CN110510874B - 铝硅酸盐玻璃及其制备方法、强化玻璃和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铝硅酸盐玻璃及其制备方法、强化玻璃和应用。按质量百分比计，上述铝硅酸盐玻璃包括：SiO2 56％～69％，Al2O3 7％～19％，B2O3 0.1％～6.0％，Na2O 6％～15％，K2O 0.5％～4.0％，P2O5 2％～5％，ZrO2 0～0.5％，TiO2 0～1％及氟化物0～2％。上述铝硅酸盐玻璃能够通过化学强化增加强度，且具有陶瓷的外观和质感。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝硅酸盐玻璃及其制备方法、强化玻璃和应用。
背景技术
目前手机等智能移动设备的后盖保护材料主要有有机塑料、金属、玻璃和陶瓷。有机塑料目前主要存在于低端市场，其易划伤、易老化、不易散热等缺点，导致其在智能机时代被大部分厂商和客户摒弃。金属外壳是继有机塑料后推出来的一款新型材料，其主要有航空铝材和奥氏体不锈钢，高强度、不易变形、易散热等特性使其占据3G/4G时代的绝大部分市场份额。但是随着5G时代的日益临近，2018年世界移动通信大会MWC披露的市场行情来看，众多移动通讯行业的高科技公司已经或即将推出各家公司的5G信号产品，如华为、高通、爱立信、中兴、中国移动等等，由于金属外壳会对信号起到屏蔽作用，因此不适用于5G时代一体化后盖的需求。
玻璃和陶瓷后盖是目前市场上部分采用且其市场份额也在逐渐增长，两者皆为脆性材料，玻璃后盖生产成本及加工成本都低于陶瓷，因此目前玻璃后盖占据主要的市场份额，但是玻璃后盖材质相对于陶瓷材质来说，本身不具有陶瓷质感，外观效果较差。而陶瓷特别是微晶锆陶瓷的质感优异，但加工性能较差。其他微晶玻璃兼具陶瓷和玻璃的部分特性，但外观效果的提升通常带来强度的降低，难以广泛应用。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够通过化学强化提高强度且具有陶瓷质感的铝硅酸盐玻璃。
此外，还提供一种铝硅酸盐玻璃的制备方法、强化玻璃和应用。
一种铝硅酸盐玻璃，按质量百分比计，包括如下组分：
在其中一个实施例中，所述P2O5、所述B2O3和所述Al2O3的总质量百分比为12％～25％，所述ZrO2、所述TiO2和所述氟化物的总质量百分比为1％～3％，且所述ZrO2、所述TiO2和所述氟化物的质量之和与所述P2O5、所述B2O3和所述Al2O3的质量之和的比为0.04～0.12。
在其中一个实施例中，按质量百分比计，所述铝硅酸盐玻璃还包括不超过 5％的MgO；及/或，
按质量百分比计，所述铝硅酸盐玻璃还包括不超过2.4％的CaO；及/或，
按质量百分比计，所述铝硅酸盐玻璃还包括不超过5.5％的ZnO。
在其中一个实施例中，按质量百分比计，所述铝硅酸盐玻璃包括：SiO2 58％～65％，Al2O3 10％～17％，B2O3 1％～4％，Na2O 8％～14％，K2O 1.0％～3.5％，P2O5 2.5％～4.5％，ZrO2 0.1％～0.5％，TiO2 0.5％～1.0％，氟化物0.5％～1.5％，MgO 1.0％～4.5％，CaO 0～1.5％及ZnO 1％～4％，其中，所述P2O5、所述B2O3和所述 Al2O3的总质量百分比为15.7％～23.0％，所述ZrO2、所述TiO2和所述氟化物的总质量百分比为1.3％～2.5％，且所述ZrO2、所述TiO2和所述氟化物的质量之和与所述P2O5、所述B2O3和所述Al2O3的质量之和的比为0.08～0.12。
在其中一个实施例中，所述Na2O与所述K2O的总质量百分比为 8.5％～16.0％。
在其中一个实施例中，按质量百分比计，所述铝硅酸盐玻璃包括：SiO2 59％～62％，Al2O3 12％～15％，B2O3 1.5％～3.0％，Na2O 9％～13％，K2O 1.0％～2.5％， P2O53.0％～4.5％，ZrO2 0.2％～0.5％，TiO2 0.5％～1.0％，氟化物1.0％～1.5％，MgO 2％～4％及ZnO 1.5％～2.7％，其中所述P2O5、所述B2O3和所述Al2O3的总质量百分比为19.5％～19.8％，所述ZrO2、所述TiO2和所述氟化物的总质量百分比为 2.0％～2.3％，且所述ZrO2、所述TiO2和所述氟化物的质量之和与所述P2O5、所述B2O3和所述Al2O3的质量之和的比为0.10～0.12。
一种铝硅酸盐玻璃的制备方法，包括如下步骤：
按质量百分比计，称取如下原料：SiO2 56％～69％，Al2O3 7％～19％，B2O3 0.1％～6％，Na2O 6％～15％，K2O 0.5％～4.0％，P2O5 2％～5％，ZrO2 0～0.5％，TiO2 0～1％及氟化物0～2％；
将所述原料混合，并进行熔制，得到玻璃浆料；及
将所述玻璃浆料成型，再经退火处理，得到铝硅酸盐玻璃。
在其中一个实施例中，所述将所述原料混合，并进行熔制的步骤中，熔制的温度为1500℃～1650℃，熔制的时间为4h～12h；及/或，
所述退火处理的步骤中，退火处理的温度为600℃～700℃，退火处理的时间为1h～6h。
在其中一个实施例中，所述将所述原料混合，并进行熔制，得到玻璃浆料的步骤之后，所述将所述玻璃浆料成型的步骤之前，还包括将所述玻璃浆料进行均化处理的步骤，且所述均化处理的温度为1400℃～1500℃，所述均化处理的时间为0.5h～2h。
一种强化玻璃，由上述铝硅酸盐玻璃或由上述铝硅酸盐玻璃的制备方法制备得到的铝硅酸盐玻璃强化得到，所述强化玻璃的应力层深度大于30μm。
上述铝硅酸盐玻璃或上述强化玻璃在制备移动设备外壳、制备触控装置及制备智能家居设备中的应用。
上述铝硅酸盐玻璃通过在玻璃中添加一定量的ZrO2、TiO2和氟化物作为乳浊剂，使得玻璃能够形成微小晶核，提高乳浊效果，使铝硅酸盐玻璃具有玉石状或陶瓷状的外观和质感。上述铝硅酸盐玻璃的主要成分仍为玻璃，且含有一定量的氧化钾和氧化钠，因而，能够通过化学强化增加强度，达到高强度、高耐摩擦性的特性。因此，上述铝硅酸盐玻璃具有陶瓷的外观和质感，且能够通过化学强化提高强度。
附图说明
图1为一实施方式的铝硅酸盐玻璃的制备方法的工艺流程图；
图2为实施例1～实施例16、对比例1～对比例2制备得到的铝硅酸盐玻璃的雾度值与成分的关系曲线图；
图3为实施例1和实施例2的铝硅酸盐玻璃的透过率上下限控制曲线；
图4为实施例2制备的铝硅酸盐玻璃的EDAX能谱线性扫描示意图；
图5为实施例2制备的铝硅酸盐玻璃的应力层深度与K/Na离子密度的关系曲线；
图6为实施例1～实施例5及对比例1～对比例2制备的铝硅酸盐玻璃的钠含量与铝硅酸盐玻璃的钢化深度和翘曲度的关系曲线；
图7为实施例1～实施例5及对比例1～对比例2制备的铝硅酸盐玻璃的钠含量和碱金属含量与铝硅酸盐玻璃的熔化温度(T2)的关系曲线。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合具体实施方式对本发明进行更全面的描述。具体实施方式中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
需要说明的是，在本文中，Sum表示总和。
一实施方式的铝硅酸盐玻璃，按质量百分比计，包括如下组分：
其中，P2O5、B2O3和Al2O3的总质量百分比为12％～25％，ZrO2、TiO2和氟化物的总质量百分比为1％～3％，且ZrO2、TiO2和氟化物的质量之和与P2O5、 B2O3和Al2O3的质量之和的比为0.04～0.12。
在一些实施例中，按质量百分比计，铝硅酸盐玻璃还包括不超过5％的MgO。
在另一些实施例中，按质量百分比计，铝硅酸盐玻璃还包括不超过2.4％的 CaO。
在又一些实施例中，按质量百分比计，铝硅酸盐玻璃还包括不超过5.5％的 ZnO。
SiO2(二氧化硅)是重要的玻璃形成氧化物，而且能提高玻璃的机械强度、化学稳定性、热稳定性等。但SiO2是较难熔化的物质，因此SiO2含量有其最佳值。SiO2的含量过低，热膨胀系数提升过大，成形和耐化学性会降低，有结晶化趋势；SiO2的含量过高，玻璃熔化和澄清温度会更高，并且粘度上升，难以使玻璃均质化，不适宜于玻璃成型工艺制造。因此，将二氧化硅的质量百分比设置为56％～69％。
Al2O3(三氧化二铝)能参与网络形成，起到网络生成体作用，且能够降低玻璃的结晶倾向，提高玻璃的化学稳定性、热稳定性、机械强度、硬度，也是提高拉伸玻璃弹性模量的必要成分，但是会增加玻璃粘度，如果Al2O3过多，就难以得到料性长的玻璃，使玻璃成型较为困难。此外，玻璃中的Al3+倾向于形成铝氧四面体网络[AlO4]，这比硅氧四面体[SiO4]网络要大得多，留下较大的空隙作为离子扩散的通道，因此玻璃中高的Al2O3含量能促进碱金属离子的迁移和置换速率。因此，将Al2O3的质量百分比设置为7％～19％。
B2O3(氧化硼)是硼铝硅酸盐玻璃的重要组分之一，属于形成体氧化物，能降低铝硅酸盐玻璃的热膨胀系数，提高铝硅酸盐玻璃的热稳定性、化学稳定性。 B2O3的含量太高，在高温下由于其降低粘度的作用导致硼挥发严重，同时B2O3的含量过高会缩窄成型温度，给硼铝硅酸盐玻璃拉管成型中对壁厚、管径精度控制带来困难；另外当B2O3引入量过高时，由于硼氧三角体[BO3]增多，硼铝硅酸盐玻璃的膨胀系数等反而增大，发生反常现象。因此，将B2O3的质量百分比设置为0.1％～6％。
Na2O(氧化钠)是硼铝硅酸盐玻璃网络外体氧化物，能提供游离氧使Si-O 键断开，从而降低铝硅酸盐玻璃的粘度和熔制温度。Na2O的含量过高，会增大线热膨胀系数，降低化学稳定性，且Na2O挥发量增大，导致铝硅酸盐玻璃成分不均一。Na2O的含量过低，不利于玻璃的熔制和成型。因此将Na2O的质量百分比设置为3％～18％，优选6％～15％。
K2O(氧化钾)和Na2O同属于碱金属氧化物，在玻璃结构中的作用类似，以少量K2O取代Na2O能发挥“混合碱效应”，使玻璃的一系列性能变好，是用于提高熔融性质和用于在化学强化中提高离子交换率以获得所需表面压缩应力和应力层深的组分。若K2O的含量过高，则耐候性会降低。因此将K2O的质量百分比设置为0.5％～4.0％。且Sum(Na2O+K2O)需满足5％～19％，优选 8.5％～16.0％。
P2O5(五氧化二磷)组成玻璃体网络结构，形成磷酸盐玻璃，P-O键为共价和离子混合键，形成[PO8]立方体以顶角连接，空间网络结构较大，阳离子场强大，结构较为紧密，本实施方式中添加的P2O5含量在2％～5％，主要以网络外体存在于玻璃中，是形成玻璃分相和结晶的主要基础，与乳浊剂一起形成白色乳化玉石玻璃。
氟化物成分主要起到乳浊剂的作用，通过其第7主族元素独特的“桥联结构”，取代硅酸盐玻璃中的O-的作用，形成架状、层状或链状的结构单元，降低黏度，表面张力小，各项动力学过程(分相、成核和结晶)易于发生，与P2O5共同作用形成不混溶液滴或少量结晶体。因此，将氟化物的质量百分比设置为 0～2％。
ZrO2在硅酸盐玻璃中主要是以立方体[ZrO8]配位形式存在，由于离子半径较大，在玻璃结构中属网络外体，且其在玻璃中溶度较小，会显著增加玻璃黏度，可提高玻璃的耐酸碱性能，增加折射率，在本实施方式中ZrO2主要和TiO2一起形成微小晶核，达到提高乳浊效果的目的。
TiO2的作用于ZrO2类似，而且其属于过渡元素，具有着色能力，显黄色，可提高玻璃玉质玻璃体的光泽度和增加暖色调的作用。
MgO(氧化镁)是一种网络外体氧化物，MgO有助于降低玻璃熔点，改善均匀性，增加抗水解性。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。因此，将MgO的质量百分比设置为0～5％。
CaO(氧化钙)使硅氧四面体[SiO4]所形成的网络松弛、断裂，改善玻璃在高温下的熔融性质或使玻璃不易失透，但含量过多会影响铝硅酸盐玻璃的耐候性，且阻碍离子交换的进行。因此，将CaO的质量百分比设置为0～2.4％。
ZnO(氧化锌)属于二价金属氧化物行列，同样具有碱土金属氧化物的作用，在硅酸盐玻璃体系中，加入部分的ZnO物料，可有效降低玻璃的熔化温度，降低玻璃的转变温度Tg，同时还可以提高玻璃基体的耐碱性；在铝硅酸盐玻璃体中，Zn常处于[ZnO6]和[ZnO4]两种配位体中，[ZnO4]随碱含量的增高而增大，增加玻璃的析晶倾向。因此，将ZnO的质量百分比设置为0～5.5％。
需要说明的是，在本实施方式中，MgO、CaO及ZnO也可以省略。
进一步地，将P2O5、B2O3和Al2O3的总质量百分比设置为12％～25％的作用是：加入P2O5和B2O3形成B-P分相乳浊，增加雾度，形成半透明视觉效果；加入Al2O3取代部分B2O3使得玻璃具有更加优异的钢化性能，获得更高的强度和化学稳定性。在本实施方式中，通过添加质量百分比为1％～3％的ZrO2、TiO2和氟化物作为乳浊剂，能够形成微小晶核，提高乳浊效果，使铝硅酸盐玻璃具有玉石状或陶瓷状的外观和质感。将ZrO2、TiO2和氟化物的质量之和与P2O5、 B2O3和Al2O3的质量之和的比设置为0.04～0.12的作用是：P2O5/B2O3/Al2O3是为了实现可钢化的乳浊玻璃体，加入ZrO2/TiO2和氟化物是为了形成稳定可靠的细小晶粒，增加玉质或陶瓷质感且TiO2有显暖黄色的效果，更具玉质光泽，通过其二者之和的比值，发现可以用来作为可钢化玉质铝硅酸盐的控制参数，其在 0.04～0.12之间具有比较适宜的综合性能。
在其中一些实施例中，按质量百分比计，铝硅酸盐玻璃包括如下组分：SiO2 58％～65％，Al2O3 10％～17％，B2O3 1％～4％，Na2O 8％～14％，K2O 1.0％～3.5％， MgO1.0％～4.5％，CaO 0～1.5％，ZnO 1％～4％，ZrO2 0.1％～0.5％，TiO2 0.5％～1.0％，P2O5 2.5％～4.5％及氟化物0.5％～1.5％，其中，P2O5、B2O3和Al2O3的总质量百分比为15.7％～23.0％，ZrO2、TiO2和氟化物的总质量百分比为1.3％～2.5％，且 ZrO2、TiO2和氟化物的质量之和与P2O5、B2O3和Al2O3的质量之和的比为 0.08～0.12。
进一步地，按质量百分比计，铝硅酸盐玻璃包括如下组分：SiO259％～62％， Al2O312％～15％，B2O3 1.5％～3.0％，Na2O 9％～13％，K2O 1.0％～2.5％，MgO 2％～4％，ZnO1.5％～2.7％，ZrO2 0.2％～0.5％，TiO2 0.5％～1.0％，P2O5 3.0％～4.5％及氟化物1.0％～1.5％，其中，P2O5、B2O3和Al2O3的总质量百分比为19.5％～19.8％，ZrO2、TiO2和氟化物的总质量百分比为2.0％～2.3％，且ZrO2、TiO2和氟化物的质量之和与P2O5、B2O3和Al2O3的质量之和的比为0.10～0.12。
随着通信和数字技术的飞速发展，以智能型手机为代表的移动智能设备主要竞争重心已经从屏幕大小与半导体规格发展至特性化定制，手机里面装的规格大同小异，开始缺乏能够吸引消费者购买的“独特性”差异，手机厂商们通过独特的手机外观设计上吸引客户的购买欲望。随着智能手机的普及，手机外壳材质的变化十分显著，从一开始的塑料发展到今天以金属玻璃和陶瓷为代表的新一代材质。
常见的手机外壳材质有塑料、金属、玻璃、陶瓷、木质、皮革等等，它们的物理特性不尽相同，做出来的手机观感以及手感都大不一样，其各种性能特点也不尽相同。
塑料材质是白手机诞生以来就采用的材质，塑料的可塑性强、易着色、工业加工难度相对较低，有利于大规模量产，而且塑料的成本也较低，因此塑料成为了早期最受手机厂商欢迎的材质，如聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)及聚苯醚(PPE)。但是其易刮花、散热差、质感一般，看上去很廉价，且污染环境，而随着消费的升级以及工业技术的进步，塑料现在已经不是智能手机外壳材质的主流，已经慢慢淡出人们的视线了。
金属材质中铝制品的质地轻、强度高，多用于航空材料。手机外壳上常用的有阳极氧化铝、微弧氧化铝合金和镁铝合金三种类型，它们材料构成上都是铝合金，但在手机产品上所反映出来的工艺和技术有些许差异。这样的设计就会容易屏蔽手机信号，容易造成手机信号弱等问题，特别是5G信号使得后盖材质基本告别金属材质。金属外壳的手机后面带有天线，所以很难将手机做成一个整体，使手机缺乏整体感。不过铝制品的优点也是非常突出的，这样的材质拿在手里质量很小，而且手感也是非常的好，散热也是非常快。
玻璃相比陶瓷机身来说加工较为容易，因此其成本比较低，耐磨性略低于陶瓷，但是远高于塑料和金属，所以市面上大量的手机采用了玻璃材质。玻璃机身有两个最大的优点，第一点是玻璃机身的手机往往质感比较好，结合一些纹理工艺，往往可以设计出一些炫酷的效果，如荣耀8、魅蓝X的特殊玻璃后壳处理，打造出了光随影动的视觉效果，颜值很高；第二个优点就是玻璃机身不会屏蔽信号。金属机身手机，由于后盖金属会屏蔽信号，因此后壳上往往需要单独设计天线条，而玻璃手机不用特别设计塑料天线条带，没有了突兀的线条，背面一体感往往更强。而玻璃机身最大的缺点就是易碎，制作加工成本相较于塑料和金属来说偏大。
陶瓷从外观和质感上都比较强，性能上陶瓷具有热导率高、不吸水、绝缘性好、结构致密均匀、抗冲击、耐摔、耐磨、耐腐蚀等优点。并且陶瓷对信号接收方面有很大的提升，特别是现在对网速的要求越来越高，3G/4G甚至未来 5G的出现，陶瓷也是未来手机及智能穿戴方面必不可少的优质选材，但是加工成本太大，大范围量产存在阻碍。
其他手机及后盖材质多种多样，如木头、竹子、玉石、贵金属、皮质等等，个性化定制需求比较大，非主流应用材质，各有优劣，主要取决于消费者喜好。
因此，目前的方案比较接近的就是玻璃和陶瓷材质，常用的后盖玻璃材质主要为铝硅酸盐玻璃，如康宁的Gorilla玻璃、NEG的T2X-1、旭硝子的龙迹玻璃和国内旭虹的熊猫玻璃及南玻的KK3玻璃，其主要特征是可以通过化学强化在玻璃制品表面预设一层压应力层，达到增加强度和耐划伤性的目的，由于其是玻璃材质，所以其导热、电磁信号透过率和质感都比较优异，玻璃本身为透明材料，其图案色彩和表面外观等主要通过电镀、喷涂、印刷和刻蚀等工艺手段获得。
陶瓷材质在小米手机及其他品牌手机都有应用，其主材质为微晶锆，也就是氧化锆陶瓷，其抗弯曲强度高，耐摩擦性强，且微晶锆是非导电材料，不会对信号形成屏蔽，并可匹配无线充电系统，温润如玉的外观、手感方面都有其它材料所不具备的优势。
其他综合陶瓷和玻璃性能的玻璃陶瓷或微晶玻璃如肖特玻璃CN1657462B 提供的微晶玻璃陶瓷和株式会社小原CN100482607A提供的微晶玻璃，其具备低热膨胀系数的同时兼具陶瓷外观和特点，但是没有办法钢化获得更高的强度；而CN100551854A中提供的玉石纹微晶玻璃其制程中增加了很多微裂纹并且无法化学钢化，其强度也会较常规玻璃和陶瓷有所降低。
上述传统技术中，玻璃其本身为透明铝硅酸盐玻璃，可通过后期强化、电镀、喷涂、印刷和刻蚀等工艺手段得到外观色彩和质感，但工艺复杂，成本较高，而且其本身不具有陶瓷质感和玉石外观，给不了消费者高端大气，温润如玉的观感；陶瓷特别是微晶锆陶瓷的烧结温度高，成型困难，且硬度非常高，加工难度和抛光难度非常大，成本最高，难以大范围量产；其他微晶玻璃如肖特玻璃、株式会社小原和等兼具陶瓷和玻璃的部分特性，但是没办法进行化学钢化来增强强度或在制造工艺中产生大量微裂纹，虽然质感和外观非常好，但是其强度不同程度的降低。
而本实施方式的铝硅酸盐玻璃，至少具有以下优点：
(1)本实施方式的铝硅酸盐玻璃在铝硅酸盐玻璃中添加组合乳浊剂，形成微分相及少量结晶态的玻璃，由于其主成分为铝硅酸盐玻璃，所以其保留了通过化学强化增加强度的特性，达到高强度、高耐摩擦性的特征，其加工成本与玻璃接近，远低于陶瓷和其他微晶玻璃。
(2)本实施方式的铝硅酸盐玻璃通过微分相及少量结晶态以及其他添加剂可形成玉石状或陶瓷状的外观和质感，并且在其制备过程中避免了大量析晶的体积变化形成的微裂纹，提高了自身的本体强度，也可通过其他着色添加剂形成翡翠或其他彩色玉石外观。
请参阅图1，一实施方式的铝硅酸盐玻璃的制备方法，包括如下步骤：
步骤S110：按质量百分比计，称取如下原料：SiO2 56％～69％，Al2O3 7％～19％，B2O3 0.1％～6.0％，Na2O 6％～15％，K2O 0.5％～4.0％，P2O5 2％～5％，ZrO2 0～0.5％，TiO2 0～1％及氟化物0～2％。
其中，P2O5、B2O3和Al2O3的总质量百分比为12％～25％，ZrO2、TiO2和氟化物的总质量百分比为1％～3％，且ZrO2、TiO2和氟化物的质量之和与P2O5、 B2O3和Al2O3的质量之和的比为0.04～0.12。
在其中一些实施例中，原料还包括不超过5％的MgO。在另一些实施例中，原料还包括不超过2.4％的CaO。在又一些实施例中，原料还包括不超过5.5％的 ZnO。
步骤S120：将上述原料混合，并进行熔制，得到玻璃浆料。
具体地，步骤S120中熔制的温度为1550℃～1650℃，熔制的时间为4h～12h。
具体地，将上述原料混合后置于铂金干过中进行熔制。熔制的过程中用铂金搅拌桨进行搅拌。
步骤S130：将玻璃浆料进行均化处理。
具体地，步骤S130中，均化处理的温度为1400℃～1500℃，均化处理的时间为0.5h～2h。
步骤S140：将玻璃浆料成型，再经退火处理，得到铝硅酸盐玻璃。
具体地，将玻璃浆料成型的步骤中，采用浇注成型的方式。在其中一个实施例中，将经过均化处理的玻璃浆料浇注在经过预热后的铁质模具上，使玻璃浆料固化成型。
退火处理的步骤中，退火处理的温度为600℃～700℃，退火处理的时间为 1h～6h。
在一些实施例中，退火处理的步骤之后，还包括乳浊化热处理的步骤。具体地，乳浊化热处理的步骤中，温度为600℃～700℃，时间为1h～6h。进一步地，乳浊化热处理的步骤中，温度高于铝硅酸盐玻璃的应变点温度Tg 100℃。乳浊化热处理的目的是使玻璃乳浊化，形成具有陶瓷质感或玉质感的铝硅酸盐玻璃。可以理解，当退火处理的步骤可以使铝硅酸盐玻璃具有陶瓷质感或玉质感，乳浊化热处理的步骤也可以省略。
上述铝硅酸盐玻璃的制备方法简单，易于工业化生产。
一实施方式的强化玻璃，由上述铝硅酸盐玻璃或铝硅酸盐玻璃的制备方法制备得到的铝硅酸盐玻璃强化得到。该强化玻璃的应力层深度大于30μm。
在其中一个实施例中，强化玻璃由上述铝硅酸盐玻璃或铝硅酸盐玻璃的制备方法制备得到的铝硅酸盐玻璃在420℃纯硝酸钾溶液中钢化6h后得到。
一实施方式的铝硅酸盐玻璃或强化玻璃在制备移动设备外壳、制备触控装置及制备智能家居设备中的应用。该铝硅酸盐玻璃为上述铝硅酸盐玻璃或由上述铝硅酸盐玻璃的制备方法制备得到的铝硅酸盐玻璃，该强化玻璃为上述强化玻璃。上述铝硅酸盐玻璃或强化玻璃融合了玻璃和陶瓷的性能，能够通过化学强化提高强度，具有优异的耐划伤性能，且加工性能好，易于产业化生产。另外，本实施方式的铝硅酸盐玻璃或强化玻璃不会对信号产生屏蔽，因此，能够用于制备移动设备外壳、制备触控装置及制备智能家居设备中。
以下为具体实施例部分：
实施例1～实施例5
实施例1～实施例5的铝硅酸盐玻璃的制备过程具体如下：
将实施例1～实施例5按照表1中设计组分配料(质量百分比)，经充分混合均匀后，用铂金坩埚在1600℃熔制4h，同时用铂金搅拌桨搅拌，待抽出搅拌桨后，降温至1500℃，保温0.5h均化，浇铸到铁质模具上形成80mm×160mm左右大小的玻璃块，浇铸前模具预热到680℃，玻璃块硬化后立即转移至表1中设定好热处理温度的热处理炉(同时兼具热处理和退火功能)，保温2h，然后经6 小时降温140℃，随后自然冷却，取出后备用。
表1实施例1～实施例5的铝硅酸盐玻璃的组分及性能
将实施例1～实施例5中制备得到的铝硅酸盐玻璃加工成φ5mm×50mm的圆柱状玻璃试样，用耐驰热膨胀仪NETZSCH-DIL 402PC在4℃/min的升温速度下测试得到热膨胀曲线，通过自带软件，测得玻璃的应变点Tg以及20℃～300℃范围内的热膨胀系数CTE，测试结果如表1所示。
将实施例中制备得到的铝硅酸盐玻璃加工成50mm×50mm×0.7mm双面抛光的玻璃片，经高于Tg温度点100℃的处理温度处理2小时，自然冷却至室温后，经Suga光学的HZ-V3雾度计测量其雾度值(表征乳化程度)，测试结果如表1 所示，并对雾度值和成分因素Sum(ZrO2+TiO2+氟化物)/Sum(P2O5+B2O3+Al2O3) 作图，如图2所示。根据实际外观效果发现，雾度值超过90％，铝硅酸盐玻璃处于不透明状态，质地粗糙不够细腻，而雾度低于20％的铝硅酸盐玻璃处于半透明状态，玻璃光泽明显，玉质感降低，趋向于玻璃。优选雾度值在40％～90％。
通过GBC透过率仪器Cintra 2020测试0.7mm抛光样品在400nm～780nm可见光范围内的透过率，得到如如图3所示的透过率曲线。其中以实施例1为不透明曲线的分界线，实施例2为半透明曲线的分界线，实施例3～实施例5介于中间(未显示出来，介于实施例1和实施例2中间的样品玉质感比较强烈)。
最后将经过高于Tg 100℃的温度热处理且抛光后的样品(样品尺寸 140mm×70mm×0.7mm，约6.2英寸)在420℃纯硝酸钾溶液中钢化6小时后，通过塞尺分别测量实施例1～实施例5的铝硅酸盐玻璃的翘曲度，测试结果如表 1所示。
将经过上述钢化处理后的样品进行切面磨抛处理，制成电镜样品，经扫描电镜SEM和能谱EDAX进行截面K成分和Na成分的线性扫描，得到如图4所示的线性扫描图。将线性扫描的测试结果进行数据分析，得到如图5所示的铝硅酸盐玻璃的应力层深度(K/Na离子密度曲线)数据曲线。由于钢化盐中的钾离子进入到玻璃表面，而玻璃体中的钠离子进入到钢化盐中，所以钾离子的浓度随着玻璃深度方向急剧降低，直至达到稳定值(玻璃本体的K含量)，钠离子则与之相反，随着玻璃深度方向迅速增加，直至达到稳定值(玻璃本体的Na含量)，因此其K、Na浓度趋于稳定的点的深度即为钢化应力层深度，记录于表1中。并对玻璃组分中的Na和K含量对玻璃离子交换性能和翘曲度方面做了专门的研究，如图6所示。
将实施例1～实施例5的玻璃样品选取250g通过ORTON的RSV-1600型号玻璃高温黏度计测试高温黏度，黏度降为102dPa·S的温度定义为玻璃熔化温度，并将其数值记录于表1中。通过数据处理分析钠含量和碱金属含量与铝硅酸盐玻璃的熔化温度(T2)的关系，得到如图7所示的关系曲线。
从表1中可以看出，针对上述实施例1～实施例5，具有上述组分特征的玻璃在20℃～300℃具有66.86×10-7～87.60×10-7的热膨胀系数，熔化温度在1564℃～1608℃，玻璃转变点温度Tg在503℃～589℃。实施例1～实施例5中的铝硅酸盐玻璃经高于Tg温度100℃的热处理温度(见表1)处理后，具有40％～88％的雾度值。实施例1～实施例5中的铝硅酸盐玻璃再经过420℃纯硝酸钾溶液中钢化6小时后，其具有34μm～43μm的钢化层深度，0.1mm～0.2mm的钢化翘曲度。
对比例1～对比例5
对比例1～对比例5的铝硅酸盐玻璃的制备过程与实施例1～实施例5的铝硅酸盐玻璃的制备过程相似，区别在于，组分不同及热处理温度不同。具体请参见表2。
对比例1的铝硅酸盐玻璃中，Na2O的质量百分比为3％，且Sum(ZrO2+TiO2+ 氟化物)/Sum(P2O5+B2O3+Al2O3)为0.26。对比例2的铝硅酸盐玻璃中，Na2O 的质量百分比为18％，且Sum(ZrO2+TiO2+氟化物)/Sum(P2O5+B2O3+Al2O3) 为0。
将对比例1和对比例5按照上述实验步骤处理，其中对比例1钢化层深度高达46μm，钢化后的翘曲度非常优异，只有0.1mm，但是其熔化温度超过了 1646℃，钠含量只有3％，且碱金属总含量也只有5％，这在浮法生产里面是比较难以实现的。对比例1中，雾度值达到95％，透过率普遍低于10％，玻璃不透明且质地粗糙，没有光泽，外观效果较差。
对比例2的铝硅酸盐玻璃的熔化温度低，可以降低熔制难度和熔化成本，但是由于其只有462℃的玻璃转变点Tg，由于Na+和K+的交换温度通常接近400℃～420℃，因此其在钢化过程中翘曲度达到了0.4mm，不符合实际应用≤0.3mm 翘曲度技术要求，且其22μm的钢化层深度低于行业内的技术标准；而对比例2 的铝硅酸盐玻璃，雾度值只有3％，可见光透过率大于50％，半透明状态，通透性过高接近于玻璃，光泽好但缺少玉质或陶瓷的质感效果。
对比例3的铝硅酸盐玻璃中含有氧化钠，没有氧化钾，使得铝硅酸盐玻璃的融化温度较实施例2的铝硅酸盐玻璃的融化温度升高，钢化深度降低。对比例4 的铝硅酸盐玻璃中含有氧化钾，没有氧化钠，使得铝硅酸盐玻璃的钢化深度仅为18μm，低于行业内的技术标准。从对比例3和对比例4中可以看出，同时含有氧化钾和氧化钠的铝硅酸盐玻璃具有混合碱效应，一方面能够降低融化温度，另一方面还能增加钢化性能和化学稳定性。
对比例5的铝硅酸盐玻璃中不含有五氧化二磷，不能形成B-P乳浊相，只有氟化物和TiO2生成的晶体相，一方面无法形成足够雾度的玻璃，从表2中可以看出，对比例5的铝硅酸盐玻璃的雾度值仅为2％，光泽好但缺少玉质或陶瓷的质感效果，另一方面生成的晶体相也无法控制，导致析晶不均，晶粒过大，没有玉质感，机械强度急剧变差。
表2对比例1～对比例5的铝硅酸盐玻璃的组分及性能
实施例6～实施例12
实施例6～实施例12的铝硅酸盐玻璃的制备过程具体如下：
将进一步优化设计配方，记录于表3中，实施例6～实施例12按照表2中的组分的配比(质量百分比)，经充分混合均匀后，用铂金坩埚在1550℃熔制12h，同时用铂金搅拌桨搅拌，待抽出搅拌桨后，降温至1400℃，保温2h均化，浇铸到铁质模具上形成80mm×160mm左右大小的玻璃块，模具浇铸前预热到680℃，玻璃块硬化后立即转移至表2中设定好热处理温度的热处理炉(同时兼具热处理和退火功能)，保温1h，然后经6小时降温140℃，随后自然冷却，取出后备用。
表3实施例6～实施例12的铝硅酸盐玻璃的组分及性能数据
针对上述实施例6～实施例12，具有上述组分特征的铝硅酸盐玻璃在20℃～300℃具有70.64×10-7～73.84×10-7的热膨胀系数，熔化温度在1550℃～1576℃，玻璃转变点温度Tg在534℃～576℃。实施例6～实施例12的铝硅酸盐玻璃经高于Tg温度100℃的热处理温度(见表2)处理后，具有52％～82％的雾度值。实施例6～实施例12的铝硅酸盐玻璃再经过420℃纯硝酸钾溶液中钢化6小时后，其具有32μm～46μm的钢化层深度，0.1mm～0.2mm的钢化翘曲度。
实施例13～实施例16
实施例13～实施例16的铝硅酸盐玻璃的制备过程具体如下：
最终优化设计配方，记录于表3中，实施例13～实施例16按照表3中的组分的配比(质量百分比)，经充分混合均匀后，用铂金坩埚在1650℃熔制6h，同时用铂金搅拌桨搅拌，待抽出搅拌桨后，降温至1450℃，保温1h均化，浇铸到铁质模具上形成80mm×160mm左右大小的玻璃块，模具浇铸前预热到680℃，玻璃块硬化后立即转移至表2中设定好热处理温度的热处理炉(同时兼具热处理和退火功能)，保温5h，然后经6小时降温140℃，随后自然冷却，取出后备用。
表3实施例13～实施例16的铝硅酸盐玻璃的组分及性能数据
上述实施例13～实施例16，具有上述组分特征的铝硅酸盐玻璃在20℃～300℃具有70.84×10-7～71.12×10-7的热膨胀系数，熔化温度在1552℃～1566℃，玻璃转变点温度Tg在552℃～558℃。实施例13～实施例16的铝硅酸盐玻璃经高于Tg 温度100℃的热处理温度(见表3)处理后，其具有65％～78％的雾度值。实施例13～实施例16的铝硅酸盐玻璃再经过420℃纯硝酸钾溶液中钢化6小时后，其具有40μm～42μm的钢化层深度，0.1Omm～0.15mm的钢化翘曲度。
由上述实验结果中可以看出，实施例1～实施例16制备得到的铝硅酸盐玻璃的雾度值介于40％～88％之间，具有玉石的质感和光泽。且上述铝硅酸盐玻璃能够通过化学钢化增加强度，应力层深度可达30μm以上。此外，铝硅酸盐玻璃的熔化温度在1550℃～1620℃之间，热膨胀系数为67×10-7～88×10-7(20℃～300℃， 1/K)。因此，上述实施例制备得到的铝硅酸盐玻璃具有玉石外观和质感，且能够通过化学强化来增加强度、耐摩擦性等，加工难度低，加工成本远低于陶瓷制品。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种铝硅酸盐玻璃，其特征在于，按质量百分比计，所述铝硅酸盐玻璃由以下组分组成：SiO2 59％～62％，Al2O3 12％～15％，B2O3 1.5％～3.0％，Na2O 9％～13％，K2O 1.0％～2.5％，P2O5 3.0％～4.5％，ZrO2 0.2％～0.5％，TiO2 0.5％～1.0％，氟化物1.0％～1.5％，MgO 2％～4％及ZnO 1.5％～2.7％，其中，所述P2O5、所述B2O3和所述Al2O3的总质量百分比为19.5％～19.8％，所述ZrO2、所述TiO2和所述氟化物的总质量百分比为2.0％～2.3％，且所述ZrO2、所述TiO2和所述氟化物的质量之和与所述P2O5、所述B2O3和所述Al2O3的质量之和的比为0.10～0.12；
所述铝硅酸盐玻璃经热处理后，具有65％～78％的雾度值；所述铝硅酸盐玻璃经过钢化后，具有40μm～42μm的钢化层深度，0.10mm～0.15mm的钢化翘曲度。
2.根据权利要求1所述的铝硅酸盐玻璃，其特征在于，按照质量百分比计，所述铝硅酸盐玻璃由以下组分组成：SiO2 59％，Al2O3 15％，B2O3 1.5％，Na2O 13％，K2O 1.0％，P2O53.0％，ZrO2 0.5％，TiO2 0.5％，氟化物1.0％，MgO 4％及ZnO 1.5％，其中，所述P2O5、所述B2O3和所述Al2O3的总质量百分比为19.5％，所述ZrO2、所述TiO2和所述氟化物的总质量百分比为2.0％，且所述ZrO2、所述TiO2和所述氟化物的质量之和与所述P2O5、所述B2O3和所述Al2O3的质量之和的比为0.10。
3.根据权利要求1所述的铝硅酸盐玻璃，其特征在于，按照质量百分比计，所述铝硅酸盐玻璃由以下组分组成：SiO2 60％，Al2O3 14％，B2O3 2％，Na2O 12％，K2O 1.5％，P2O53.8％，ZrO2 0.2％，TiO2 0.5％，氟化物1.5％，MgO 3％及ZnO 1.5％，其中，所述P2O5、所述B2O3和所述Al2O3的总质量百分比为19.8％，所述ZrO2、所述TiO2和所述氟化物的总质量百分比为2.2％，且所述ZrO2、所述TiO2和所述氟化物的质量之和与所述P2O5、所述B2O3和所述Al2O3的质量之和的比为0.11。
4.根据权利要求1所述的铝硅酸盐玻璃，其特征在于，按照质量百分比计，所述铝硅酸盐玻璃由以下组分组成：SiO2 61％，Al2O3 13％，B2O3 2.5％，Na2O 10.5％，K2O 2.0％，P2O54.0％，ZrO2 0.5％，TiO2 0.7％，氟化物1.0％，MgO 2.5％及ZnO 2.3％，其中，所述P2O5、所述B2O3和所述Al2O3的总质量百分比为19.5％，所述ZrO2、所述TiO2和所述氟化物的总质量百分比为2.2％，且所述ZrO2、所述TiO2和所述氟化物的质量之和与所述P2O5、所述B2O3和所述Al2O3的质量之和的比为0.11。
5.根据权利要求1所述的铝硅酸盐玻璃，其特征在于，按照质量百分比计，所述铝硅酸盐玻璃由以下组分组成：SiO2 62％，Al2O3 12％，B2O3 3％，Na2O 9％，K2O 2.5％，P2O54.5％，ZrO2 0.3％，TiO2 1％，氟化物1.0％，MgO 2％及ZnO 2.7％，其中，所述P2O5、所述B2O3和所述Al2O3的总质量百分比为19.5％，所述ZrO2、所述TiO2和所述氟化物的总质量百分比为2.3％，且所述ZrO2、所述TiO2和所述氟化物的质量之和与所述P2O5、所述B2O3和所述Al2O3的质量之和的比为0.12。
6.一种铝硅酸盐玻璃的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
按质量百分比计，称取如下原料：SiO2 59％～62％，Al2O3 12％～15％，B2O3 1.5％～3.0％，Na2O 9％～13％，K2O 1.0％～2.5％，P2O5 3.0％～4.5％，ZrO2 0.2％～0.5％，TiO20.5％～1.0％，氟化物1.0％～1.5％，MgO 2％～4％及ZnO 1.5％～2.7％，其中，所述P2O5、所述B2O3和所述Al2O3的总质量百分比为19.5％～19.8％，所述ZrO2、所述TiO2和所述氟化物的总质量百分比为2.0％～2.3％，且所述ZrO2、所述TiO2和所述氟化物的质量之和与所述P2O5、所述B2O3和所述Al2O3的质量之和的比为0.10～0.12；
将所述原料混合，并进行熔制，得到玻璃浆料；及
将所述玻璃浆料成型，再经退火处理，得到铝硅酸盐玻璃；所述铝硅酸盐玻璃经热处理后，具有65％～78％的雾度值；所述铝硅酸盐玻璃经过钢化后，具有40μm～42μm的钢化层深度，0.10mm～0.15mm的钢化翘曲度。
7.根据权利要求6所述的铝硅酸盐玻璃的制备方法，其特征在于，所述将所述原料混合，并进行熔制的步骤中，熔制的温度为1550℃～1650℃，熔制的时间为4h～12h；及/或，
所述退火处理的步骤中，退火处理的温度为600℃～700℃，退火处理的时间为1h～6h。
8.根据权利要求6所述的铝硅酸盐玻璃的制备方法，其特征在于，所述将所述原料混合，并进行熔制，得到玻璃浆料的步骤之后，所述将所述玻璃浆料成型的步骤之前，还包括将所述玻璃浆料进行均化处理的步骤，所述均化处理的温度为1400℃～1500℃，所述均化处理的时间为0.5h～2h。
9.一种强化玻璃，其特征在于，所述强化玻璃由权利要求1～5任一项所述的铝硅酸盐玻璃或由权利要求6～8任一项所述的铝硅酸盐玻璃的制备方法制备得到的铝硅酸盐玻璃强化得到，所述强化玻璃的应力层深度大于30μm。
10.权利要求1～5任一项所述的铝硅酸盐玻璃或权利要求9所述的强化玻璃在制备移动设备外壳、制备触控装置及制备智能家居设备中的应用。
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| CN110510874A (zh) | 2019-11-29 |
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