一种高轻度高铝高碱铝硅酸盐超薄玻璃的组成 (2)

发明名称:
一种高强度高铝高碱铝硅酸盐超薄玻璃的组成
摘要:
本发明公开了一种高强度高铝高碱铝硅酸盐超薄玻璃的组成及重量百分比：SiO2 59.0～62.0%、Al2O3 16.0～18.0%、Fe2O3 0.01～0.03%、CaO 0.15～0.6%、MgO 3.0～4.0%、K2O 3.0～4.5%、Na2O 13.0～15.0%、Sb2O3 0.3～0.5%、ZrO 0.5～1.0%。

它是一种适合于化学强化的高强度高铝高碱玻璃，厚度：0.3～1.3mm，钢化后的表面强度是普通钠钙硅玻璃的6倍，具有优良的力学性能，尤其在硬度、韧性和抗划伤等方面表现突出。

因此本发明将是具有触摸屏幕和手写功能的手机、电脑等电子产品的优选保护盖板材料，能有效提高其显示效果和延长使用寿命。

触摸屏构造图
触摸屏盖板高铝玻璃保护罩部分
触摸屏传感器
触摸传感器部分
ITO玻璃
TFT基板玻璃
液晶
液晶显示部分
TFT基板玻璃
触摸屏盖板高铝玻璃保护罩部分
权利要求书
1、一种高硬度的超薄玻璃，其特征是：玻璃组成及重量百分比为：SiO2 59.0～62.0%、Al2O3 16.0～18.0%、Fe2O3 0.01～0.03%、CaO 0.15～0.6%、MgO 3.0～4.0%、K2O 3.0～4.5%、Na2O 13.0～15.0%、Sb2O3 0.3～0.5%、ZrO 0.5～1.0%。

2、如权利要求1所述的玻璃组合物，为提高玻璃硬度和机械强度，铝的含量至少在16%以上。

3、如权利要求1所述的玻璃组合物，玻璃组成中含极少量的氧化铁，为了提高玻璃的透过率，以及提高玻璃液在熔化、澄清以及成型、退火时的透热性。

4、如权利要求1所述的玻璃组合物，玻璃组分中降低 K2O的含量，大幅度增加Na2O 的含量，化学钢化时有利于钾离子置换玻璃中的钠离子，使玻璃表面产生巨大的压应力，实现玻璃力学性能的强化。

5、如权利要求1所述的玻璃组合物，玻璃组分中降低CaO含量，增加MgO含量，因为MgO能使玻璃趋于稳定，提高玻璃的耐久性，防止玻璃产生结晶，抑制玻璃中碱金属离子的移动，也同样具有提高玻璃弹性模量的功能，优选质量分数3.0～4.0%。

CaO在玻璃中使用的缺点在于，如果大量使用会造成失透。

所以本发明中引入的氧化钙的量较少。

说明书
一种铝硅酸盐超薄玻璃的组成
技术领域
本发明属于一种高强度高铝高碱的铝硅酸盐超薄玻璃，厚度：0.3～1.3mm，具有很高的硬度、韧性和抗划伤性能，化学钢化后的表面强度是普通钠钙硅玻璃的6倍，适合于用作具有触摸屏或手写功能的手机、电脑等电子产品的优选保护盖板材料。

背景技术
玻璃的基本结构主要由玻璃网络形成体、网络外体氧化物和中间体氧化物组成。

玻璃网络形成体，如SiO2、B2O3、P2O5等能单独形成玻璃;网络外体氧化物，如Na2O、K2O、CaO、MgO等不能形成玻璃，但能改变网络结构，从而使玻璃的性能发生改变；中间体氧化物，如Al2O3、TiO2等，其作用介于网络形成体和网络外体氧化物之间，根据整体组分特点参与组成网络，或者在网络之外，从而影响玻璃的性质。

玻璃组分直接影响到玻璃体的高温粘度，而高温粘度又直接影响到应变点、作业温度、反应产物的扩散以及随后的澄清、均化等过程，因此，玻璃组成是关系到所要生产的玻璃类型、玻璃性能、玻璃质量优劣的关键因素。

玻璃组分有硅酸盐玻璃组分、硼酸盐玻璃组分和磷酸盐玻璃组分等。

本发明的高铝高碱玻璃属于硅酸盐系列，它主要以SiO2为网络形成体，网络外体氧化物有碱金属氧化物Na2O和K2O，二价金属氧化物CaO和MgO，还有网络中间体氧化物Al2O3等。

随着美国苹果公司推出iPhone手机和iPad平板电脑，极大地促进了触摸屏的市场化进程，由于触摸屏技术广泛应用于轻薄化电子显示产品，因此触摸屏表面保护玻璃的厚度要求小于1mm，要求厚度差小于30μm，平整度要求波纹度小于0.15μm/20mm，该玻璃材料属于一种高精度超薄产品。

超薄玻璃的厚度一般为0.1～1.1mm，主要被用于电子信息行业的玻璃基板材料，该领域生产工艺流程对于玻璃原片质量有着非常严格的要求。

本发明是一种高强高铝高碱铝硅酸盐超薄玻璃，厚度：0.3～1.3mm,主要用于手机、电脑等电子设备
显示屏的防护玻璃基板，有较高的机械强度和硬度要求，另外玻璃的点状缺陷、厚薄差和微观波纹度、翘曲会对其产品性能产生重大影响，所以玻璃成分设计尤其关键。

玻璃成分对玻璃材料或产品的功能、性质和成本均产生重大的影响。

玻璃成分与生产工艺密切关系，通常根据设计的成分来选择生产工艺，玻璃成分设计不当，造成熔化困难，熔制时发生结石、条纹、气泡等缺陷，实际生产中时有发生。

还有，玻璃成分设计必须考虑工艺性能需要。

通常使设计玻璃成分达到易于熔化，符合成形、加工和退火等操作要求。

最后，在设计成分时必须考虑到原料的质量稳定性和大量供应问题。

本发明的高铝高碱铝硅酸盐超薄玻璃属于极难融化澄清和成型的玻璃，采用的生产工艺主要有浮法和溢流法，浮法工艺要采用真空排泡技术。

发明内容
本发明的目的是提出一种铝硅酸盐超薄玻璃，主要是以SiO2为网络形成体，突出特点是氧化铝所占百分比高，从而使玻璃具有良好的化学稳定性，热稳定性、机械强度和硬度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：本发明用于超薄玻璃生产的铝硅酸盐玻璃的组成及重量百分比为：SiO2 59.0～62.0%、Al2O3 16.0～18.0%、Fe2O3 0.01～0.03%、CaO 0.15～0.6%、MgO 3.0～4.0%、K2O 3.0～4.5%、Na2O 13.0～15.0%、Sb2O3 0.3～0.5%、ZrO 0.5～1.0%。

上述组分中，SiO2是重要的玻璃形成氧化物，以硅氧四面体的结构组元形成不规则的连续网络，成为玻璃的骨架。

它不但可以形成玻璃，而且能提高玻璃的机械强度、化学稳定性、热稳定性等，但它又是较难熔化的物质，因此SiO2含量有其最适宜的值。

若含有率低于40%则无法充分的得到该效果。

另一方面，若含有率超过70%，则玻璃容易发生失透，成形困难，并且粘性上升，难以使玻璃均质化。

所以本发明的SiO2含量优选59～62%是合适的。

Al2O3是中间体氧化物，能参与网络起网络生成体作用，能降低玻璃的结晶倾向，能提高玻璃的粘度，提高玻璃的化学稳定性、热稳定性、机械强度、硬度和折射率。

它也是提高玻璃弹性模量的必要成分，根据表面硬度的要求，优选质量分数大于16%。

另一方面，由于氧化铝比较难熔，本发明的玻璃有较高的熔化温度。

同时，引入氧化钾、氧化钠、氧化钙、氧化镁等助熔剂，并调节它们的合适比例，以达到助熔的最佳效果。

氧化钾和氧化钠是网络外体氧化物，引入后能使硅氧四面体［SiO4］所形成的网络松弛、断裂，从而解决了SiO2难熔化的问题，可以作为助熔剂，使得玻璃熔融温度下降，优选质量分数15%以上，并且Na2O质量分数要大于K2O质量分数，这样才有利于钾离子置换玻璃中的钠离子，使玻璃表面产生巨大的压应力，实现玻璃力学性能的强化。

而且Li2O、K2O和Na2O之中，在玻璃中移动速度最慢的是K2O，但是在玻璃组成物中由于使Li2O或Na2O与K2O共存，从而能够抑制Li离子或Na的移动速度，即通过使多个碱金属氧化物共存，能够得到提高玻璃组成物的化学的耐久性的效果，而且与含有一种碱金属氧化物的情况相比，能够得到更优异的澄清效果。

同时，氧化钾能降低玻璃的析晶倾向，增加玻璃的透明度和光泽。

当氧化钾和氧化钠总量太低时，造成玻璃融化困难；总量太高时，热膨胀系数将大幅度提高，应变点显著降低。

因此氧化钾和氧化钠应有合适的含量，本发明中优选K2O3.0～4.5% Na2O13.0～15.0%。

组分中设计较低的含铁量，为了提高玻璃本身的透过率，同时提高玻璃液在熔化、澄清以及成型、退火时的透热性。

为保证玻璃液流的稳定，严格控制玻璃的总氧化铁含量。

为保证玻璃液透热性的一致，采取控制玻璃液中亚铁的方式。

通过对组分中的铁含量及全铁/亚铁的严格控制，提高了玻璃的内在质量和外在质量。

本发明的氧化铁质量含量为0.01～0.03%。

氧化钙CaO、氧化镁MgO是网络外体氧化物，引入后也能使硅氧四面体［SiO4］所形成的网络松弛、断裂，但作用没有Na2O、K2O明显，故它们的引入从助熔效果看没有氧化钠、氧化钾好，但在改善玻璃的机械强度、化学稳定性和热稳定性方面又比氧化钾、氧化钠优越。

MgO也能使玻璃趋于稳定，提高玻璃的耐久性，防止玻璃产生结晶，抑制玻璃中碱金属离子的移动，也同样具有提高玻璃弹性模量的功能，优选质量分数3～4%。

钙在玻璃中使用的缺点在于，如果大量使用会造成失透。

所以本发明中引入的氧化钙的量较少。

氧化锆ZrO系增进玻璃的熔度的成分，能显著提高玻璃的弹性、化学稳定性及耐热性，另外，它也是很好的除气剂。

如果少量加入该组分对降低失透温度，因此防止结晶并提高化学耐久性有效。

当玻璃组合物中氧化锆的含量小于2%时，失透温度增高得以防止，并且可容易的制备不会失透的玻璃，此外，玻璃的熔融温度变低，且变得容易均匀的熔融该玻璃。

所以本发明中氧化锆含量优选0.5～1.0%。

锑Sb是在玻璃组成物中起着澄清剂的作用的成分，但若玻璃组成中氧化锑Sb2O3的含量少于0.01%，则得不到充分的效果；另一方面，若超过1.5%，由于存在二次加工的加热处理的再沸腾问题，所以有需要将其含量作成1.5%以下。

另外，考虑到再沸腾的稳定性，优选质量分数在0.7%以下，所以本发明选择在0.3～0.5%之间。

固体物质的强度主要由各质点的键强及单位体积内键的数目决定。

对不同化学组成的玻璃来说，其结构间的键力及单位体积的键数是不同的，因此强度的大小也不同。

对硅酸盐玻璃来说，桥氧与非桥氧所形成的键，其强度不同。

石英玻璃中的氧离子全部为桥氧，Si—O键力很强，因此石英玻璃的强度最高。

就非桥氧来说，碱土金属的键强比碱金属的键强要大，所以含大量碱金属离子的玻璃强度最低。

单位体积内的键数也即结构网络的疏密程度，结构网稀，强度就低。

在玻璃组成中加入少量Al2O3或引入适量B2O3（小于15%），会使结构网络紧密，玻璃强度提高。

此外CaO、BaO、PbO、ZnO 等氧化物对强度提高的作用也较大，MgO、Fe2O3等对抗张强度影响不大。

玻璃的抗张强度范围为：(34.3～83.3)×106Pa，各组成氧化物对玻璃抗张强度提高作用顺序为：
CaO> B2O3> Al2O3> PbO >K2O > Na2O>（MgO、Fe2O3）
各组成氧化物对玻璃抗压强度提高作用顺序为：
Al2O3>（SiO2、MgO、ZnO）B2O3> Fe2O3>（BaO、CaO、PbO）> Na2O > K2O
（括弧中的成分作用大致相同），可见氧化铝对提高玻璃的机械强度作用明显。

玻璃中的残余应力，特别是分布不均匀的残余应力，使强度大为降低。

实验证明，残余应力增加到1.5～2倍时，抗弯强度降低9～12%。

玻璃进行钢化后，使其表面产生均匀的压应力、内部形成均匀的张应力，则能大大提高制品的机械强度。

经过钢化处理的玻璃，其耐机械冲击和热冲击的能力比经良好退火的玻璃要高5～10 倍。

本发明玻璃组分中降低 K2O的含量，大幅度增加Na2O的含量，以利于化学
钢化。

玻璃本身的应力量可以用下式表示：
W=K(ρ/E)(L/t2)
K系数，ρ为玻璃密度，E为杨氏模量，L为玻璃长度,t为玻璃厚度。

由此可知，玻璃的应力与厚度的平方成反比，与长度成正比。

当玻璃厚度减薄，尺寸加大时，其应力将会增加。

密度与杨氏模量的比值，也是决定玻璃残余应力的关键。

密度低、杨氏模量高都可以减小玻璃应力。

而超薄玻璃厚度极其薄，为了减少玻璃的应力，可通过提高其弹性模量的值。

弹性模量在物理上表示原子间的结合力。

模量E随原子间距α的缩小近似的按下式增大。

E=K/αm
式中K和m为常数。

也可以这样理解，玻璃的弹性模量主要取决于内部质点间化学键的强度，同时也与结构有关。

质点间化学键力越强，变形越小，则弹性模量就越大。

玻璃结构越坚实，弹性模量也越大，残余应力也就越低。

质点间的键力大小与原子半径和价电子数有关，因此在常温下弹性模量是原子序数的周期函数。

在同一族中的元素例如Be、Mg、Ca、Sr 及Ba，随原子序数的递增和原子半径的增大，弹性模量E 则降低。

E 的大小几乎和这些离子与氧离子间吸引力成直线关系，同一氧化物当处于高配位时其弹性模量要比处于低配位时高。

所以在玻璃中引入离子半径较大、电荷较低的Na+、K+、Sr2+、Ba2+等离子是不利于提高弹性模量的。

相反，引入半径小、极化能力强的离子（如Li+、Be+、Mg2+、Al3+、Ti4+、Zr4+）则能提高玻璃的弹性模量。

各种氧化物对玻璃弹性模量的提高作用是：
CaO > MgO >B2O3> Fe2O3> Al2O3>BaO> ZnO > PbO
可见，合理配置铝和碱的含量可以提高其弹性模量，减小玻璃的应力。

具体实施方式
实施例一：
玻璃的组成及重量百分比为:SiO2 60.3%、Al2O3 17.1%、Fe2O3 0.02%、CaO 0.30%、MgO 3.5%、K2O 3.5%、Na2O 13.5%、Sb2O3 0.4%、ZrO 0.7%的铝硅酸盐超薄玻璃组分计算，据此生产出的超薄玻璃应具有如下的性能：密度：2.47g/cm3,应变点：546℃，软化点833℃，泊松比 0.21；剪切系数 29.6 GPa，透过率>91%，维克斯硬度 (200g load)：强化后 701 kgf/mm2。

实施例二：
玻璃的组成及重量百分比为:SiO2 59.7%、Al2O316.9%、Fe2O3 0.02%、CaO 0.25%、MgO 3.7%、K2O 3.6%、Na2O 14%、Sb2O3 0.3%、ZrO 0.70%的铝硅酸盐超薄玻璃组分计算，据此生产出的超薄玻璃应具有如下的性能：密度：2.45g/cm3,应变点：576℃，软化点870℃，泊松比 0.21；剪切系数 29.8 GPa，透过率>91%,维克斯硬度 (200g load)：强化后 705 kgf/mm2。