一种玻璃用组合物、低脆性化学强化玻璃及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及玻璃领域，具体地，涉及一种玻璃用组合物、低脆性化学强化玻璃及其 制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 在平面显示领域，最近几年触摸屏产品市场发展迅速，目前的主流产品是电容式 触摸屏，其主要部件是表面起保护作用的玻璃基板。随着显示技术及触控技术的发展，市场 对于玻璃基板的要求日益提高。由于触摸屏应用越来越广泛，大中小尺寸的设备几乎都具 有触摸屏，所以触摸屏的最主要性能是要具备优秀的机械性能、抗刮和抗划伤能力，而此性 能是由玻璃的强度体现出来的，所以提高玻璃自身的强度是关键。玻璃强度除了受钢化影 响之外，本身的料方组成起到关键的决定作用。市面上主流的保护盖板玻璃采用普通钠钙 硅酸盐体系或高碱高铝硅酸盐体系进行化学钢化达到增强的目的，较新型的盖板玻璃采用 无色蓝宝石切片作为保护盖板。然而上述体系均存在较大缺陷。
[0003] 普通钠钙玻璃进行离子交换后，无法达到足够的应力层深度和较高的表面压缩应 力，抵抗机械变形的能力（硬度)较弱，抗刮擦能力较差；高碱高铝硅酸盐玻璃引入高含量 ai2〇3之后加速了离子交换的进程和深度，抗刮擦能力得以提高，但是ai2〇 3替代Si02之后降 低了玻璃结构的开放程度，具有刚性结构，可抵抗形变，导致断裂韧性减小、脆性增加、手机 等手持显示装置碎屏事件时有发生。另一方面，高含量Al 2〇3的引入快速增加了玻璃的熔化 难度，粘度为200泊时的温度往往超过1550 °C，甚至1600 °C，甚至1650 °C以及更高，工业制造 难度较大;蓝宝石是硬度仅次于钻石的物质，其莫氏硬度为9，抗刮擦能力优于强化玻璃，但 是脆性过大，遇到冲击容易破碎，目前只是在摄像头保护玻璃等小尺寸器件表面使用，智能 手机屏幕等大尺寸保护表面存在易碎的风险，尚无推广应用。
[0004]在柔性显示领域，柔性显示器件主要由基板、中间显示介质、封装三层组成。基板 衬底材料可由玻璃、有机聚合物、金属等材料制得，目前来说各有优劣，尚无完美解决强度 与韧性统一的方案。与柔性材料如聚合物与金属箱相比，厚度〈0.1mm的超薄玻璃是一种配 方高度优化的玻璃材料，其阻隔水汽和氧气的性能优异，具有优良的耐化性和机械性能，还 具有较低的热膨胀和较高的热稳定性。它最大的优势是在于镀膜技术的成熟性和兼容性。 目前主流AMLCD、AM0LED均在玻璃基板上制作TFT，相关技术、设备和产业链已非常成熟，兼 容性非常理想，必将大大降低生产成本，但是作为脆性材料的超薄玻璃，降低其脆性是料方 层面需要突破的问题之一。在柔性封装盖板材料方面，可化学钢化的低脆性超薄柔性盖板 玻璃在强度、气密性等方面远胜聚合物材料，但是同样存在玻璃材料无法避免的脆性问题， 因此在料方层面降低脆性、提高柔韧性仍是重要课题之一。
[0005]由于共价键的方向性和饱和性，玻璃在受到外力时，仅能产生纳米级别的塑性变 形区域，冲击力是在很小的面积上分布，从而产生高应力，超过玻璃强度极限，使玻璃破裂， 此即玻璃脆性所致。玻璃的断裂韧性Κκ是指其抵抗裂纹扩展的能力。裂纹的扩展与玻璃表 面裂纹尖端集中有关，取决于玻璃的断裂能、裂纹尺寸和外应力的大小。Κκ达到某一临界 值，裂纹发生失稳扩展，导致脆性断裂。线弹性断裂力学中，断裂韧性Κκ可用下式表示：
[0006] Kic = Y〇(jtc)1/2 = 2( γΕ)1/2
[0007] Υ为常数;〇为外加应力；c为裂纹半长度；γ为断裂能;Ε为杨氏模量。I型指施加于 裂纹界面相垂直方向的张应力。
[0008] 脆性值Bl为维氏硬度Hv与断裂韧性Κκ的比值，即：
[0009] Bl = Hv/Kic
[0010] 不同组成的玻璃脆性值有较大差别，石英玻璃脆性值较大，约为8.8ym1/2,钠钙 玻璃脆性值约为6.5μηι 1/2,硼娃酸盐玻璃脆性值在10~4μηι1/2之间，根据成分不同有较大变 化。石英玻璃中Si-Ο键合力强且长程无序，很难产生塑性切变，故硬度高且脆性大，用硼或 碱金属代替一部分Si0 2,硅氧网络产生断键，塑性切变较易产生，故硬度有所下降、脆性降 低；用Al2〇3替代Si0 2之后降低了玻璃结构的开放程度，具有刚性结构，可抵抗形变，导致断 裂韧性减小，脆性增加，目前高铝高碱硅酸盐盖板玻璃存在强度大、脆性大的特点。
[0011] 等离子显示器是继CRT之后的新一代显示器。由于该器件具有一系列优点，如视角 广、薄型、图像无畸变、响应速度快、寿命长、具有较好的发光效率和亮度、有存贮功能、宜制 作大尺寸等，它曾一度是公认的实现高清晰度数字电视和大屏幕壁挂电视最有希望的器件 之一。然而，由于LCD技术的蓬勃发展，PDP显示行业遇到强烈的冲击，其市场份额正在逐步 缩小；另一方面，随着已售出PDP显示装置使用寿命到期，电子废弃物绿色处理已经开始提 上日程。由于rop基板玻璃组成的特殊性，很难在其他品种玻璃的工业化生产中回收利用， 在电子玻璃回收处理方面具有较多困难，如果能将其利用到某种可进行钢化的玻璃组分 中，不仅能最大限度提升其循环利用价值，而且对废弃物无害化处理带来极大便利，有利于 减轻环境压力。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的是为了克服现有技术中的上述缺陷，提供一种玻璃用组合物、低脆 性化学强化玻璃及其制备方法和应用。
[0013] 为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种玻璃用组合物，以该组合物的重 量为基准，该组合物含有40-60wt % 的 Si02、15-35wt % 的 B2〇3、l_7wt % 的 Ah〇3、10_17wt % 的 Na20、0_4wt% 的 K20、8-15wt% 的 Mg0、0-6wt% 的 Ca0、0.01-3wt% 的Sr0、0.01-3wt% 的 BaO 和 l_8wt% 的 ZnO。
[0014] 第二方面，本发明提供了一种制备低脆性化学强化玻璃的方法，该方法包括将本 发明所述的玻璃用组合物依次进行熔融处理、成型处理、退火处理和机械加工处理，优选 地，该方法还包括对机械加工处理得到的产物进行化学强化处理。
[0015] 第三方面，本发明提供了上述方法制备得到的低脆性化学强化玻璃。
[0016] 第四方面，本发明提供了本发明所述的玻璃用组合物或低脆性化学强化玻璃在制 备显示器件和/或太阳能电池中的应用。
[0017] 本发明的玻璃用组合物，为一种具有良好化学强化效果的低脆性玻璃料方，属于 硼硅酸盐玻璃体系，适用于浮法、溢流法、压延法、下拉法等各种常规玻璃制造方法用于生 产厚度>0.1mm的平板玻璃或厚度〈0.1mm的柔性玻璃（即一次成型法得到厚度〈0.1mm的柔性 玻璃），或者适用于二次熔融拉薄的方法用于生产厚度〈0.1mm的柔性玻璃。本发明制备得到 的玻璃，钢化效果好，具有较高的应变点、较高的弹性模量、较低的熔化温度、较高的热膨胀 系数、较低的脆性，并同时兼具良好的强度和韧性，适合进行大规模工业生产，同时可兼容 PDP基板生产并解决TOP玻璃废弃物回收利用问题。
[0018] 根据本发明的一种优选实施方式，玻璃用组合物中含有特定含量的Si〇2、B2〇3、 △120 3、似20、1(20、1%0工&0、3"、8 &0和2110，利用此玻璃用组合物制备得到的玻璃，弹性模量 高于75GPa，密度低于2.5g/cm 3，50-350°C范围内的热膨胀系数介于45 X 10-T/°C-70 X 10一7/ °C，应变点温度高于550°C，软化点高于790°C，退火点高于580°C，粘