高强度、耐划痕且透明的玻璃基材料制造技术

本文提供了透明玻璃基材料的实施方式，所述透明玻璃基材料包含玻璃相和不同于该玻璃相且分散于该玻璃相中的第二相。第二相可包含晶相或纳米晶相、纤维和/或玻璃颗粒。在一些实施方式中，第二相为晶相。在一种或更多种实施方式中，玻璃基材料在约400nm～约700nm的可见光谱上具有至少约88％的透射率，且具有至少约0.9MPa

【技术实现步骤摘要】
高强度、耐划痕且透明的玻璃基材料
[0001]本申请是申请号为201680029969.9、申请日为2016年3月23日、名称为“高强度、耐划痕且透明的玻璃基材料”的专利申请的分案申请。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]本申请依据35 U.S.C.
§
119要求2015年6月30日提交的美国临时申请序列号62/186547和2015年3月24提交的美国临时申请序列号62/137345的优先权，它们的内容作为本申请的基础，并通过引用全文纳入本文。
[0004]背景
[0005]本公开涉及展现出改善的断裂韧度和耐划痕性的透明玻璃基材料。
[0006]已知的展现出改善的挠曲强度的玻璃基材料经常依赖于诸如化学强化和热强化这样的后处理。这些经过化学强化的玻璃已被广泛用于包括手持式显示器和平板电脑在内的电子装置中。这些玻璃基材料的其它强度性能(例如断裂模量和断裂韧度)和耐划痕性可能受限。已知的展现出改善的断裂模量或断裂韧度以及耐划痕性的玻璃基材料一般是不透明的。因此，需要一种展现出相对于已知的玻璃基材料具有改善的断裂韧度和耐划痕性的透明材料。
[0007]专利技术概述
[0008]本文提供了透明玻璃基材料的实施方式，所述透明玻璃基材料包含玻璃相和不同于该玻璃相且分散于该玻璃相中的第二相。第二相可包含晶相或纳米晶相、纤维和/或玻璃颗粒。在一些实施方式中，第二相为晶相。玻璃基材料具有高模量和断裂韧度且耐划痕。在一些实施方式中，材料可经过化学强化。例如，这些材料可以是可进行离子交换的。
[0009]因此，本公开的一个方面是提供一种玻璃基材料。所述玻璃基材料包含玻璃相和不同于所述玻璃相且分散于所述玻璃相中的第二相。所述玻璃基材料在约400nm～约700nm的可见光谱上具有至少约88％/mm的透射率，并且具有至少约0.9MPa
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的断裂韧度。当使用努氏(Knoop)金刚石以至少5N的负荷对所述玻璃基材料的表面进行划刻以形成宽度为w的划痕时，所述玻璃基材料的表面不含尺寸大于3w的碎屑。
[0010]本公开的第二方面是提供一种玻璃基材料，所述玻璃基材料包含玻璃相和不同于所述玻璃相且分散于所述玻璃相中的第二相。所述玻璃基材料在约400nm～约700nm的可见光谱上具有至少88％/mm的透射率，并且具有至少约0.9MPa
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的断裂韧度(K
1C
)。所述玻璃相具有第一折射率，所述第二相具有第二折射率，且所述第一折射率与所述第二折射率之间的差异小于约0.025。所述玻璃基材料的第二相包含平均粒径在5nm～200nm范围内的颗粒，且所述玻璃基材料中所述第二相的体积分数在10％～约98％的范围内。
[0011]本公开的第三方面是提供一种玻璃基材料，所述玻璃基材料包含玻璃相和不同于所述玻璃相且分散于所述玻璃相中的第二相。所述玻璃基材料在约400nm～约700nm的可见光谱上具有至少88％的透射率，且具有至少约0.9MPa
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或至少约0.9MPa
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的韧度、小于约45
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‑1的热膨胀系数和约80GPa～约100GPa范围内的杨氏模量(E)。
[0012]从以下详细描述、附图和所附权利要求书能明显地看出本专利技术的上述及其他方面、优点和显著特征。
[0013]附图的简要说明
[0014]图1是用于进行落球测试的现有技术设备的示例性剖面图；
[0015]图2是用于进行本公开中所述倒球在砂纸上(IBoS)测试的设备的一种实施方式的示意性剖面图；
[0016]图3是用于移动或手持式电子装置中的玻璃基材料中通常发生的损伤引入和弯曲所导致的失效的主要机理的示意性剖面解说图；
[0017]图4是一种用于在本文所述的设备中进行IBoS测试的方法的流程图；
[0018]图5是环叠环设备的示意性剖面图；
[0019]图6显示了玻璃基材料1的扫描电子显微镜图像；
[0020]图7A显示了玻璃基材料6在进行离子交换之前的扫描电子显微镜图像；
[0021]图7B显示了玻璃基材料6在进行离子交换之后的扫描电子显微镜图像；
[0022]图8是显示经过强化的试样6A～6D的ROR强度、AROR强度和压缩应力层深度数据的图表；
[0023]图9显示了玻璃基材料6在温度为750℃的浴中经过4小时化学强化之后的能量分散X射线(EDX)谱图；
[0024]图10显示了玻璃基材料6在温度为775℃的浴中经过4小时化学强化之后的能量分散X射线(EDX)谱图；
[0025]图11A～11D是在用努氏金刚石以不同负荷划刻玻璃基材料1之后的图像；
[0026]图12是在用努氏金刚石以5N负荷划刻玻璃基材料1之后的放大图；
[0027]图13是在用努氏金刚石以5N负荷划刻玻璃基材料6B之后的放大图；以及
[0028]图14是显示玻璃基材料7和比较例玻璃材料13的IBoS结果的图表。
[0029]专利技术详述
[0030]在以下描述中，在所有附图所示的若干视图中，相同的附图标记表示类似或相应的部分。还应理解，除非另外说明，否则，术语例如“顶部”、“底部”、“向外”、“向内”等是为了方便起见的用语，不应视为限制性用语。此外，每当将一个组描述为包含一组要素和它们的组合中的至少一种时，应将其理解为所述组可以单个要素或相互组合的形式包含任何数量的这些所列要素，或者主要由任何数量的这些所列要素组成，或者由任何数量的这些所列要素组成。类似地，每当将一个组描述为由一组要素中的至少一个要素或它们的组合组成时，应将其理解为所述组可以单个要素或相互组合的形式由任何数量的这些所列要素组成。除非另有说明，否则，列举的数值范围同时包括所述范围的上限和下限，以及所述上限和下限之间的任意范围。除非另外说明，否则，本文所用的修饰语“一个”或“一种”及其相应的修饰语“该(所述)”表示“至少一(个/种)”、或者“一(个/种)或多(个/种)。”还应理解的是，在说明书和附图中揭示的各种特征可以任意和所有的组合方式使用。
[0031]从总体上参见附图，应理解图示是为了描述本公开的具体实施方式，这些图示不构成对本公开的内容或所附权利要求书的限制。为了清楚和简明起见，附图不一定按比例绘制，附图的某些特征和某些视图可能按比例放大显示或以示意图方式显示。
[0032]如本文所用，术语“玻璃制品”和“多种玻璃制品”以它们最广泛的意义来使用，包括全部或部分由本文所述的玻璃或玻璃基材料制成的任何物体。除非另有说明，否则所有组成都以摩尔百分数(摩尔％)表示。热膨胀系数(CTE)的单位是10
‑7/℃，且除非另有说明，
其表示在约20℃～约300℃温度范围内的测量值。
[0033]如本文所述，术语“液相线温度”或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种玻璃基材料，所述玻璃基材料包含玻璃相和不同于所述玻璃相且分散于所述玻璃相中的第二相，其中，所述玻璃基材料在约400nm～约800nm的可见光谱上具有至少约90％的透射率，且具有至少约1.3MPa
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的断裂韧度，且玻璃基材料包含具有小于约100nm主尺寸的微晶，当使用努氏金刚石以至少5N的负荷对所述玻璃基材料的表面进行划刻以形成宽度为w的划痕时，所述玻璃基材料的表面不含尺寸大于3w的碎屑，其中所述第二相为晶体陶瓷相，其包含莫来石、尖晶石、β
‑
石英、透锂长石、二硅酸锂、β
‑
锂辉石、霞石和氧化铝中的至少一种，其中所述玻璃相包含钠钙玻璃、碱性铝硅酸盐玻璃和硅酸锂铝玻璃中的至少一种,并且其中玻璃相基本上不含氧化砷或氧化锑。2.如权利要求1所述的玻璃基材料，其特征在于，所述晶相占所述玻璃基材料的高达98体积％。3.如权利要求1或2所述的玻璃基材料，其特征在于，还包含第二晶相，所述第二晶相包含霞石或钙长石。4.如前述权利要求中任一项所述的玻璃基材料，其特征在于，所述第二相包含纳米晶体、纤维和无定形颗粒中的至少一种。5.如前述权利要求中任一项所述的玻璃基材料，其特征在于，所述第二相包含金刚石、碳和金属中的至少一种的纳米晶体。6.如前述权利要求中任一项所述的玻璃基材料，其特征在于，所述第二相包含碳、陶瓷和玻璃中的至少一种的纤维。7.如权利要求6所述的玻璃基材料，其特征在于，所述玻璃相的折射率与所述第二相的折射率之间的差异小于约0.025。8.如前述权利要求中任一项所述的玻璃基材料，其特征在于，所述玻璃基材料经过离子交换，且在磨损后具有至少约250MPa的残留强度，所述残留强度通过磨损环叠环测试测量。9.如前述权利要求中任一项所述的玻璃基材料，其特征在于，所述玻璃基材料具有小于约45
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‑1的热膨胀系数。10.如前述权利要求中任一项所述的玻璃基材料，其特征在于，所述玻璃基材料具有约80GPa～约100GPa范围内的杨氏模量。11.如前述权利要求中任一项所述的玻璃基材料，其特征在于，所述玻璃基材料具有约0.1mm～约2mm范围内的厚度，且当所述玻璃基材料在倒置落球测试中从约80cm的高度坠落至磨损材料上时，所述玻璃基材料具有至少约60％的幸存率。12.一种玻璃基材料，所述玻璃基材料包含玻璃相和不同于所述玻璃相且分散于所述玻璃相中的第二相，其中，所述玻璃基材料在约400nm～约800nm的可见光谱上具有至少约90％的透射率，且具有至少约1.3MPa
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的断裂韧度，且玻璃基材料包含具有小于约100nm主尺寸的微晶，当使用努氏金刚石以至少5N的负荷对所述玻璃基材料的表面进行划刻以形成宽度为w的划痕时，所述玻璃基材料的表面不含尺寸大于3w的碎屑，其中所述第二相为晶体陶瓷相，其包含莫来石、尖晶石、β
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石英、透锂长石、二硅酸锂、β
‑
锂辉石、霞石和氧化铝中的至少一种，其中所述玻璃相包含钠钙玻璃、碱性铝硅酸盐玻璃和硅酸锂铝玻璃中的至少一种,并且其中玻璃相包含约0摩尔％～约4摩尔％范围内的SrO和约0摩尔％～约4摩尔％的CaO中的任一种或更多种。
13.如权利要求12所述的玻璃基材料，其特征在于，所述晶相包含平均晶粒粒度在5nm～200nm范围内的晶体，所述平均晶粒粒度通过X射线衍射/里特维德分析测定。14.如权利要求13所述的玻璃基材料，其特征在于，所述晶相占所述玻璃基材料的高达98体积％。15.如权利要求13或14所述的玻璃基材料，其特征在于，还包含第二晶相，所述第二晶相包含霞石或钙长石。16.如权利要求12
‑
14中任一项所述的玻璃基材料，其特征在于，所述第二相包含纳米晶体、纤维和无定形颗粒中的至少一种。17.如权利要求12
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14中任一项所述的玻璃基材料，其特征在于，所述第二相包含金刚石、碳和金属中的至少一种的纳米晶体。18.如权利要求12
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14中任一项所述的玻璃基材料，其特征在于，所述第二相包含碳、陶瓷和玻璃中的至少一种的纤维。19.如权利要求12
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14中任一项所述的玻璃基材料，其特征在于，所述玻璃基材料经过离子交换，且在磨损后具有至少约250MPa的残留强度，所述残留强度通过磨损环叠环测试测量。20.如权利要求12
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14中任一项所述的玻璃基材料，其特征在于，所述玻璃基材料具有小于约45
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‑1的热膨胀系数。21.如权利要求12
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14中任一项所述的玻璃基材料，其特征在于，所述玻璃基材料具有约80GPa～约100GPa范围内的杨氏模量。22.如权利要求12
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14中任一项所述的玻璃基材料，其特征在于，所述玻璃基材料具有约0.1mm～约2mm范围内的厚度，且当所述玻璃基材料在倒置落球测试中从约80cm的高度坠落至磨损材料上时，所述玻璃基材料具有至少约60％的幸存率。23.一种用于消费类电子产品中以保护产品内关键装置的盖板、壳体或外壳，从而提供用于输入和/或显示的用户界面，所述盖板、壳体或外壳包含：玻璃相，其中所述玻璃相包含钠钙玻璃、碱性铝硅酸盐玻璃和硅酸锂铝玻璃中的至少一种；和不同于所述玻璃相且分散于所述玻璃相中的第二相，其中所述第二相是晶体陶瓷相，其中所述晶相包含莫来石、尖晶石、β
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石英、透锂长石、二硅酸锂、β
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锂辉石、霞石和氧化铝中的至少一种；其中所述晶相包含平均晶粒粒度在5nm～200nm范围内的晶体，所述平均晶粒粒度通过X射线衍射/里特维德分析测定；其中所述晶相占所述盖板、壳体或外壳的高达98体积％；其中所述盖板、壳体或外壳具有约0.1mm～约2mm范围内的厚度；其中所述盖板、壳体或外壳在约400nm～约700nm的可见光谱上具有至少约88％的透射率；其中所述盖板、壳体或外壳具有至少约0.9MPa
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的断裂韧度；以及其中当使用努氏金刚石以至少5N的负荷对所述盖板、壳体或外壳的表面进行划刻以形成宽度为w的划痕时，所述盖板、壳体或外壳的表面不含尺寸大于3w的碎屑。24.如权利要求23所述的盖板、壳体或外壳，其特征在于，其中所述玻璃相的折射率与
所述第二相的折射率之间的差异小于约0.025。25.如权利要求23至24中任一项所述的盖板、壳体或外壳，其特征在于，其中所述的盖板、壳体或外壳经过离子交换，且在磨损后具有至少约250MPa的残留强度，所述残留强度通过磨损环叠环测试测量。26.如权利要求23至25中任一项所述的盖板、壳体或外壳，其特征在于，其中所述的盖板、壳体或外壳具有小于约45
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‑1的热膨胀系数。27.如权利要求23至26中任一项所述的盖板、壳体或外壳，其特征在于，其中所述的盖板、壳体或外壳具有约80GPa～约100GPa范围内的杨氏模量。28.如权利要求23至27中任一项所述的盖板、壳体或外壳，其特征在于，当所述的盖板、壳体或外壳在倒置落球测试中从约80cm的高度坠落至磨损材料上时，所述的盖板、壳体或外壳具有至少约60％的幸存率。29.一种消费类电子产品，其包含权利要求23至28中任一项所述的盖板、壳体或外壳，其中所述的盖板、壳体或外壳是形成显示屏的外侧部分的所述盖板，并且消费类电子产品是智能手机。30.一种用于消费类电子产品中以保护产品内关键装置的盖板、壳体或外壳，从而提供用于输入和/或显示的用户界面，所述盖板、壳体或外壳包含：玻璃相，其中所述玻璃相包含钠钙玻璃、碱性铝硅酸盐玻璃和硅酸锂铝玻璃中的至少一种；和不同于所述玻璃相且分散于所述玻璃相中的第二相，其中所述第二相是晶体陶瓷相，其中所述晶相包含莫来石、尖晶石、β
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石英、透锂长石、二硅酸锂、β
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锂辉石、霞石和氧化铝中的至少一种；其中所述晶相包含平均晶粒粒度在5nm～200nm范围内的晶体，所述平均晶粒粒度通过X射线衍射/里特维德分析测定；其中所述晶相占所述盖板、壳体或外壳的高达98体积％；其中所述盖板、壳体或外壳具有约0.1mm～约2mm范围内的厚度；其中所述盖板、壳体或外壳在约400nm～约700nm的可见光谱上具有至少约88％的透射率；其中所述盖板、壳体或外壳具有至少约0.9MPa
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的断裂韧度；以及其中所述玻璃相的折射率与所述第二相的折射率之间的差异小于约0.025。31.如权利要求30所述的盖板、壳体或外壳，其特征在于，其中所述的盖板、壳体或外壳经过离子交换，且在磨损后具有至少约250MPa的残留强度，所述残留强度通过磨损环叠环测试测量。32.如权利要求30至31中任一项所述的盖板、壳体或外壳，其特征在于，其中所述的盖板、壳体或外壳具有小于约45
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‑1的热膨胀系数。33.如权利要求30至32中任一项所述的盖板、壳体或外壳，其特征在于，其中所述的盖板、壳体或外壳具有约80GPa～约100GPa范围内的杨氏模量。34.如权利要求30至33中任一项所述的盖板、壳体或外壳，其特征在于，当所述的盖板、壳体或外壳在倒置落球测试中从约80cm的高度坠落至磨损材料上时，所述的盖板、壳体或外壳具有至少约60％的幸存率。
35.一种消费类电子产品，其包含权利要求30至34中任一项所述的盖板、壳体或外壳，其中所述的盖板、壳体或外壳是形成显示屏的外侧部分的所述盖板，并且消费类电子产品是智能手机。36.一种用于消费类电子产品中以保护产品内关键装置的盖板、壳体或外壳，从而提供用于输入和/或显示的用户界面，所述盖板、壳体或外壳包含：玻璃相，其中所述玻璃相包含钠钙玻璃、碱性铝硅酸盐玻璃和硅酸锂铝玻璃中的至少一种；和不同于所述玻璃相且分散于所述玻璃相中的第二相，其中所述第二相是晶体陶瓷相，其中所述晶相包含莫来石、尖晶石、β
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石英、透锂长石、二硅酸锂、β
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锂辉石、霞石和氧化铝中的至少一种；其中所述晶相包含平均晶粒粒度在5nm～200nm范围内的晶体，所述平均晶粒粒度通过X射线衍射/里特维德分析测定；其中所述晶相占所述盖板、壳体或外壳的高达98体积％；其中所述盖板、壳体或外壳具有约0.1mm～约2mm范围内的厚度；其中所述盖板、壳体或外壳在约400nm～约700nm的可见光谱上具有至少约88％的透射率；其中所述盖板、壳体或外壳具有至少约0.9MPa
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的断裂韧度；以及其中所述的盖板、壳体或外壳经过离子交换，且在磨损后具有至少约250MPa的残留强度，所述残留强度通过磨损环叠环测试测量。37.如权利要求36所述的盖板、壳体或外壳，其特征在于，其中所述的盖板、壳体或外壳具有小于约45
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‑1的热膨胀系数。38.如权利要求36至37中任一项所述的盖板、壳体或外壳，其特征在于，其中所述的盖板、壳体或外壳具有约80GPa～约100GPa范围内的杨氏模量。39.如权利要求36至38中任一项所述的盖板、壳体或外壳，其特征在于，当所述的盖板、壳体或外壳在倒置落球测试中从约80cm的高度坠落至磨损材料上时，所述的盖板、壳体或外壳具有至少约60％的幸存率。40.一种消费类电子产品，其包含权利要求36至38中任一项所述的盖板、壳体或外壳，其中所述的盖板、壳体或外壳是形成显示屏的外侧部分的所述盖板，并且消费类电子产品是智能手机。41.一种用于消费类电子产品中以保护产品内关键装置的盖板、壳体或外壳，从而提供用于输入和/或显示的用户界面，所述盖板、壳体或外壳包含：玻璃相，其中所述玻璃相包含钠钙玻璃、碱性铝硅酸盐玻璃和硅酸锂铝玻璃中的至少一种；和不同于所述玻璃相且分散于所述玻璃相中的第二相，其中所述第二相是晶体陶瓷相，其中所述晶相包含莫来石、尖晶石、β
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石英、透锂长石、二硅酸锂、β
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锂辉石、霞石和氧化铝中的至少一种；其中所述晶相包含平均晶粒粒度在5nm～200nm范围内的晶体，所述平均晶粒粒度通过X射线衍射/里特维德分析测定；其中所述晶相占所述盖板、壳体或外壳的高达98体积％；
其中所述盖板、壳体或外壳具有约0.1mm～约2mm范围内的厚度；其中所述盖板、壳体或外壳在约400nm～约700nm的可见光谱上具有至少约88％的透射率；其中所述盖板、壳体或外壳具有至少约0.9MPa
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的断裂韧度；以及其中所述的盖板、壳体或外壳具有小于约45
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‑1的热膨胀系数。42.如权利要求41所述的盖板、壳体或外壳，其特征在于，其中所述的盖板、壳体或外壳具有约80GPa～约100GPa范围内的杨氏模量。43.如权利要求40至41中任一项所述的盖板、壳体或外壳，其特征在于，当所述的盖板、壳体或外壳在倒置落球测试中从约80cm的高度坠落至磨损材料上时，所述的盖板、壳体或外壳具有至少约60％的幸存率。44.一种消费类电子产品，其包含权利要求40至42中任一项所述的盖板、壳体或外壳，其中所述的盖板、壳体或外壳是形成显示屏的外侧部分的所述盖板，并且消费类电子产品是智能手机。45.一种用于消费类电子产品中以保护产品内关键装置的盖板、壳体或外壳，从而提供用于输入和/或显示的用户界面，所述盖板、壳体或外壳包含：玻璃相，其中所述玻璃相包含钠钙玻璃、碱性铝硅酸盐玻璃和硅酸锂铝玻璃中的至少一种；和不同于所述玻璃相且分散于所述玻璃相中的第二相，其中所述第二相是晶体陶瓷相，其中所述晶相包含莫来石、尖晶石、β
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石英、透锂长石、二硅酸锂、β
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锂辉石、霞石和氧化铝中的至少一种；其中所述晶相包含平均晶粒粒度在5nm～2...

【专利技术属性】
技术研发人员：G，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：