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一种彩色微晶玻璃及其制备方法
申请号	CN202311850595.5	申请日	2023-12-28	公开(公告)号	CN117800607A	公开(公告)日	2024-04-02
申请人	四川虹科创新科技有限公司;			发明人	梁雅琼; 徐国梁; 董俊威; 刘金凤; 李光华; 张俊; 何华超;
摘要	本发明涉及玻璃制造和玻璃加工领域，公开了一种彩色微晶玻璃及其制备方法，本申请制备方法中通过控制原料各组分的比例，和化学强化参数的控制，实现了对彩色微晶玻璃的机械强度的加强，使得制备出的彩色微晶玻璃的应力层深度DOL(Na+)≥180μm，DOL(k+)≥30μm，维氏硬度≥7.5GPa，四点弯曲强度≥1000MPa，抗冲击强度≥2J，整机砂纸跌落高度≥200cm，具备优异的机械性能和良好的色彩变化，具备紫色、蓝色、绿色、黄色、茶色、红色、粉红色、白色、黑色中的一种或多种颜色无规律分布，还能够实现渐变色到混合色等颜色变化。
权利要求	1.一种彩色微晶玻璃，其特征在于，晶相为透锂长石、二硅酸锂和石英晶相中的一种或多种，平均晶粒尺寸≤25nm，析晶度≥70％。 + 2.根据权利要求1所述的一种彩色微晶玻璃，其特征在于，应力层深度DOL(Na)≥180μ+ m，DOL(k)≥30μm，维氏硬度≥7.5GPa，四点弯曲强度≥1000MPa，抗冲击强度≥2J，整机砂纸跌落高度≥200cm。 3.根据权利要求1所述的一种彩色微晶玻璃，其特征在于，厚度为t，单位为mm，化学强化的强化膨胀量在(‑23‰*t+22‰)以下。 4.根据权利要求1所述的一种彩色微晶玻璃，其特征在于，彩色微晶玻璃的组分包括氧化物质量百分比计的：SiO2 65％～75％，Al2O3 5％～10％，Na2O0.5％～5％，Li2O 8％～ 15％，ZrO2 3％～8％，BaO 0％～4％，P2O5 1％～3％，澄清剂0.1％～2％，着色组分0.01％～10％； 2‑ ‑ ‑ ‑ 澄清剂为SO4 、NO3、F、Cl、CeO2、Sb2O3、SnO2中的一种或多种；着色组分包括过渡金属和稀土元素氧化物的一种或几种。 5.根据权利要求1所述的一种彩色微晶玻璃，其特征在于，SiO2+Al2O3+Li2O为81％～ 93％。 6.根据权利要求1所述的一种彩色微晶玻璃，其特征在于，Li2O+ZrO2+P2O5为14％～ 21％。 7.根据权利要求1所述的一种彩色微晶玻璃，其特征在于，(Al2O3+ZrO2)/(Na2O+P2O5+Li2O)为0.4～1。 8.根据权利要求1所述的一种彩色微晶玻璃，其特征在于，Al2O3/(Na2O+Li2O)为0.3～ 0.8。 9.根据权利要求1‑8任一项所述的一种彩色微晶玻璃的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： S1：按前述配比称取原料熔化、澄清、均化得到有色玻璃液； S2：将有色玻璃液成型、退火处理得到彩色玻璃锭； S3：将彩色玻璃制品微晶化处理后得到彩色微晶玻璃锭； S4：将彩色微晶玻璃切割、研磨、抛光得到彩色微晶玻璃基片； S5：将彩色微晶玻璃基片进行化学强化得到最终性能优异的彩色微晶玻璃；其中，步骤S5中化学强化温度为380～470℃，强化时间为1～10h。 10.根据权利要求9所述的一种彩色微晶玻璃的制备方法，其特征在于，所述化学强化温度为400～420℃，强化时间为1～3h。
说明书全文	一种彩色微晶玻璃及其制备方法技术领域 [0001] 本发明涉及玻璃制造和玻璃加工领域，具体涉及一种彩色微晶玻璃及其制备方法。背景技术 [0002] 本节中的陈述仅提供与本申请公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。 [0003] 随着移动通讯设备(如手机、智能穿戴等)的更新换代，微晶玻璃作为其保护用玻璃凭借着优异的性能受到各大终端和客户的青睐。但是，目前消费者对手机的要求已不仅仅局限于功能、寿命等，开始更注重手感或五颜六色带来的视觉享受。后盖保护用玻璃不必像前盖板那样追求优异的光学性能，其可以在保证机械性能的前提下随意进行如颜色，花纹等的个性化设计。在此之前，后盖保护用玻璃的装饰基本上都是通过镀膜实现的，镀膜不仅工序复杂，所需的人力物力增加，还容易让人产生视觉和审美疲劳。彩色微晶玻璃应运而生，其成为各大终端及盖板厂，原片厂研究的热点。现有技术在研究的过程中，多针对彩色玻璃的色彩研究，而在使用的过程中，作为背板使用的彩色玻璃不仅需要色彩斑斓满足日常审美的需要，还需要提升抗冲击性能、抗跌落性能等，提升彩色玻璃的日常耐用性。发明内容 [0004] 本发明的目的在于：针对目前彩色玻璃的抗冲击性能和抗跌落性能的强度难以满足需要的问题，提供了一种彩色微晶玻璃及其制备方法，生产的彩色微晶玻璃适用于化学强化、且色泽鲜艳、具有超高抗跌落强度，整机砂纸跌落高度≥200cm，抗冲击强度≥2J。 [0005] 本发明的技术方案如下： [0006] 一种彩色微晶玻璃，晶相为透锂长石、二硅酸锂和石英晶相中的一种或多种，其中二硅酸锂晶相是基于[Si2O5]四面体阵列的斜方晶体，晶体的形状是扁平或是板状的。在微晶玻璃的内部二硅酸为无规则无取向的互锁微观结构，可提高微晶玻璃的硬度和杨氏模量。透锂长石LiAlSi4O10是单斜晶体，其具有包括通过Li和Al四面体连接的具有折叠Si2O5层的层状结构的三维框架结构。可用作低热膨胀相来提高玻璃‑陶瓷或陶瓷零件的耐热冲击+ +性。此外，基于透锂长石相的玻璃‑陶瓷制品可在盐浴中进行化学强化，其中Na (和/或K)取+ 代透锂长石结构中的Li ，这导致表面压缩和强化。石英晶相属于三方或者是六方晶系，在微晶玻璃中以球状形式存在，可提高微晶玻璃的硬度和杨氏模量。平均晶粒尺寸≤25nm，析晶度≥70％。 [0007] 本申请较小的晶粒尺寸和较大的析晶度兼顾了玻璃的光学性能和机械强度。 [0008] 根据一种优选的实施方式，应力层深度DOL(Na+)≥180μm，DOL(k+)≥30μm，维氏硬度≥7.5GPa，四点弯曲强度≥1000MPa，抗冲击强度≥2J，整机砂纸跌落高度≥200cm。 [0009] 根据一种优选的实施方式，厚度为t，单位为mm，化学强化的强化膨胀量在(‑23‰t+22‰)以下。 [0010] 根据一种优选的实施方式，彩色微晶玻璃的组分包括氧化物质量百分比计的：SiO2 65％～75％，Al2O3 5％～10％，Na2O 0.5％～5％，Li2O 8％～15％，ZrO23％～8％，BaO 0％～4％，P2O5 1％～3％，澄清剂0.1％～2％，着色组分0.01％～10％。 [0011] 优选地，SiO2加入量优选为68～73％。 [0012] Al2O3的含量优选为6～8％，更优选为6～7.7％。当Al2O3含量高于5％，这样形成的铝氧四面体和硅氧四面体互穿成网状结构，可以得到透明性较好的微晶玻璃。但是Al2O3含量超过10％，容易导致玻璃发蒙，甚至失透，此外还会使高温粘度增大，増大熔融难度，不利于生产。 [0013] Na2O是彩色微晶玻璃组分中良好的助熔剂，并且是化学强化中离子交换的重要元素。当Na2O的含量高于5％时，会降低玻璃的化学稳定性。小含量加入可以防止原始玻璃在成型时析晶。因此，本发明的玻璃中Na2O的含量范围为0.5～5％，优选为1～4％。 [0014] Li2O加入量优选为9～13％。Li2O的含量不宜过高，超过15％后，晶体析出不好控制，易于析晶，玻璃稳定性变差。且易于析出不想要的晶体β‑锂辉石，导致玻璃失透。 [0015] ZrO2加入量优选为4～7％，过多的含有ZrO2，一方面玻璃的耐失透性降低，另一方面熔融性变差且存在失透倾向，成型变得困难。 [0016] P2O5能够在玻璃中进行分相形成晶核，是有助于提高玻璃的低温熔融性。P2O5含量的下限优选为1％，但如果过多的含有P2O5，则很容易产生耐失透性的降低及玻璃的分相，因此，P2O5含量的上限优选为3％。 [0017] BaO是有助于提高玻璃的低温熔化性的成分，但如果过多的含有BaO，则耐失透性很容易降低，故，本发明的BaO的含量范围为0～4％，优选为0～2％。 [0018] 根据一种优选的实施方式，SiO2+Al2O3+Li2O为81％～93％，按这样的比例进行配制后能够提高了彩色微晶玻璃的硬度和强度。优选为84％～93％。 [0019] 根据一种优选的实施方式，Li2O+ZrO2+P2O5为14％～21％，按照此配比后，可析出均匀细小的晶粒，阻碍玻璃表面微纹裂的扩展获得更高的硬度。 [0020] 根据一种优选的实施方式，(Al2O3+ZrO2)/(Na2O+P2O5+Li2O)为0.4～1，按照这样的比例控制后，玻璃的低温熔化性和成形性提高。 [0021] 根据一种优选的实施方式，Al2O3/(Na2O+Li2O)为0.3～0.8，按这样的比例控制后，得到了更好的钢化效果，提高了微晶玻璃的抗弯性能、抗冲击性能及抗跌落性能。优选为，0.3～0.75；优选为0.35～0.75。 [0022] 根据一种优选的实施方式，澄清剂为SO42‑、NO3‑、F‑、Cl‑、CeO2、Sb2O3、SnO2中的一种或多种。 [0023] 根据一种优选的实施方式，着色组分包括过渡金属和稀土元素氧化物的一种或几种。 [0024] 根据一种优选的实施方式，着色组分包括MnO2、Fe2O3、FeO、CuO、Cu2O、TiO2、CeO2、CoO、Co2O3、Cr2O3、CrO3、CdS、Se、Sb2O3、Nd2O3、V2O5、V2O3、Er2O3、BeO、Rb2O、Pr2O3中的一种或几种。 [0025] 优选地，本发明的彩色微晶玻璃颜色包括紫色、蓝色、绿色、黄色、茶色、红色、粉红色、白色、黑色中的一种或多种颜色无规律分布。通过调节着色剂的用量、种类、熔制气氛、基础玻璃组分等可以获得从紫色到紫红色，从紫色到蓝紫色，从蓝色到蓝绿色，从绿色到黄绿色，从黄色到橙色，从橙色到红色，从红色到褐色，从褐色到黑色之间的任一颜色，甚至是渐变色到混合色。颜色能够根据着色剂的性质和着色剂种类的不同进行适应性的调整。 [0026] 本申请另一方面还提供一种彩色微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤： [0027] S1：按前述配比称取基础组分和着色组分的原料一起熔化、澄清、均化得到有色玻璃液； [0028] S2：将有色玻璃液成型、退火处理得到彩色玻璃锭； [0029] S3：将彩色玻璃制品微晶化处理后得到彩色微晶玻璃锭； [0030] S4：将彩色微晶玻璃切割、研磨、抛光得到彩色微晶玻璃基片；采用上述本发明优化设计的料方组成制得的彩色微晶玻璃基片，适用于后期晶化和强化，厚度可在0.2～8mm之间。 [0031] S5：将彩色微晶玻璃基片进行化学强化得到最终性能优异的彩色微晶玻璃。 [0032] 优选地，熔化温度为1400～1600℃，退火温度为450～600℃，退火时间为2～6h，此温度和时间范围内可以较好的消除应力，提高玻璃强度。 [0033] 根据一种优选的实施方式，步骤S3中的微晶化处理，包括如下子步骤： [0034] 步骤S3.1：在成核温度510～640℃下成核1～7h；优选地，为保证最大的成核效率及理想的晶体尺寸，成核温度为520～620℃，成核时间为4～6h。 [0035] 步骤S3.2：在晶化温度660～760℃下晶化1～6h。优选地，为析出理想的晶体尺寸，晶化温度为680～750℃，晶化时间为1～5h。 [0036] 成核温度和晶化温度均低于所述玻璃基板的软化点温度。 [0037] 根据一种优选的实施方式，步骤S5中，化学强化为使用熔融盐浴步骤S4中制备得到的彩色微晶玻璃基片。优选地，熔融盐浴可以为纯盐或混盐。 [0038] 根据一种优选的实施方式，步骤S5中，化学强化采用含有30～100％的NaNO3、0～70％的KNO3和0～0.1％的LiNO3的盐进行一次熔融盐浴。 [0039] 根据一种优选的实施方式，步骤S5中，化学强化还包括第二次熔融盐浴，采用包括0～50％的NaNO3、50～100％的KNO3和0～0.1％的LiNO3。 [0040] 根据一种优选的实施方式，步骤S5中，化学强化的温度为380～470℃，优选为400～460℃，更优选为400～420℃。强化时间为1～10h，优选为1～7h，更优选为1～6h，更优选为1～3h。在此温度与时间下进行离子交换，效率较高。 [0041] 所述熔融盐浴中加入0～0.1％的LiNO3有助于控制彩色微晶玻璃的强化膨胀量，有助于后续深加工，如热弯等。所述强化膨胀量随着玻璃的厚度变化而变化，其值控制在(‑23‰t+22‰)以下，其中t为彩色微晶玻璃厚度，单位为mm。 [0042] 根据一种优选的实施方式，彩色微晶玻璃基片还能够通过浇铸法、压制法、轧制发、浮法、溢流法、下拉法中的任意一种工艺制得。玻璃基片厚度为0.2～8mm。 [0043] 本发明另一方面还提供如前述的彩色微晶玻璃在电子产品的保护用玻璃中的应用，尤其是背板玻璃，包括手机，平板电脑，电脑，智能穿戴等。 [0044] 与现有的技术相比本发明的有益效果是： [0045] 1、一种彩色微晶玻璃及其制备方法，制备出的彩色微晶玻璃不仅颜色丰富，包括从紫色到紫红色，从紫色到蓝紫色，从蓝色到蓝绿色，从绿色到黄绿色，从黄色到橙色，从橙色到红色，从红色到褐色，从褐色到黑色之间的任一颜色，甚至是渐变色到混合色，使得玻璃能够满足日常审美的各类要求，利于日常使用；且色泽鲜明，着色稳定，不会随着后续深加工而脱色、变色；此外还具有较强的抗跌落性能，较好的硬度，较强的抗折性能和抗冲击性能，整机砂纸跌落高度≥200cm，抗冲击强度大于等于2J，提升了玻璃的使用性能。 [0046] 2、一种彩色微晶玻璃及其制备方法，提供了制备出颜色丰富且抗冲击强度好的彩色微晶玻璃的原料配比公式，为彩色微晶玻璃制备提供了新的启示。附图说明 [0047] 图1为本发明实施例8中微晶玻璃的XRD曲线图； [0048] 图2为本发明实施例8中微晶玻璃的SEM形貌图； [0049] 图3为本发明实施例8中微晶玻璃的晶粒大小分布图。具体实施方式 [0050] 本发明中，相关测试项目均可采用常规测试手段，如应力层深度的测试，采用电子探针显微分析(EPMA)，利用电子微束对微小样品进行无损化学分析，1～2μm的很小范围内得到精确定量的元素分析结果；如四点弯曲强度可采用型号为QJ‑211S的万能实验机测试；维氏硬度(HV)可采用相对面夹角为136°的金刚石四角锥压头在实验面上压入金字塔形状 2 的凹陷时的负荷(N)除以通过凹陷的长度计算出的表面积(mm)的值表示，其中实验负荷为 100(N)，保持时间为20(s)进行。抗冲击强度可采用落球试验机测试；整机砂纸跌落可采用型号为GP‑2112的手机受控跌落试验机进行测试。 [0051] 应当理解的是，上述测试方式和测试设备，是本行业领域内评价玻璃相关性能的常用方式，只是表征或是评价本发明技术方案和技术效果的一种手段，亦可采用其他测试方式和测试设备，并不影响最终结果。 [0052] 下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。需要说明的是，在没有特殊说明的情况下，本申请中采用的实验方法均为常规方法；在无特殊说明的情况下，本申请中使用的实验材料均为市售。 [0053] 实施例1～20 [0054] 实施例1～20(表1～表2)彩色微晶玻璃通过如下方法制备： [0055] S1：按前述配比称取基础组分和着色组分的原料，将原料混合均匀，将均匀的混合物放入铂制或石英制的坩埚中，根据玻璃组成的熔化难易度，在电炉或燃气炉中1400～1600℃温度范围内进行5～24小时熔化，澄清、均化得到有色玻璃液； [0056] S2：搅拌使其均匀后，降至适当的温度并浇铸到模具中，缓慢冷却得到基础彩色玻璃锭；将彩色玻璃锭放置退火炉内，在450～550℃温度范围内进行退火，退火时间为2～6h。退火完成后随炉冷却至室温取出，得到可加工的彩色玻璃锭。 [0057] 实施例1～20的组分和融化、退货处理条件如表1和表2所示： [0058] 表 1 [0059] [0060] 表2 [0061] [0062] [0063] 对进行完步骤S1和步骤S2的可加工的彩色玻璃锭继续进行步骤S3的操作： [0064] S3：将彩色玻璃制品微晶化处理后得到彩色微晶玻璃锭。 [0065] 步骤S3.1：将实施例1‑20的可加工的彩色玻璃锭在成核温度510～640℃下成核1～7h；优选地，为保证最大的成核效率及理想的晶体尺寸，成核温度为520～620℃，成核时间为4～6h。 [0066] 步骤S3.2：将成核后的可加工的彩色玻璃锭在晶化温度660～760℃下晶化1～6h。优选地，为析出理想的晶体尺寸，晶化温度为680～750℃，晶化时间为1～5h。 [0067] 实验中玻璃的转变温度(Tg)和析晶速度最大的温度(Tp)在耐驰差示扫描量热仪(DSC404F3)上进行测试。取一小部分玻璃研磨后过200目筛子，称取10mg置于铂金坩埚中进行测试，从室温以速率为10K/min升温至测试结束。玻璃处于高内能亚稳态，它在转变为晶体的过程中会放出热量，从而分析出玻璃的Tg点和Tp点，从而确定核化工艺和晶化工艺的温度。 [0068] 实施例1‑20的可加工的彩色玻璃锭的步骤3中的实验条件如表3和表4所示： [0069] 表 3 [0070] [0071] 表4 [0072] [0073] S4：将实施例1‑20中经过步骤3中微晶化处理的彩色微晶玻璃切割、研磨、抛光得到140700.6mm规格彩色微晶玻璃基片； [0074] S5：将步骤S4中的彩色微晶玻璃基片进行化学强化，工艺参数如表5和表6所述。结束后将基片置于退火炉内快速退火得到强化后的彩色微晶玻璃，待后续测试。 [0075] 表5 [0076] [0077] 表6 [0078] [0079] 化学强化后厚度为0.6mm的彩色微晶玻璃的强化膨胀量为8‰。 [0080] 化学强化后的彩色微晶玻璃的应力层深度的测试，采用电子探针显微分析(EPMA)，利用电子微束对微小样品进行无损化学分析，1～2μm的很小范围内得到精确定量的元素分析结果； [0081] 本发明中微晶玻璃的晶相、晶体大小和析晶度利用XRD衍射峰与Jade数据库图谱比对，计算得知。如图1为本发明实施例8中制备出的微晶玻璃的XRD曲线图。如图2为本发明实施例8中制备出的微晶玻璃的SEM形貌图，从图2可见，存在很多大小均匀的微晶体。如图3为本发明实施例8中制备出的微晶玻璃晶粒大小分布图，从图中可见最大晶粒尺寸为35.7nm；最小为15.3nm。 [0082] 维氏硬度(HV)可采用相对面夹角为136°的金刚石四角锥压头在实验面上压入金2 字塔形状的凹陷时的负荷(N)除以通过凹陷的长度计算出的表面积(mm)的值表示，其中实验负荷为100(N)，保持时间为20(s)进行。 [0083] 抗冲击强度可采用落球试验机测试。具体地，将强化后的样品放置在治具上，使130g钢球从规定高度落下，测量样品不发生碎裂而能够承受的冲击的最大落球高度。具体地说，试验从高度30mm开始实施，中心点跌落3次，每次上升10mm，直至玻璃破碎。利用势能公式Ep＝mgh计算出抗冲击能力。 [0084] 整机砂纸跌落可采用型号为GP‑2112的手机受控跌落试验机进行测试。具体测试条件为：180目砂纸，170g总重，60cm基高，10cm递增，每高度1次，直至破碎为止。 [0085] 使用万能试验机对实施例样品进行四点弯曲强度测试，测试条件为：上/下跨距20/40cm，下压速度10mm/min，杆径6mm。 [0086] 实施例1‑20制备出的彩色微晶玻璃的上述性能测试结果如表7和表8所示。需要特别说明的是，实施例16因着色成分为Nd，具有双色效应，其在荧光灯下呈现蓝紫色，在自然光下呈现淡玫瑰红色。实施例17在热处理前为无色，待热处理后显色为红色。 [0087] 表 7 [0088] [0089] 表8 [0090] [0091] [0092] 以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。