[發明專利]一種具有晶體定向排列結構的高硬度透明微晶玻璃及其制備方法

有效

• 申請號: 201910169935.5
• 申請日: 2019-03-06
• 公開（公告）號: CN109734321B
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 肖卓豪;董曉烽;何勇濤;孔令兵;羅文艷
• 申請（專利權）人: 景德鎮陶瓷大學
• 主分類號: C03C10/08
• 分類號: C03C10/08;C03C17/04
• 代理公司: 廣州廣信知識產權代理有限公司 44261
• 代理人: 李玉峰

本發明公開了一種具有晶體定向排列結構的高硬度透明微晶玻璃，由MgO?B₂O₃?Al₂O₃?SiO₂體系的基礎玻璃、以及其表面的具有垂直定向排列結構的堇青石晶體層構成。此外還公開了上述具有晶體定向排列結構的高硬度透明微晶玻璃的制備方法。本發明通過配方的調整和工藝的優化，以MgO?B₂O₃?Al₂O₃?SiO₂體系組成的基礎玻璃，結合其表面上原位生長的、具有晶體定向排列結構的堇青石晶體層，實現了微晶玻璃硬度、耐磨性以及光學性能的大幅度提升；并且技術方案簡單可行，可廣泛應用于有高耐磨需求的穿戴設備用電子玻璃、屏幕玻璃、光學窗口等領域，對于光學材料和電子玻璃材料領域的技術發展和應用具有重要的促進作用。

技術領域

本發明涉及玻璃材料技術領域，尤其涉及一種適用于有高耐磨需求的穿戴設備用電子玻璃、屏幕玻璃、光學窗口等領域的高硬度透明微晶玻璃及其制備方法。

背景技術

硅酸鹽玻璃主要由SiO₂等氧化物經過高溫融化后冷卻而形成，由于玻璃結構具有近程有序而遠程無序的特征，無法以緊密堆積方式進行內部原子排列，因而其內部原子排列的緊密程度相比相同組成的晶體要松散很多，這導致玻璃材料與相同化學組成的晶體或陶瓷材料相比其表面硬度要低，耐磨性也相對要差。此外，從微觀結構來看，硅酸鹽玻璃是以硅氧四面體[SiO₄]為基本結構單元的三維網絡連接體，玻璃組成中的其他成分如堿金屬氧化物、堿土金屬氧化物等將導致三維網絡結構連接度的降低，從而導致玻璃表面硬度的降低。因此，根據玻璃的無規則結構理論，硅酸鹽玻璃中應以純石英玻璃的表面硬度最大，但石英玻璃比石英晶體的表面硬度要低。盡管通過組成優化與工藝改善可以在一定程度上提高硅酸鹽玻璃的表面硬度，但是這種提高的幅度都很有限，不可能突破石英玻璃和石英晶體的顯微硬度值。這就是硅酸鹽玻璃無法抵抗石英砂的刮擦而導致表面磨花的原因，也是以玻璃質為主要結構特征的建筑陶瓷釉面耐磨性無法得到有效提高的內在原因。

為了提高玻璃的表面耐磨性，現有技術采用氣相沉積、表面鍍膜等方式對玻璃的表面進行改性，但這些改性方式受工藝影響很難對玻璃實現較大面積的處理，且由于表面成分與玻璃本身成分不一致，因此容易導致結合界面的開裂而使得表面層脫落失效。

將玻璃在一定溫度條件下進行熱處理使其微晶化是提高玻璃表面耐磨性的一種新方式。由于玻璃結構中形成了大量彌散分布的微納米尺寸的晶體，能夠有效抵抗外力摩擦所帶來的損傷，因而這種微晶玻璃具有更高的表面硬度和耐磨性。然而，當微晶玻璃中晶體平均尺寸大于可見光波長的1/10后，由于晶體對入射光嚴重的散射將導致微晶玻璃光學性能的顯著下降甚至不透明，這對于應用于光學領域的電子顯示屏玻璃和穿戴設備用電子玻璃來說顯然是不可接受的。

透明微晶玻璃制備技術的發展為高硬度玻璃的發展帶來了新的曙光，通過對微晶玻璃中所析出晶體的種類和組成進行嚴格調控，實現所析出晶體折射率與母體玻璃折射率的基本一致，從而解決入射光在非晶與晶體的界面處的散射所導致的光衰減，提高微晶玻璃的光學透過率。然而，該類方法目前只在少數幾種玻璃體系中能夠實現，不僅需要非常嚴格的熱處理制度，而且進行核化與晶化熱處理的時間長達數十小時，導致其實現成本高昂。此外，由于微晶玻璃中所析出晶體之間的隨機排列，并不能實現對外力刮擦的協同抵御，因而透明微晶玻璃本身的表面硬度提高程度也非常有限。如現有技術BaO-TiO₂-SiO₂系透明微晶玻璃的表面硬度最高為6.0GPa，MgO-Al₂O₃-SiO₂系透明微晶玻璃的表面硬度當前最高為8.2GPa，Li₂O-Al₂O₃-SiO₂系透明微晶玻璃的表面硬度最高為8.3GPa等。因此，如何通過簡單可行的技術方案實現玻璃表面硬度和耐磨性的大幅度提高，是光學透明窗口材料和電子玻璃領域急需突破的關鍵技術。