一种高铝硅玻璃及其制备方法及应用与流程

1.本发明属于玻璃技术领域，具体涉及一种高铝硅玻璃及其制备方法及应用。


背景技术：

2.随着电子显示产业快速发展，电子显示基板、盖板、导光板等电子玻璃及智能玻璃的应用领域越来越广，用户对产品性能的要求也越来越高。化学强化是提高玻璃性能的重要途径之一，通过化学强化可提高玻璃的机械强度、耐磨性、热稳定性和化学稳定性，以及降低玻璃表面的脆性。盖板玻璃是电子产品显示面板的重要组成部分，对显示面板起到支撑保护的作用，现有技术中，电子显示面板的表面在受到摩擦、刻划时影响其显示效果，容易出现破损和表面划伤的情况。


技术实现要素：

3.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高铝硅玻璃及其制备方法及应用，所述高铝硅玻璃具有较高的机械强度和较好的抗冲击能力，具有良好的耐磨性、热稳定性、化学稳定性和抗损伤性。
4.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
5.本发明提供了一种高铝硅玻璃，按摩尔百分比计，其原材料包括以下组分：sio2，58～70％；al2o3，8～18％；li2o，5～11％；na2o，5～14％；k2o，0～2.5％；zno，0～2.5％；p2o5，0.5～7％；sno，0～0.2％。
6.本发明进一步，所述li2o，na2o和k2o的摩尔百分数之和与al2o3的摩尔百分数的比值为1:(1～2)。
7.本发明进一步，所述li2o，na2o和k2o的摩尔百分数之和大于等于al2o3与p2o5的摩尔百分数之和。
8.本发明进一步，所述al2o3与p2o5的摩尔百分数之和为8～23％。
9.本发明进一步，所述高铝硅玻璃的厚度为0.4～2mm。
10.本发明进一步，所述高铝硅玻璃的表面产生压缩应力cs大于800mpa，压缩应力层dol大于100μm，四点弯曲强度大于700mpa，抗冲击强度大于0.25j。
11.任意一项所述的一种高铝硅玻璃的制备方法，包括以下步骤：
12.s1：将所述原料进行混合，得到混合物，而后将混合物进行升温熔融、澄清、均化、成型、退火，获得玻璃样块；
13.s2：所述玻璃样块经过线切割、cnc、研磨、抛光以及化学强化，得到高铝硅玻璃。
14.本发明进一步，所述s2中，所述化学强化包括第一次强化与第二次强化；所述第一次强化的混合熔融盐由30～100wt％硝酸钠与0～70wt％硝酸钾组成；所述第二次强化的混合熔融盐由0～20wt％硝酸钠与80～100wt％硝酸钾组成。
15.本发明进一步，所述第一次强化的温度为380℃～470℃，第一次强化的时间为1.5h～6h；所述第二次强化的温度为370℃～460℃，第二次强化的时间为0.5h～3h。
16.本发明进一步，任意一项所述的一种高铝硅玻璃的应用，所述高铝硅玻璃作为电子显示面板的保护盖板玻璃。
17.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
18.本发明公开了一种高铝硅玻璃，所述玻璃包括sio2、al2o3、li2o、na2o、k2o、zno、p2o5、sno，通过调整各组分含量以及化学澄清剂的用量使得高铝硅玻璃具有较高的机械强度和较好的抗冲击能力，具有良好的耐磨性、热稳定性和化学稳定性。其中，p2o5属于玻璃网络形成体氧化物，以[po4]四面体相互连成网络，属于层状结构，进而有利于化学强化中的离子交换，同时具有抗损伤性。但较多含量的p2o5不利于玻璃表面的化学稳定性，增加玻璃失透的倾向。综合考虑，本发明p2o5含量的范围需控制在0.5～7mol％。在高铝硅玻璃中加入li2o、na2o和k2o，是为了进行化学强化以获得更好的机械强度和抗冲击能力。当玻璃中加入碱金属时，会促使硅氧四面体间连接断裂，出现非桥氧，使得玻璃网络结构变得疏松，导致一系列性能变差。但玻璃中加入al2o3后，al
3+
就可以夺取非桥氧形成铝氧四面体进入网络结构中，把断网重新连接起来，使得玻璃结构趋向紧密，从而改善玻璃一系列性能。本发明通过各组分之间的特定组合，以获得具有优良综合性能的高铝硅玻璃，提高玻璃化学强化的同时，更好地作为玻璃盖板来保护智能终端产品。
[0019]
本发明提供了一种高铝硅玻璃的制备方法，所述制备方法中的两步化学强化，利用玻璃中的小离子与盐浴中的大离子进行离子交换从而在玻璃表面产生压缩应力(cs)和压缩应力层(dol)，进一步增加玻璃的机械强度和抗冲击性能。
[0020]
本发明还公开了上述高铝硅玻璃作为电子显示面板的保护盖板玻璃的应用，所述高铝硅玻璃经过二次强化后，表面产生压缩应力大、压缩应力层厚度大，且具有较高的四点弯曲强度和较好的抗冲击强度，作为电子显示面板的保护盖板玻璃可以降低损伤，避免出现显示面板破损和表面划伤的情况，具有良好的应用前景。
具体实施方式
[0021]
为使本领域技术人员可了解本发明的特点及效果，以下谨就说明书及权利要求书中提及的术语及用语进行一般性的说明及定义。除非另有指明，否则文中使用的所有技术及科学上的字词，均为本领域技术人员对于本发明所了解的通常意义，当有冲突情形时，应以本说明书的定义为准。
[0022]
本文描述和公开的理论或机制，无论是对或错，均不应以任何方式限制本发明的范围，即本发明内容可以在不为任何特定的理论或机制所限制的情况下实施。
[0023]
本文中，所有以数值范围或百分比范围形式界定的特征如数值、数量、含量与浓度仅是为了简洁及方便。据此，数值范围或百分比范围的描述应视为已涵盖且具体公开所有可能的次级范围及范围内的个别数值(包括整数与分数)。
[0024]
本文中，若无特别说明，“包含”、“包括”、“含有”、“具有”或类似用语涵盖了“由
……
组成”和“主要由
……
组成”的意思，例如“a包含a”涵盖了“a包含a和其他”和“a仅包含a”的意思。
[0025]
本文中，为使描述简洁，未对各个实施方案或实施例中的各个技术特征的所有可能的组合都进行描述。因此，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，各个实施方案或实施例中的各个技术特征可以进行任意的组合，所有可能的组合都应当认为是本说明书记载的范
围。
[0026]
本发明提供了一种高铝硅玻璃及其制备方法及应用。
[0027]
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
[0028]
下列实施例中使用本领域常规的仪器设备。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。下列实施例中使用各种原料，除非另作说明，都使用常规市售产品，其规格为本领域常规规格。
[0029]
为便于更好理解本发明锂铝硅玻璃配方的各个氧化物的化学组成，下面对实施例中各氧化物化学组成做进一步说明：
[0030]
sio2属于玻璃网络形成体，[sio4]四面体是构成玻璃的网络骨架结构的基本骨架。sio2能提高玻璃的机械强度、化学稳定性，热稳定性等。若sio2含量低于58mol％，玻璃不易成型，造成热膨胀系数增加，应变点降低，玻璃化学稳定性差。若sio2含量超过70％，玻璃的高温黏度增加，熔制温度过高，同时硅氧骨架结构比例偏高，网络间隙较小，不利于化学强化过程中的离子交换，影响化学强化的效率。因此，本发明sio2含量的范围需控制在58～70mol％。
[0031]
al2o3属于玻璃网络中间体，当玻璃中碱金属含量较多时，al
3+
倾向于成为玻璃铝氧四面体[alo4]，其比硅氧四面体[sio4]网络要大得多，较大的网络空隙有利于化学强化过程中的离子交换。此外，al2o3还能降低玻璃的结晶倾向，提高玻璃的热稳定性、化学稳定性、机械强度和硬度。但是al2o3含量过高，玻璃的高温黏度也明显增加，使得玻璃难以熔化。因此，本发明al2o3含量的范围需控制在8～18mol％。
[0032]
li2o作为助熔剂，在高温下能显著降低高温黏度，提高玻璃的熔融性和成型性。同时，是高铝硅二强玻璃的重要组成以及离子交换成分之一。li2o含量较高时，不仅增加了玻璃制造的成本，使得玻璃热膨胀系数显著增大，且由于li
+
的积聚作用，使得玻璃析晶倾向增加，从而使得玻璃容易失透。因此，本发明li2o含量的范围需控制在5～11mol％。
[0033]
na2o属于玻璃网络外体氧化物，能够提供“游离氧”破坏玻璃的网络结构，从而降低铝硅酸盐玻璃的黏度和熔制温度。此外，na2o是化学强化中离子交换的重要元素。当na2o的含量过高，会增大热膨胀系数，降低化学稳定性，且na2o易挥发导致玻璃成分不均一。当na2o的含量过低，不利于玻璃的熔制和成型以及na
+
与k
+
的离子交换，因而无法达到增强玻璃机械强度的目的。综合考虑，本发明na2o含量的范围需控制在5～14mol％。
[0034]
k2o和na2o同属于碱金属氧化物，在玻璃结构中的作用类似。此外，与na2o之间存在“混合碱效应”，对改善玻璃的一系列性能具有一定的作用。本发明中k2o含量范围为0～2.5mol％。
[0035]
zno属于玻璃网络中间体，当玻璃中的“游离氧”足够时，可以形成[zno4]，使得玻璃的结构更趋于稳定。适量zno能降低玻璃的热膨胀系数，提高玻璃的化学稳定性和热稳定性等。但在化学强化过程中，对离子交换也存在明显的阻碍作用。因此，本发明zno含量的范围需控制在0～2.5mol％。
[0036]
p2o5属于玻璃网络形成体氧化物，以[po4]四面体相互连成网络，属于层状结构，进
而有利于化学强化中的离子交换，同时具有抗损伤性。但较多含量的p2o5不利于玻璃表面的化学稳定性，增加玻璃失透的倾向。综合考虑，本发明p2o5含量的范围需控制在0.5～7mol％。
[0037]
除上述的氧化物之外，本发明的玻璃中含化学澄清剂，其中sno含量控制在约0～0.2mol％。
[0038]
本发明所述高铝硅玻璃还包含锂，所述锂为二强玻璃的组成元素以及离子交换成分；所述玻璃中至少含有两种碱金属氧化物，r2o为玻璃组成中li2o，na2o和k2o的摩尔百分比之和，且r2o/al2o3为1：(1～2)；al2o3和p2o5之间的摩尔百分比满足al2o3+p2o5为8～23mol％，且al2o3+p2o5≤r2o。
[0039]
在高铝硅玻璃中加入li2o、na2o和k2o，是为了进行化学强化以获得更好的机械强度和抗冲击能力。当玻璃中加入碱金属时，会促使硅氧四面体间连接断裂，出现非桥氧，使得玻璃网络结构变得疏松，导致一系列性能变差。但玻璃中加入al2o3后，al
3+
就可以夺取非桥氧形成铝氧四面体进入网络结构中，把断网重新连接起来，使得玻璃结构趋向紧密，从而改善玻璃一系列性能。
[0040]
此外，本发明采用nano3和kno3的混合熔盐对该高铝硅玻璃进行两步化学强化，其利用玻璃中的小离子与盐浴中的大离子进行离子交换从而在玻璃表面产生压缩应力(cs)和压缩应力层(dol)。即玻璃中的li
+
和na
+
与盐浴中的na
+
和k
+
进行li-na、na-k以及少量的li-k交换，在玻璃表面形成压应力层，从而增加玻璃的机械强度和抗冲击性能。
[0041]
本发明通过各组分之间的特定组合，以获得具有优良综合性能的高铝硅玻璃，提高玻璃化学强化的同时，更好地作为玻璃盖板来保护智能终端产品。
[0042]
为实现上述目的，本发明提出一种高铝硅玻璃，该玻璃按照氧化物的摩尔百分比计，包含以下组分：
[0043]
sio2，58～70％、al2o3，8～18％、li2o，5～11％、na2o，5～14％、k2o，0～2.5％、zno，0～2.5％、p2o5，0.5～7％、sno，0～0.2％，其中，r2o为玻璃组成中li2o，na2o和k2o的摩尔百分比之和，且r2o/al2o3为1:(1～2)；
[0044]
al2o3和p2o5之间的摩尔百分比满足al2o3+p2o5为8～23mol％，且al2o3+p2o5≤r2o。
[0045]
本发明提供了一种高铝硅玻璃的制备方法，包括以下步骤：
[0046]
(1)所述高铝硅玻璃的各化学组成，按照氧化物的摩尔百分比计，包含：
[0047]
sio2，58～70％、al2o3，8～18％、li2o，5～11％、na2o，5～14％、k2o，0～2.5％、zno，0～2.5％、p2o5，0.5～7％、sno，0～0.2％；
[0048]
(2)对步骤(1)中的玻璃组成混合均匀后进行高温熔融、澄清、均化、成型、退火，获得玻璃样块；
[0049]
(3)对步骤(2)中的玻璃样块进行线切割、cnc、研磨、抛光后得到所需玻璃样品尺寸，可选地，所述玻璃样品的厚度为0.4～2mm；
[0050]
(4)对步骤(3)中的玻璃样品进行一次化学强化和二次化学强化，所述一次强化在380℃～470℃的混合熔融盐中进行，强化时间为1.5h～6h；所述二次强化在370℃～460℃的混合熔融盐中进行，强化时间为0.5h～3h。
[0051]
其中，一次强化nano3盐浓度为30～100wt％，剩余为kno3盐；二次强化kno3盐浓度为80～100wt％，剩余为nano3盐。
[0052]
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0053]
实施例1
[0054]
高铝硅玻璃按照以下步骤进行制备：
[0055]
(1)所述高铝硅玻璃的各化学组成，按照氧化物的摩尔百分比计，包含：
[0056]
sio2，62.10％、al2o3，15.51％、li2o，7.80％、na2o，10.90％、k2o，0％、zno，1.05％、p2o5，2.55％、sno，0.09％；
[0057]
(2)对步骤(1)中的玻璃组成混合均匀后进行高温熔融、澄清、均化、成型、退火，获得玻璃样块；
[0058]
(3)对步骤(2)中的玻璃样块进行线切割、cnc、研磨、抛光后得到所需玻璃样品尺寸，可选地，所述玻璃样品的厚度为0.7mm；
[0059]
(4)对步骤(3)中的玻璃样品进行一次化学强化和二次化学强化，所述一次强化在390℃的混合熔融盐中进行，强化时间为2.5h；所述二次强化在380℃的混合熔融盐中进行，强化时间为0.75h。
[0060]
其中，一次强化nano3盐浓度为36wt％，剩余为kno3盐浓度为64wt％；二次强化kno3盐浓度为97wt％，剩余为nano3盐浓度为3wt％。
[0061]
实施例2
[0062]
高铝硅玻璃按照以下步骤进行制备：
[0063]
(1)所述高铝硅玻璃的各化学组成，按照氧化物的摩尔百分比计，包含：
[0064]
sio2，62.10％、al2o3，15.51％、li2o，7.80％、na2o，10.90％、k2o，0％、zno，1.05％、p2o5，2.55％、sno，0.09％；
[0065]
(2)对步骤(1)中的玻璃组成混合均匀后进行高温熔融、澄清、均化、成型、退火，获得玻璃样块；
[0066]
(3)对步骤(2)中的玻璃样块进行线切割、cnc、研磨、抛光后得到所需玻璃样品尺寸，可选地，所述玻璃样品的厚度为0.8mm；
[0067]
(4)对步骤(3)中的玻璃样品进行一次化学强化和二次化学强化，所述一次强化在390℃的混合熔融盐中进行，强化时间为2.5h；所述二次强化在380℃的混合熔融盐中进行，强化时间为0.75h。
[0068]
其中，一次强化nano3盐浓度为36wt％，剩余为kno3盐浓度为64wt％；二次强化kno3盐浓度为97wt％，剩余为nano3盐。
[0069]
将强化后的玻璃样品通过wbe-9000c弯曲强度试验机测试玻璃的四点弯曲强度，以及wh-2104-a全自动落球冲击试验机测试玻璃的落球承受高度，采用64g钢球，五点一次，若样品均不破裂，每次升高100mm，进行极限测试。测试结果如下表所示。
[0070]
其余实施例与实施例1的步骤相同，其中所用到的参数参见表格中的数据，如表1至6所示。
[0071]
表1各实施例高铝硅玻璃的化学组成、强化工艺及性能
[0072][0073]
表2各实施例高铝硅玻璃的化学组成、强化工艺及性能
[0074][0075]
表3各实施例高铝硅玻璃的化学组成、强化工艺及性能
[0076][0077]
表4各实施例高铝硅玻璃的化学组成、强化工艺及性能
[0078][0079]
表5各实施例高铝硅玻璃的化学组成、强化工艺及性能
[0080][0081]
表6各实施例高铝硅玻璃的化学组成、强化工艺及性能
[0082][0083]
由以上实施例可知，本发明中所述高铝硅玻璃经过二次强化后，表面产生压缩应力cs≥800mpa、压缩应力层dol≥100μm，且具有较高的四点弯曲强度≥700mpa和较好的抗冲击强度≥0.25j，更好地适用于各种显示用保护玻璃。
[0084]
以上实施例仅为本发明的可选实施例，其详尽叙述了具体的细节，但并没有限制该发明仅为所述的实施方式，显而易见，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。因此，对本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。