相反地，al2o3含量过低，玻璃容易析晶，机械强度较低不利于成型，因此本公开合适的al2o3的含量为10-22mol％。
在本公开所提供的玻璃组合物中引入p2o5，可以提高后续玻璃强化时的离子交换速度，改善玻璃的抗损伤性。将磷元素加入到玻璃中，使玻璃中的sio2被由四面体配位的铝和磷构成磷酸铝取代，但是p2o5含量过高，玻璃的化学稳定性会降低，因此本公开合适的p2o5含量为3-18mol％。
在本公开所提供的玻璃组合物中引入na2o，na是离子交换的主要物质，通过玻璃中的钠离子与熔盐中的钾离子进行交换，让半径较大的钾离子与玻璃中的钠离子相互交换位置，这样在玻璃表面就产生了挤压作用，从而达到提高玻璃强度的效果。na2o属于网络外体，具有助熔作用，使得玻璃熔化温度降低，因此本公开合适的na2o含量为12-20mol％。
在本公开所提供的玻璃组合物中引入zno，锌元素处于网络空间中间，对周围硅氧四面体起积聚作用，改善玻璃的杨氏模量，提高玻璃稳定性，增加离子交换速度和深度，本公开合适的zno含量为0.01-5mol％。
本公开还提供了一种玻璃组合物的制备方法，该方法包括在加热条件下，将玻璃组合物原料混合后进行熔融、均化、浇注成型并退火，以所述玻璃组合物的总摩尔数值为100％计，所述玻璃组合物包括40-65mol％的sio2、10-22mol％的al2o3、3-18mol％的p2o5、12-20mol％的na2o和0.01-5mol％的zno。
本公开还提供了如上所述的制备方法制备得到的玻璃组合物。
本公开还提供了如上所述的玻璃组合物在制备触摸屏中的应用。
本公开还提供了一种使用如上所述玻璃组合物的触摸屏设备。
通过上述技术方案，本公开提供的玻璃组合物具有较低的膨胀系数，合适的杨氏模量，使其适合于化学强化和加工；所述玻璃组合物的结构疏松，短时间强化时的强化深度更深，同时强化后具有良好的断裂韧性和较高压缩应力，提高了玻璃抗跌落的能力，不易发生失透。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
在本公开中，在未作相反说明的情况下，所述玻璃组合物的密度根据gb/t7962.15-2010《无色光学玻璃测试方法第20部分：密度》使用阿基米德法测定。
在本公开中，在未作相反说明的情况下，所述玻璃组合物的透过率根据gb/t5433-1985《日用玻璃透过率测定方法》标准测定得到。
在本公开中，在未作相反说明的情况下，所述玻璃组合物的杨氏模量根据gb/t7962.15-2010《无色光学玻璃测试方法第6部分：杨氏模量、剪切模量及泊松比》使用共振法测定得到。
在本公开中，在未作相反说明的情况下，所述玻璃组合物的耐酸性能根据gb/t7962.15-2010《无色光学玻璃测试方法第14部分：耐酸稳定性》测定得到。
在本公开中，在未作相反说明的情况下，所述玻璃组合物的压缩应力与强化深度gb/t18144-2008《玻璃应力测定方法》测定得到。
在本公开中，在未作相反说明的情况下，所述玻璃组合物的断裂韧性根据gb4161-2007《金属材料平面应变断裂韧度kic试验方法》测定得到。
本公开第一方面提供了一种玻璃组合物，以所述玻璃组合物的总摩尔数值为100％计，所述玻璃组合物包括40-65mol％的sio2、10-22mol％的al2o3、3-18mol％的p2o5、12-20mol％的na2o和0.01-5mol％的zno。
本公开所述玻璃组合物中各组分具有不同的作用，可以互相产生影响，在进行多次试验后得到其合适的组成与含量。本公开提供的玻璃组合物具有较低的膨胀系数，合适的杨氏模量，使其适合于化学强化和加工；所述玻璃组合物的结构疏松，短时间强化时的强化深度更深，同时强化后具有良好的断裂韧性和较高压缩应力，提高了玻璃抗跌落的能力，不易发生失透。
根据本公开第一方面，为了进一步提升玻璃组合物的机械性能，在各项参数之间取得平衡，优选情况下，所述玻璃组合物包括47-60mol％的sio2、17-20mol％的al2o3、4-13mol％的p2o5、15-18mol％的na2o和1-3mol％的zno。
根据本公开的第一方面，优选地，以所述玻璃组合物的总摩尔数值为100％计，所述玻璃组合物由40-65mol％的sio2、10-22mol％的al2o3、3-18mol％的p2o5、12-20mol％的na2o和0.01-5mol％的zno组成；更优选地，所述玻璃组合物由47-60mol％的sio2、17-20mol％的al2o3、4-13mol％的p2o5、15-18mol％的na2o和1-3mol％的zno组成。
根据本公开第一方面，上述玻璃组合物适用于化学强化工艺，于410-450℃使用kno3熔液强化4小时后所述玻璃组合物的杨氏模量为62-76.2gpa，压缩应力为750-860mpa，断裂韧性为3.3-5mpa·m1/2，强化深度为60-70μm。
本公开第二方面提供了一种玻璃组合物的制备方法，该方法包括在加热条件下，将玻璃组合物原料混合后进行熔融、均化、浇注成型并退火，以所述玻璃组合物的总摩尔数值为100％计，所述玻璃组合物包括40-65mol％的sio2、10-22mol％的al2o3、3-18mol％的p2o5、12-20mol％的na2o和0.01-5mol％的zno。
根据本公开第二方面，为了进一步提升玻璃组合物的机械性能，在各项参数之间取得平衡，所述玻璃组合物包括47-60mol％的sio2、17-20mol％的al2o3、4-13mol％的p2o5、15-18mol％的na2o和1-3mol％的zno。
根据本公开第二方面，优选地，以所述玻璃组合物的总摩尔数值为100％计，所述玻璃组合物由40-65mol％的sio2、10-22mol％的al2o3、3-18mol％的p2o5、12-20mol％的na2o和0.01-5mol％的zno组成；更优选地，所述玻璃组合物由47-60mol％的sio2、17-20mol％的al2o3、4-13mol％的p2o5、15-18mol％的na2o和1-3mol％的zno组成。
根据本公开第二方面，所述熔融的条件包括：温度为1560-1650℃，时间为6-12h；本领域技术人员可以根据实际情况确定具体的熔融温度和熔融时间。
根据本公开第二方面，所述退火的条件包括：温度为500-700℃，时间为3-7h；本领域技术人员可以根据实际情况确定具体的退火温度和退火时间。
所述均化和浇注成型均可以采用本领域常规使用的各种方法；例如可以通过搅拌使熔融的玻璃组合物中的气泡溢出、各组分均匀分布，可以在不锈钢模具中浇注成型，所述步骤与参数为本领域常规使用的步骤与参数，本公开对此没有特别的限制。
本公开第三方面提供了如上所述的制备方法制备得到的玻璃组合物；所述玻璃组合物适合于加工处理，本公开对于加工处理的方法没有特别的限制，可以为本领域常规使用的各种加工处理方式，例如切片、打磨和化学钢化等。
本公开第四方面提供了如上所述的玻璃组合物在制备触摸屏中的应用。
根据本公开第四方面，所述玻璃组合物应用于制备触摸屏时需进行化学强化提高机械性能。所述化学强化的方法可以为本领域技术人员常规使用的各种化学强化方法，本公开对此没有特别的限制；优选地，所述化学强化的条件包括：将所述玻璃组合物于强化液中强化2-6h，温度为410-450℃；更优选地，所述强化液为kno3熔液，无需添加加速剂、保护剂等辅助强化的成分。
本公开第五方面提供了一种触摸屏设备，所述触摸屏设备中至少一个玻璃层使用如上所述的玻璃组合物。
根据本公开第五方面，所述玻璃组合物具有合适的杨氏模量与较好的机械性能，可以被制备成曲面显示屏。
下面通过实施例进一步详细说明本发明。
表1列出了通过溢流法制造本公开所述的玻璃组合物及其物理性质(密度、透过率、膨胀系数、杨氏模量)以及强化后的机械性能(压缩应力、强化深度和断裂韧性)。所述制备的步骤包括：将玻璃组合物按照比例混合，将混合物放入铂铑坩埚中1580-1650℃加热7h，使用铂金棒搅拌均化得到玻璃组合物熔融体；将所述玻璃组合物熔融体倒入模具中室温下浇注成型，待冷却至室温后得到浇注后的玻璃组合物工件；将所述玻璃组合物工件于600-660℃保温4h进行退火处理，得到退火玻璃组合物工件；将所述退火玻璃组合物工件于420℃的kno3熔液中处理4h得到强化后的玻璃组合物工件；以强化后的玻璃组合物工件为样品测定机械强度。
表1
根据本公开各实施例的数值比较可以看出，本公开提供的玻璃组合物具有较低的膨胀系数，杨氏模量为62-76.2gpa，使其适合于化学强化；所述玻璃组合物的结构疏松，强化4h时的强化深度为60-70μm，同时强化后压缩应力为750-860mpa，断裂韧性为3.3-5mpa·m1/2，提高了玻璃抗跌落的能力，不易发生失透。
在本公开实施例5和实施例7-13中，所述玻璃组合物包括47-60mol％的sio2、17-20mol％的al2o3、4-13mol％的p2o5、15-18mol％的na2o和1-3mol％的zno时，其膨胀系数不高于97.3×10-7/℃，个别可达到90.2×10-7/℃；强化深度不低于62.1μm，个别实施例可达到75.7μm；压缩应力不低于762mpa，个别实施例可达到833mpa；断裂韧性不低于4.068mpa·m1/2，个别实施例可达到4.8531mpa·m1/2；本公开优选范围内的玻璃组合物各项参数均处于一个较好的范围内，各项参数的均衡使所述玻璃组合物具有更优越的性能。
以上详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。