包含金屬氧化物濃度梯度的可熔合成形的基于玻璃的制品制造技術

本發明專利技術涉及包含金屬氧化物濃度梯度的可熔合成形的基于玻璃的制品。基于玻璃的制品，其包括第一表面和與第一表面相對的第二表面，其限定了小于或等于約3毫米(例如，小于或等于約1毫米)的厚度(t)以及應力分布，其中，在約為0t至高至0.3t以及大于約0.7t至t的厚度范圍內的應力分布的所有點包括如下正切，其斜率的絕對值大于約0.1MPa/微米。在一些實施方式中，基于玻璃的制品包括非零金屬氧化物濃度，其沿著至少一部分的厚度(例如，0t至約為0.3t)變化，以及還包括小于約71.5/√(t)(MPa)的最大中心張力。在一些實施方式中，金屬氧化物或堿金屬氧化物的濃度從第一表面降低到位于所述第一表面和第二表面之間的一個點，并且從該點增加到所述第二表面。金屬氧化物的濃度在整個厚度上可以是約為大于或等于0.05摩爾％或者約為大于或等于0.5摩爾％。還揭示了用于形成此類基于玻璃的制品的方法。

Glass based article containing fused oxide gradient of metal oxide concentration

The present invention relates to glass forming articles that can be formed by fusion of metal oxide concentration gradients. Glass based products, which comprises a first surface and a second surface opposite to the first surface, the limit is less than or equal to about 3 mm (for example, less than or equal to about 1 mm) thickness (T) and stress distribution, which is about 0t to 0.3T in the high and the thickness of greater than about 0.7T to t the range of the stress distribution in all points include tangent, absolute value of the slope is greater than about 0.1MPa/ microns. In some embodiments, including non zero metal oxide concentration based on the glass products, along at least a portion of the thickness (for example, 0t to about 0.3T) changes, and also includes less than about 71.5/ V (T) (MPa) the largest center of tension. In some embodiments, the concentration of alkali metal oxide or metal oxide from the first surface to reduce in the one point between the first surface and the second surface, and increased from the point to the second surface. The concentration of metal oxides can be approximately greater than or equal to 0.05 mol% or approximately greater than or equal to 0.5 mol% over the entire thickness. A method for forming such glass based articles is also disclosed.

【技術實現步驟摘要】
包含金屬氧化物濃度梯度的可熔合成形的基于玻璃的制品相關申請的交叉引用本申請依據35U.S.C.§119要求2016年7月22日提交的美國臨時申請序列號62/365534、2016年7月20日提交的美國臨時申請序列號62/364687、2016年4月8日提交的美國臨時申請序列號62/320095和2015年12月11日提交的美國臨時申請序列號62/266411的優先權，上述文獻的內容作為本申請的基礎，并通過引用全文納入本文。
技術介紹
本專利技術涉及可熔合成形的基于玻璃的制品，其展現出包括改善的耐斷裂性在內的改善的耐損壞性，更具體而言，本專利技術涉及可熔融成形的玻璃和玻璃陶瓷制品，其展現出非零的金屬氧化物濃度梯度或沿著大部分厚度而變化的濃度。基于玻璃的制品經常經歷會將大瑕疵引入這些制品表面內的嚴重的沖擊。這些瑕疵可從表面延伸至不超過約200微米(μm)的深度處。通常，使用經過熱鋼化的玻璃來防止因這些瑕疵被引入玻璃內而導致的失效，因為經過熱鋼化的玻璃經常展現出大的壓縮應力(CS)層(例如玻璃總厚度的約21％)，所述壓縮應力層能夠防止瑕疵進一步蔓延入玻璃內，進而防止失效。由熱鋼化而產生的應力分布的一個例子示于圖1。圖1中，經過熱處理的玻璃制品100包含第一表面101、厚度t1和表面CS110。經過熱處理的玻璃制品100的CS在從第一表面101至壓縮深度130的區間內減小，如本文所定義，在所述壓縮深度130處，應力從壓縮應力轉變為拉伸應力，并且達到最大中心張力(CT)120。目前，熱鋼化被限制為只對基于厚玻璃的制品(即，厚度t1約為3毫米或更厚的基于玻璃的制品)使用，因為，為了實現熱強化和所需的殘余應力，必須在這些制品的芯體與表面之間形成足夠的熱梯度。這些厚的制品在許多應用中是不希望的或沒有實用性，所述應用如顯示器(例如消費電子產品，包括手機、平板電腦、計算機、導航系統等)、建筑物(例如窗戶、淋浴面板、臺面等)、運輸工具(例如汽車、火車、飛行器、航海器等)、家用電器或任何需要具有優異的耐斷裂性同時薄且重量輕的制品的應用。雖然化學強化不會以與熱鋼化相同的方式受限于基于玻璃的制品的厚度，但已知的經過化學強化的基于玻璃的制品未能展現出經過熱鋼化的基于玻璃的制品的應力分布。由化學強化(例如通過離子交換法)而產生的應力概況的一個例子示于圖2。圖2中，經過化學強化的基于玻璃的制品200包含第一表面201、厚度t2和表面CS210。基于玻璃的制品200的CS在從第一表面201至DOC230的區間內減小，如本文所定義，在所述深度DOC230處，應力從壓縮應力轉變為拉伸應力，并且達到最大CT220。如圖2所示，該分布展現出基本上平坦的CT區域或沿著CT區域的至少一部分具有恒定或接近恒定的拉伸應力的CT區域。相比于圖1中所示的最大中心數值，已知的經過化學強化的基于玻璃的制品經常展現出更低的最大CT值。因此，需要能夠展現處改善的耐斷裂性的薄的基于玻璃的制品。
技術實現思路
本專利技術的第一方面涉及一種基于玻璃的制品，其包含第一表面和與第一表面相對的第二表面，其限定出以毫米(mm)為單位的厚度(t)、非零且沿著約0·t～約0.3·t范圍內的厚度而變化的金屬氧化物的濃度；以及具有小于約71.5/√(t)(MPa)的最大中心張力(CT)區域。在一種或多種實施方式中，利用Z.Tang等人在《用于測量經過強化的玻璃的易碎性和碎片化的自動化設備》(AutomatedApparatusforMeasuringtheFrangibilityandFragmentationofStrengthenedGlass)中所描述的“易碎性測試”進行測量，當基于玻璃的制品斷裂時，該基于玻璃的制品斷裂成最多2塊碎片/英寸2。《試驗機理》(ExperimentalMechanics)(2014)54：903～912。碎片的數量除以被測樣品的面積(單位：平方英寸)，其中，所使用的樣品尺寸為5cm×5cm(2英寸×2英寸)平方。在一種或多種實施方式中，金屬氧化物的濃度非零且沿著整個厚度變化。在一種或多種實施方式中，金屬氧化物沿著上述厚度范圍產生了應力。上述金屬氧化物的一價離子可具有基于玻璃的基材內所有金屬氧化物的一價離子中最大的離子半徑。金屬氧化物的濃度可在從第一表面至第一表面與第二表面之間的一個點的區間內減小，并且在從該點至第二表面的區間內增大。例如，金屬氧化物在第一表面處的濃度可約為金屬氧化物在等于約0.5·t的深度處的濃度的1.5倍(或更大)。在一些例子中，金屬氧化物的濃度在整個厚度中約為0.05摩爾％或更大(例如，在約1摩爾％～約15摩爾％的范圍內)。在一些例子中，金屬氧化物的濃度可在從第一表面至第一表面與第二表面之間一個點處的數值的區間內減小，并且在從該數值至第二表面的區間內增大。上述金屬氧化物可包含Li2O、Na2O、K2O、Rb2O和Cs2O中的一種或多種。在一種或多種實施方式中，基于玻璃的制品的CT區域中可存在金屬氧化物的濃度梯度。在一種或多種實施方式中，基于玻璃的制品包含沿著厚度延伸的應力分布，其中，厚度范圍在約0·t～高至0.3·t以及大于約0.7·t至t內的應力分布上的所有點都具有斜率的絕對值大于約0.1MPa/μm的切線(即，斜率值小于約-0.1MPa/μm或大于約0.1MPa/μm的切線)。在一些實施方式中，切線可與“局部梯度”交換著描述和使用，所述“局部梯度”定義為隨著深度增加接近零，應力大小隨深度的變化。在一些實施方式中，應力分布包含最大CS、DOC和小于約71.5/√(t)(MPa)的最大CT，其中，最大CT與最大CS的絕對值的比值在約0.01～約0.2的范圍內，且DOC約為0.1·t或更大。在一種或多種實施方式中，本文所述的基于玻璃的制品展現出某種斷裂特性。例如，在一種或多種實施方式中，當基于玻璃的制品因單一事件而斷裂時(即，諸如墜落或與工具發生一次沖擊這樣的單一沖擊)，該基于玻璃的制品斷裂成最多2塊碎片/英寸2，其中，所使用的樣品尺寸為5cm×5cm(2英寸×2英寸)平方。一種或多種實施方式的基于玻璃的制品可具有約300MPa或更大、或約400MPa或更大的表面壓縮應力(CS)。在一些實施方式中，基于玻璃的制品具有約200MPa或更大的表面CS、以及約0.4·t或更深的化學層深度。在一種或多種實施方式中，CS可從第一表面延伸至DOC，且DOC約為0.1·t或更深。一些實施方式中的基于玻璃的制品的最大CT與表面CS(可包括最大CS)的絕對值的比值在約0.01～約0.2的范圍內。可選地，表面CS大于最大CT。在一種或多種實施方式中，基于玻璃的制品包含第一金屬氧化物濃度和第二金屬氧化物濃度，其中，約0·t～約0.5·t的第一厚度范圍內的第一金屬氧化物濃度在約0摩爾％～約15摩爾％的范圍內，且約0微米～約25微米的第二厚度范圍內的第二金屬氧化物濃度在約0摩爾％～約10摩爾％的范圍內。可選地，基于玻璃的制品包含第三金屬氧化物。在一種或多種實施方式中，基于玻璃的制品包含非零且沿著約0·t～約0.3·t(或約0·t～約0.4·t、或約0·t～約0.45·t)的厚度范圍變化的金屬氧化物的濃度、大于約200MPa或更大的表面壓縮應力；以及最大CT小于約71本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于玻璃的制品，其包括：第一表面和與所述第一表面相對的第二表面，其限定了厚度(t)(mm)；金屬氧化物的濃度，其是非零的并且沿著從約為0t到約為0.3t的厚度范圍變化；以及中心張力(CT)區域，其包括小于約71.5/√(t)的最大CT(MPa)，其中，當所述基于玻璃的制品破裂時，所述基于玻璃的制品破裂成小于或等于2塊碎片/英寸

【技術特征摘要】
2015.12.11 US 62/266,411;2016.04.08 US 62/320,095;1.一種基于玻璃的制品，其包括：第一表面和與所述第一表面相對的第二表面，其限定了厚度(t)(mm)；金屬氧化物的濃度，其是非零的并且沿著從約為0t到約為0.3t的厚度范圍變化；以及中心張力(CT)區域，其包括小于約71.5/√(t)的最大CT(MPa)，其中，當所述基于玻璃的制品破裂時，所述基于玻璃的制品破裂成小于或等于2塊碎片/英寸2，其中，測試的樣品尺寸為5cm乘5cm(2英寸乘2英寸)平方。2.如權利要求1所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述金屬氧化物的濃度是非零的，并且沿著整個厚度變化。3.如權利要求1所述的玻璃制品，其特征在于，所述基于玻璃的制品包括大于或等于約300MPa的表面壓縮應力(CS)。4.如權利要求3所述的基于玻璃的制品，其特征在于，其中，所述表面CS大于或等于約400MPa。5.如權利要求1所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述CT區域包括金屬氧化物濃度梯度。6.如權利要求1所述的基于玻璃的制品，其包括：第一金屬氧化物濃度和第二金屬氧化物濃度，其中，隨著厚度在約為0t至約為0.5t的第一范圍內變化，所述第一金屬氧化物濃度從約為15摩爾％至約為0摩爾％的范圍內變化，以及其中，隨著厚度從距離所述第一表面和第二表面中的至少一個的約為0微米至約為25微米的第二范圍內變化，所述第二金屬氧化物濃度從約為0摩爾％至約為10摩爾％的范圍內變化。7.如權利要求1所述的基于玻璃的制品，其包括第三金屬氧化物。8.一種基于玻璃的制品，其包括：第一表面和與所述第一表面相對的第二表面，其限定了厚度(t)；以及金屬氧化物的濃度，其是非零的并且沿著從約為0t到約為0.3t的厚度范圍變化；大于或等于約200MPa的表面壓縮應力；以及CT區域，其具有小于約71.5/√(t)的最大CT。9.如權利要求8所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述金屬氧化物濃度的厚度范圍是約為0t至約為0.4t。10.如權利要求8所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述金屬氧化物濃度的厚度范圍是約為0t至約為0.45t。11.如權利要求1或8所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述金屬氧化物的單價離子沿著厚度范圍產生應力。12.如權利要求11所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述金屬氧化物的所述單價離子具有所述基于玻璃的制品的所述金屬氧化物的所有單價離子中最大的離子直徑。13.如權利要求1或8所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述金屬氧化物的濃度從第一表面降低到位于所述第一表面和第二表面之間的點的一個值，并且從該值增加到所述第二表面。14.如權利要求1或8所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述基于玻璃的制品包括在約為460℃大于或等于約450μm2/小時的鈉離子或鉀離子擴散系數，以及大于約0.15t的DOC，以及其中，所述表面CS是最大CT的1.5倍或更大。15.如權利要求8所述的基于玻璃的制品，其特征在于，表面CS的絕對值大于最大CT的絕對值。16.如權利要求8所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述表面CS大于或等于約300MPa，以及厚度小于或等于約2毫米。17.如權利要求8所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述CT區域包括金屬氧化物，所述金屬氧化物是非零的并且沿著約為0t至約為0.3t的厚度范圍發生變化。18.如權利要求1或8所述的基于玻璃的制品，其特征在于，最大CT與表面CS的絕對值之比約為0.1至0.2。19.一種基于玻璃的制品，其包括：第一表面和與所述第一表面相對的第二表面，其限定了小于約3毫米的厚度(t)；以及沿著所述厚度延伸的應力分布，其中，在約為0t至高至0.3t以及大于約0.7t至t的厚度范圍內的應力分布的所有點包括如下正切，其斜率的絕對值大于約0.1MPa/微米，其中，所述應力分布包括最大CS、DOC和小于約71.5/√(t)(MPa)的最大CT，其中，最大CT與最大CS的絕對值之比約為0.01至約為2，以及其中，所述DOC大于或等于約0.1t，以及其中，當所述基于玻璃的制品破裂時，所述基于玻璃的制品破裂成小于或等于2塊碎片/英寸2，其中，測試的樣品尺寸為5cm乘5cm(2英寸乘2英寸)平方。20.如權利要求1或19所述的基于玻璃的制品，其包括大于或等于約200MPa的表面CS，以及大于或等于約0.4t的化學層深度。21.一種基于玻璃的制品，其包括：第一表面和與所述第一表面相對的第二表面，其限定了厚度(t)(mm)；金屬氧化物的濃度，其是非零的并且沿著從約為0t到約為0.3t的厚度范圍變化；以及中心張力(CT)區域，其包括小于約71.5/√(t)的最大CT(MPa)，其中，所述制品展現出以下至少一種性質：(i)當制品被彎曲以賦予100MPa的拉伸應力時，閾值失效沖擊力大于500牛頓；以及(ii)當制品被彎曲以賦予100MPa的拉伸應力時，在受到800N的沖擊之后，保留強度大于或等于125MPa。22.如權利要求21所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述基于玻璃的制品的表面壓縮應力大于約200MPa。23.一種基于玻璃的制品，其包括：第一表面和與所述第一表面相對的第二表面，其限定了小于約3毫米的厚度(t)；以及沿著所述厚度延伸的應力分布，其中，在約為0t至高至0.3t以及大于約0.7t至t的厚度范圍內的應力分布的所有點包括如下正切，其斜率的絕對值大于約0.1MPa/微米，其中，所述應力分布包括最大CS、DOC和小于約71.5/√(t)(MPa)的最大CT，其中，最大CT與最大CS的絕對值之比約為0.01至約為2，以及其中，所述DOC大于或等于約0.1t，以及其中，所述制品展現出以下至少一種性質：(i)當制品被彎曲以賦予100MPa的拉伸應力時，閾值失效沖擊力大于500牛頓；以及(ii)當制品被彎曲以賦予100MPa的拉伸應力時，在受到800N的沖擊之后，保留強度大于或等于125MPa。24.一種基于玻璃的制品，其包括：第一表面和與所述第一表面相對的第二表面，其限定了厚度(t)(mm)；以及形成濃度梯度的金屬氧化物，其中，所述金屬氧化物的濃度從第一表面降低到位于所述第一表面和第二表面之間的點的一個值，并且從該值增加到所述第二表面，其中，所述金屬氧化物在該點的濃度不是零，以及其中，所述基于玻璃的制品包括約為大于0J/m2至小于25J/m2的存儲拉伸能，以及小于約80GPa的楊氏模量。25.如權利要求1、8或24中任一項所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述金屬氧化物的濃度在整個厚度范圍大于或等于約0.05摩爾％。26.如權利要求1、8或24中任一項所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述金屬氧化物在所述第一表面的濃度是所述金屬氧化物在等于約0.5t處的深度的濃度的約為1.5倍或更大。27.如權利要求1、8或24中任一項所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述金屬氧化物的總濃度約為1摩爾％至約為15摩爾％。28.如權利要求1、8或24中任一項所述的基于玻璃的制品，其特征在于，所述金屬氧化物包括以下任意一種或多種：Li2O、Na2O、K2O、Rb2O和Cs2O。29.如權利要求1、8或24中任一項所述的基于玻璃的制品，其包括從所述第一表面延伸到DOC的CS層，其中，DOC大于或等于約0.1t。...

【專利技術屬性】
技術研發人員：T·M·格羅斯，胡廣立，R·V·魯斯夫，C·M·史密斯，唐中幟，S·A·蒂切，
申請(專利權)人：康寧股份有限公司，
類型：發明
國別省市：美國,US