本发明属于玻璃材料技术领域，具体涉及一种二步法化学强化碱铝硅酸玻璃组合物及其制备方法。
背景技术：
随着触摸屏和显示器市场的发展和需求，带动了触摸屏和显示器盖板玻璃迅速发展和需求。伴随人们对智能手机等移动终端装置外观以及性能的追求，盖板玻璃从传统的2d外形，逐步向2.5d、3d外形过渡。这也对作为保护屏幕用的盖板玻璃性能提出了更为苛刻的要求。但是，普通的硅酸盐玻璃强度还是不能满足日常使用需求，如手机的多次跌落以及与尖锐物体的碰撞等，都会造成屏幕的破损。要求盖板玻璃需要具有高的抗断裂、抗弯曲以及抗摔落性能，对于厚度小于1mm的盖板玻璃，一般需要通过化学钢化处理使玻璃具有表面压应力（compressivestress,简称cs）和一定深度的离子交换层（depthoflayer,简称dol），同时具有较高的cs和dol玻璃可以有效的抑制玻璃表面缺陷扩展，从而提高玻璃表面硬度、抗刮伤性以及抗摔落性能。
而本发明研究获得通过二步法化学强化实现高的cs和dol，比如可以通过li离子与na离子交换达到较高的dol，通过na离子与k离子交换达到较高的cs来实现，因此，可以在铝硅酸盐玻璃中加入li离子形成锂铝硅酸盐玻璃通过二步离子化强工艺来实现高cs和dol的要求。
专利cn102099380b提供一种强化玻璃，所述强化玻璃含有0～3wt%li2o,并指出li2o是离子交换成分。但此专利并未提出li2o用于二步化学强化，且未提及li2o在化学强化过程中的作用和效果。当玻璃在含nano3熔盐中进行li离子与na离子交换时，玻璃组成中必须具有足够高的li2o成分，以便有足够的li离子和na离子进行交换，能快速获得具有高dol值的玻璃。如果玻璃中li2o含量过低，li离子和na离子交换能力不足，且含nano3熔盐中li离子一旦过高，li离子和na离子交换几乎停止交换，因而难以快速获得高dol值强化玻璃。
技术实现要素：
本发明目的在于提供一种二步法化学强化碱铝硅酸玻璃组合物，以来提高玻璃的表面硬度、抗刮伤性以及抗摔落性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
所述二步法化学强化碱铝硅酸玻璃组合物，其组成以摩尔百分比计包括：
53-65%的sio2，
16-22%的al2o3，
0.01-0.5%的b2o3，
4-8%的li2o，
8-14%的na2o，
0.01-1%的k2o，
0.01-3%的mgo，
0-1%zno，
0-4%的p2o5，
0-0.1%的sno2；
其中，组成以摩尔比计，0.3＜li2o/na2o＜0.9，以及0.25＜al2o3/sio2＜0.35。
所述二步法化学强化碱铝硅酸玻璃组合物的制备方法步骤包括：
（1）依照各物质的质量比称量原料组成，原料称重混合后，以获得均匀的配料；
（2）然后将配料从塑料瓶中转移至约800ml铂坩埚中，将铂坩埚置入硅钼棒高温炉炉内，逐渐升温至1650℃，持温4-6h，通过搅拌加速玻璃气泡排出和使玻璃均化消除；
（3）在熔融后，将熔融液倒入至耐热不锈钢模具进行成型，然后取出玻璃块并移入箱式退火炉内进行600℃2小时的热处理，随后以小于1℃/分的速率降至550℃，之后自然冷却至室温，得到玻璃片。
（4）将玻璃切割成薄片后抛光，进行二步法化学强化，其过程为：先将玻璃薄片进250℃～300℃预热处理后，再玻璃制品浸泡在380℃～390℃nano3和kno3的混合熔盐中，浸泡时间0.5-4h，最后将玻璃薄片取出浸泡在400～450℃kno3熔盐中，浸泡时间为0.4-4h，即可获得二步法化学强化碱铝硅酸玻璃。sio2是形成玻璃的网格的成份，其含摩尔含量为53-65mol%，sio2含量的提高有助于玻璃轻量化，化学稳定性改进，玻璃的机械性能将得到改善。但随着sio2含量的增加高温粘度将升高，将不利于生产。玻璃中过低的sio2浓度会导致玻璃的耐化性能和表面机械性能趋于劣化，所以sio2含量定为53-65mol%，更优为58-64mol%。
al2o3对离子交换起加速作用，同时可以提高玻璃的机械性能。这是由于在碱铝硅酸盐玻璃中，碱金属引入的非桥氧与al3+形成铝氧四面体[alo4]，该铝氧四面体较硅氧四面体[sio4]体积更大，在玻璃结构中会产生更大的空隙，而有利于离子交换的进行，最终得到化学钢化效果更佳的产品。但al2o3属于极难熔氧化物，其能快速提高玻璃粘度，致使玻璃澄清均化难度加大，玻璃成型困难。玻璃中加入li2o虽然可以有效地减低玻璃粘度，可以增加al2o3的含量。因此，玻璃中al2o3含量定为16-22mol%，更优为19-21%。
li2o是实现二步法化学强化的交换离子最关键组成。玻璃组成中必须具有足够高的li2o成分，确保玻璃在含nano3熔盐中进行li离子与na离子交换时，有足够的li离子和na离子进行交换，能快速获得具有高dol值的玻璃。如果玻璃中li2o含量过低，li离子和na离子交换能力不足，且含nano3熔盐中li离子一旦过高，li离子和na离子交换几乎停止交换，因而难以火大高dol值强化玻璃。本发明通过大量实验发现，当玻璃中li2o浓度高于4mol%时，玻璃中li离子和na离子交换效果明显提高，能快速获得具有高dol值的强化玻璃；同时得li2o可使玻璃粘度特性快速下降，尤其是降低高温粘度明显，有利于玻璃熔化与澄清，为玻璃中高浓度的al2o3浓度提供可能性。但是高的li2o减低玻璃的稳定性，使玻璃容易析晶失透，玻璃成型困难，因此，本发明中li2o浓度低于8mol%，优选4-8mol%。
na2o是通过离子交换形成表面压应力层的主要成分，通过na离子与k离子交换在玻璃表面达到较高的表面压应力和压应力层；同时作为网络外体，其在玻璃结构中起到断网的作用，有助于玻璃熔化；但过多的na2o会引起玻璃一系列性能如耐化学性、力学性能等变差，本发明的na2o的量控制在8-14mol%，优选为在10-12mol%.
k2o属于玻璃网络外体成分，降低玻璃粘度作用；可以与na2o产生“混碱效应”，对改善玻璃的物化性能其一定作用，但k2o含量过高，玻璃化强过程中应力松弛量明显增加。本发明k2o含量为0.01-1mol%。
mgo、zno同属二价阳离子氧化物，且均是网络外体，引入一定量均能促进玻璃的熔化。mgo引入过多可导致玻璃疏松，密度下降，硬度降低。mgo还能降低结晶倾向和结晶速度，提高玻璃的化学稳定性。但其含量不应过多，否则会造成玻璃容易析晶和膨胀系数过高。本发明mgo的含量为0.01-3mol%，优选为1-3%。zno是提高离子交换，提高表面压应力值的成份，同时也是降低低温粘性和提高玻璃耐碱性的成份。如果zno含量过多，容易造成玻璃分相、降低耐失透性、提高密度，因此本发明中zno为含量0-1mol%。
本发明引入一定量的b2o3主要是降低高温粘度，而且还可以提高玻璃的机械性能，本发明引入0.01-0.5mol%的b2o3。
本发明中引入一定量的p2o5，将会加速玻璃离子交换速度，另外还可以降低玻璃的熔化温度。但是p2o5其以[po4]四面体相互连成网络，但p2o5形成的网络结构属于层状，且层间由范德华力相互连接，因此，玻璃中p2o5具有粘度小，化学稳定性差和热膨胀系数大作用。本发明引入0-4mol%的p2o5，优选1-3mol%的p2o5。
为获得玻璃高表面压应力和表面应力层深，本发明中优选0.3＜li2o/na2o＜0.9，且0.25＜al2o3/sio2＜0.35（摩尔比）。
本发明中sno2作为玻璃中含化学澄清剂，其中sno2浓度控制在0～0.1mol%。
本发明的显著优点在于：
本发明通过优化玻璃配方，在玻璃中进入锂和磷组成，通过二步法化学强化，是玻璃具有较高的表面压应力和较深的离子交换层，从而提高玻璃的在表面硬度、抗刮伤性以及抗摔落性能。
具体实施方式
为进一步公开而不是限制本发明，以下结合实例对本发明作进一步的详细说明。
表1为本发明的一些实例，按照表1中的各氧化物的摩尔百分比称量玻璃原料，原料称重放入塑料瓶中混合，以获得均匀的混合料；然后将配合料从塑料瓶中转移至800ml铂坩埚中，将铂坩埚置入硅钼棒高温炉炉内，逐渐升温至1650℃，保温4-6h，通过搅拌加速玻璃气泡排出和使玻璃均化消除。在熔融后，将熔融液倒入至耐热不锈钢模具进行成型，然后取出玻璃块并移入箱式退火炉内进行600℃2小时的热处理，随后以小于1℃/分的速率降至550℃，之后自然冷却至室温。
将玻璃切割成薄片后抛光，进行二步法化学强化，其过程为：先将玻璃薄片进250℃～300℃预热处理后，再玻璃制品浸泡在380℃～430℃熔盐中，所述熔盐为kno3，或者nano3和kno3的混合熔盐，浸泡时间2-6h，最后将玻璃薄片取出浸泡在380～430℃熔盐中，所述熔盐为kno3，或者nano3和kno3的混合熔盐，浸泡时间为2-6h。即可获得二步法化学强化碱铝硅酸玻璃。
玻璃样品的物理性质如表1所示。其定义及解释如下所示：
a.密度，根据astmc693阿基米德法测试，环境温度为22±0.5℃；
b.液相温度，即采用玻璃在温差炉中失透的最高温度表示，通常失透过程时长为24小时；
c.软化点温度，玻璃粘度为软化点温度107.6泊时的温度，根据astmc-338纤维伸长检测方法测量；
d.退火点温度，玻璃粘度为1013泊时的温度，根据astmc-336纤维伸长检测方法测量；
e.应变点温度:玻璃粘度为1014.5泊时的温度，根据astmc-336纤维伸长检测方法测量；
f.cs1、dol1为玻璃离子交换后采用fsm-6000le表面应力仪利用光波导技术测试玻璃的cs1、dol1
g.dol2为玻璃离子交换后采用slp-1000表面应力仪利用散射光弹性技术测dol2值。
表1实例1-10玻璃组成
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。