可离子交换玻璃、玻璃-陶瓷及其制造方法技术

揭示了玻璃‑陶瓷和可结晶成玻璃‑陶瓷的前体玻璃。一个或多个实施方式的玻璃‑陶瓷包括金红石、锐钛矿、镁铁钛矿或其组合作为主晶相。以摩尔％计，此类玻璃和玻璃‑陶瓷可包括如下组成：约45‑75的SiO2、约4‑25的Al2O3、约0‑10的P2O5、约0‑8的MgO、约0‑33的R2O、约0‑8的ZrO2、约0‑4的ZrO2、约0‑12的B2O3以及约0.5‑12的一种或多种成核剂。在一些玻璃‑陶瓷制品中，总晶相占玻璃‑陶瓷制品的高至20重量％。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请交叉参考本申请根据35U.S.C.§119，要求2014年6月30日提交的美国临时申请系列第61/468,173号以及2013年8月30日提交的美国临时申请系列第61/871,986号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
技术介绍
本专利技术涉及玻璃-陶瓷以及可结晶成玻璃-陶瓷的前体玻璃，它们分别可以或者都可以通过离子交换过程进行强化；及其制造方法以及包含它们的制品。具体来说，本专利技术涉及半透明或者不透明玻璃-陶瓷，其包含高至约20重量％的总晶相以及诸如锐钛矿、金红石、镁铁钛矿或其组合之类的晶相，以及用于形成此类玻璃-陶瓷的前体玻璃。在过去十年，集中于作为电子器件，例如笔记本电脑、个人数字助理、便携式导航仪、媒体播放器、移动电话、便携式存储装置以及其他此类器件(通常称作“便携式计算装置”)，同时它们变得小而轻，并且功能更强大。致力于此类较小装置的发展和可用性的一个因素是增加通过不断地降低电子组件尺寸来增加计算密度和运行速度的能力。但是，更小、更轻和功能更强大的电子器件的趋势存在关系便携式计算装置的某些组件的设计方面的不断挑战。与便携式计算装置相关的组件遭遇特别的设计挑战，包括用于罩住各种内部/电子组件的包封或外壳。该设计挑战通常来自两个冲突的设计目标：希望制造更轻和更薄的包封或外壳，以及希望制造更坚固和更刚性的包封或外壳。更轻的包封或外壳(通常是具有较少紧固件的薄的塑料结构)倾向于更为挠性，同时具有变弯和弯曲的趋势，这与更坚固和更刚性的包封或外壳(通常是重量较重的具有更多紧固件的较厚的塑料结构)相反。不幸的是，更坚固和更刚性的塑料结构的重量增加可能导致用户的不满意，然而，较轻结构的变弯和弯曲可能损害便携式计算装置的内部/电子组件，这几乎肯定会导致用户的不满意。此外，由于塑料的低硬度，塑料易于发生划痕，所以随着使用它们的外观变差。在已知的材料分类中，玻璃-陶瓷广泛地用于各种其他应用。例如，玻璃-陶瓷广泛地用于厨房如炉灶、烹饪用具以及餐具，例如碗和餐盘等。透明的玻璃-陶瓷用于生产烤箱和/或炉窗、光学元件以及镜面基材等。通常，通过在特定的温度下对(配制成可结晶的)前体玻璃进行特定时间段的结晶化，使得玻璃基质中的晶体相成核和生长，来制造玻璃-陶瓷。在一些情况下，希望形成用于便携式计算装置的玻璃-陶瓷制品具有特定光学性质，例如不透明性和颜色。基于SiO2-Al2O3-Li2O玻璃体系的已知玻璃-陶瓷包括具有β-石英固溶体(“β-石英”ss或“β-石英”)作为主晶相或者β-锂辉石固溶体(“β-锂辉石ss”或“β-锂辉石”)作为主晶相的那些。此类已知的玻璃-陶瓷会要求特定的热处理条件来实现所需的颜色并展现出较低的强度，这可能是由于晶体的尺寸和形状、它们在玻璃中所建立的应力以及残留玻璃的强度所导致的。此外，此类玻璃陶瓷还可能展现出不合乎希望的脆度水平，这可能是由于高浓度的晶相所导致的。除此之外，此类玻璃-陶瓷倾向于具有阻碍使用高产量成形方法(例如，浮法、狭缝拉制法或者熔合拉制法)的液相线粘度。例如，已知玻璃-陶瓷由液相线粘度约为10kP的前体玻璃形成，这不适用于通常需要高于100kP或者高于200kP的液相线粘度的熔合拉制法。因此，虽然玻璃-陶瓷展现出所需的性质，例如通常不能通过熔合成形实现的高不透明性、各种半透明度以及表面光泽，但是此类玻璃-陶瓷不具有熔合成形工艺所实现的质朴表面和薄度(例如，小于或等于2mm)的优势。基于上文所述的现有外壳或外罩的问题，存在对于玻璃-陶瓷和前体玻璃材料的需求，它们是可离子交换的并且具有高的液相线粘度(即，允许诸如狭缝拉制以及融合拉制等成型方法的液相线粘度)，其以潜在更为成本节约的方式为便携式计算装置提供了改进的外壳或外罩。此外，还存在对于如下材料的需求，其提供了改善的颜色性质(例如，白度水平)和/或其他不透明颜色，同时以美观的方式解决了产生轻量化、牢固和刚性外壳或外罩的设计挑战。
技术实现思路
本专利技术的一个或多个方面属于玻璃-陶瓷或者玻璃-陶瓷制品，其具有包括锐钛矿、金红石、镁铁钛矿或其组合的主晶相。在一个或多个实施方式中，本文所揭示的玻璃-陶瓷制品包含的总晶相占玻璃-陶瓷制品的高至20体积％。在一些实施方式中，玻璃-陶瓷制品包括主晶相，所述主晶相包含锐钛矿、金红石、镁铁钛矿或其组合。在一个或多个实施方式中，主晶相包括短尺度(minor dimension)小于或等于约1000nm(例如，小于或等于约500nm或者小于或等于约100nm)的晶体。主相中至少一部分的晶体可以具有长尺度(majordimension)，并且长尺度与短尺度的长宽比大于或等于约2。在一些实施方式中，长宽比可以大于或等于约5。在一些实施方式中，总晶相可以是玻璃-陶瓷制品的约20重量％或更小、约12重量％或更小或者约5重量％或更小。在特定情况下，总晶相可以包含镁铁钛矿，并且总晶相可占玻璃-陶瓷制品的5重量％。本文所述的玻璃-陶瓷可以通过它们的成形工艺来进行表征。此类玻璃-陶瓷可以通过浮法、熔合法、狭缝拉制法、薄辊法或其组合来形成。在一些实施方式中，玻璃-陶瓷可以被成形为三维形状或者可以具有三维形状。在一个或多个实施方式中，前体玻璃组合物以及玻璃的性质可以决定该加工灵活性。玻璃-陶瓷可展现出大于或等于约10千泊(kP)、大于或等于约20kP、大于或等于约50kP或者大于或等于约100kP的液相线粘度。在一个或多个实施方式中，以摩尔％计，玻璃-陶瓷(和/或前体玻璃组合物和/或包含该组合物的玻璃)包含：约45-75的SiO2、约4-25的Al2O3、约0-10(或者约0.1-10)的P2O5、约0-8的MgO、约0-33的R2O、约0-8的ZnO、约0-4的ZrO2、约0-12的B2O3以及约0.5-12的一种或多种成核剂。在一个变化形式中，成核剂可以包括TiO2。在另一个变化形式中，组合物可展现出约-4至约4的组成关系(R2O-Al2O3)。在一个或多个实施方式中，R2O可以包括Na2O、Li2O和K2O中的一种或多种。在一个或多个具体实施方式中，以摩尔％计，组合物包括：约0-12的Li2O、约4-20的Na2O和/或约0-2的K2O。在甚至更具体的实施方式中，组合物可任选地包括：非零含量至高至约2摩尔％的SnO2和/或约2-10摩尔％的B2O3。根据一个或多个实施方式的玻璃-陶瓷制品可包括从玻璃-陶瓷制品的表面延伸到玻璃-陶瓷制品中一定深度的压缩应力层(“CS”层)。可以通过离子交换过程形成CS层。本文所用术语“离子交换”或“IX”应理解为表示本文所揭示的玻璃-陶瓷(和/或玻璃)通过离子交换过程进行化学强化，其中，用经加热的盐浴对玻璃-陶瓷(和/或玻璃)进行处理，所述经加热的盐浴含有的离子的离子半径不同于玻璃-陶瓷(和/或玻璃)表面和/或块体中所存在的离子。浴中的离子替换了玻璃-陶瓷(和/或玻璃)中的那些离子，所述那些离子的半径可能较小(反之亦可，这取决于温度条件)。经受此类离子交换处理的玻璃-陶瓷和玻璃在本文中可称作“经离子交换(IX)的玻璃-陶瓷”或者“经离子交换(IX)的玻璃”。在一个变化形式中，CS层的压缩应力至少约为200MPa。CS层的深度(“D本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种玻璃‑陶瓷制品，其包括：包含锐钛矿、金红石、镁铁钛矿或其组合的主晶相；以及以摩尔％计的如下组成，该组成包括：约45‑75的SiO2；约4‑25的Al2O3；约0‑10的P2O5；约0‑8的MgO；约0‑33的R2O；约0‑8的ZnO；约0‑4的ZrO2；约0.5‑12的TiO2；以及约0‑12的B2O3；其中，R2O包括Na2O、Li2O和K2O中的一种或多种。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.08.30 US 61/871,986;2014.06.30 US 62/018,7371.一种玻璃-陶瓷制品，其包括：包含锐钛矿、金红石、镁铁钛矿或其组合的主晶相；以及以摩尔％计的如下组成，该组成包括：约45-75的SiO2；约4-25的Al2O3；约0-10的P2O5；约0-8的MgO；约0-33的R2O；约0-8的ZnO；约0-4的ZrO2；约0.5-12的TiO2；以及约0-12的B2O3；其中，R2O包括Na2O、Li2O和K2O中的一种或多种。2.如权利要求1所述的玻璃-陶瓷制品，其特征在于，(R2O-Al2O3)约为-4至约4。3.如前述任一项权利要求所述的玻璃-陶瓷制品，其特征在于，以摩尔％计，所述组成包括：约0-12的Li2O；约4-20的Na2O；以及约0-2的K2O。4.如前述任一项权利要求所述的玻璃-陶瓷制品，其特征在于，以摩尔％计，所述组成包括以下任意一种或多种：约2-10的B2O3；以及约为0.1-10的P2O5。5.如前述任一项权利要求所述的玻璃-陶瓷制品，所述玻璃-陶瓷制品还包括小于或等于5重量％的总晶相，其中，所述总晶相包括镁铁钛矿。6.如权利要求1所述的玻璃-陶瓷制品，所述玻璃-陶瓷制品还包括高至20重量％的总晶相。7.如前述任一项权利要求所述的玻璃-陶瓷制品，所述玻璃-陶瓷制品还包括从所述玻璃-陶瓷制品的表面延伸到压缩应力层深度的压缩应力层，所述压缩应力层包括大于或等于约200MPa的压缩应力以及大于或等于约15um的压缩应力层深度。8.如前述任一项权利要求所述的玻璃-陶瓷制品，所述玻璃-陶瓷制品还展现出大于或等于约10kgf的维氏压痕裂纹开裂负荷。9.一种玻璃-陶瓷制品，其包括：包含锐钛矿、金红石、镁铁钛矿或其组合的主晶相；其中，所述玻璃-陶瓷制品是由液相线粘度大于或等于约10kP的前体玻璃形成的。10.如权利要求9所述的玻璃-陶瓷制品，其特征在于，所述主晶相包括短尺度小于或等于1000nm的晶体，并且其中，所述晶体包括长尺度以及所述长尺度与短尺度的长宽比，其大于或等于约2。11.如权利要求9或10所述的玻璃-陶瓷制品，其特征在于，锐钛矿与金红石的总量小于所述玻璃-陶瓷制品的约12重量％。12.如权利要求9-11中任一项所述的玻璃-陶瓷制品，其特征在于，镁铁钛矿的量小于所述玻璃-陶瓷制品的约5重量％。13.如权利要求9-12中任一项所述的玻璃-陶瓷制品，所述玻璃-陶瓷制品还包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·J·德内卡，付强，T·M·格罗斯，郭晓菊，S·利基凡尼奇库，J·C·莫罗，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US