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TW201922653A - 具有高液體黏度的過鋁質鋰鋁矽酸鹽 - Google Patents

具有高液體黏度的過鋁質鋰鋁矽酸鹽 Download PDF

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TW201922653A TW107138556A TW107138556A TW201922653A TW 201922653 A TW201922653 A TW 201922653A TW 107138556 A TW107138556 A TW 107138556A TW 107138556 A TW107138556 A TW 107138556A TW 201922653 A TW201922653 A TW 201922653A
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Abstract

本文描述之實施例與玻璃製品有關，所述玻璃製品包括了具有高液相黏度之機械上耐用的玻璃成分。玻璃製品可包括玻璃成分，所述玻璃成分具有自50莫耳%至80莫耳%的SiO2 ；自7莫耳%至25莫耳%的Al2 O3 ；自2莫耳%至約14莫耳%的Li2 O；0.4莫耳%的P2 O5 ；及小於或等於0.5莫耳%的ZrO2 。(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%))的量係大於零，其中R2 O (莫耳%)為玻璃成分中之Li2 O、Na2 O、K2 O、Rb2 O及Cs2 O之莫耳量的總和，且RO (莫耳%)為玻璃成分中之BeO、MgO、CaO、SrO、BaO及ZnO之莫耳量的總和。(Li2 O (莫耳%))/(R2 O (莫耳%))之莫耳比可為大於或等於0.5。在實施例中，玻璃成分可包括B2 O3 。玻璃成分為可熔合成形的，且具有高抗破壞性。

Description

具有高液體黏度的過鋁質鋰鋁矽酸鹽
一般而言，本說明書關於玻璃成分，且更具體而言，關於具有高液相黏度及高抗破裂性之過鋁質鋰鋁矽酸鹽玻璃成分。
歷史上，由於相對於其他材料的光學性質和優異的化學上耐用度，玻璃已被用作電子裝置的覆蓋玻璃。具體而言，已確定經強化的玻璃可用於電子裝置及其他應用中。隨著經強化之玻璃越來越受利用，開發具有改良的耐用性的經強化玻璃材料變得更加重要，特別是當受到與「現實世界」使用和應用中經歷的硬/尖銳表面(例如柏油或水泥)接觸所引起的伸張應力時。然而，某些類型之具有高抗破裂性的經強化玻璃也展現出高液相溫度和低液相黏度。某些具有低液相黏度之玻璃成分不適合藉由下拉成形製程(如熔合下拉製程)進行製造。
因此，需要展現出高抗破裂性及機械上耐用度，並具有相對高液相黏度(例如，大於 20 kP)以使玻璃成分能被熔合成形製程成形之玻璃成分。
根據第一實施例，玻璃製品包含成分，所述成分包含：大於或等於50莫耳%且小於或等於80莫耳%的SiO2 、大於或等於7莫耳%且小於或等於25莫耳%的Al2 O3 、大於或等於2莫耳%且小於或等於14莫耳%的Li2 O、大於或等於0.4莫耳%且小於或等於10莫耳%的P2 O5 ，及小於或等於0.5莫耳%的ZrO2 。成分具有大於零之(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%))，其中R2 O (莫耳%)為成分中之Li2 O、Na2 O、K2 O、Rb2 O及Cs2 O之莫耳量的總和，且RO (莫耳%)為成分中之BeO、MgO、CaO、SrO、BaO及ZnO之莫耳量的總和。
在根據第一實施例之第二實施例中，其中，成分中的(Li2 O (莫耳%))/(R2 O (莫耳%))莫耳比為大於或等於0.5。在根據前面任何實施例之第三實施例中，成分具有大於或等於–2莫耳%之(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%) – P2 O5 (莫耳%))。在根據前面任何實施例之第四實施例中，成分具有小於或等於2莫耳%之(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%) – P2 O5 (莫耳%))。在根據前面任何實施例之第五實施例中，成分具有大於或等於–2莫耳%且小於或等於2莫耳%之(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%) – P2 O5 (莫耳%))。
在根據前面任何實施例之第六實施例中，成分具有小於或等於1300 °C之液相溫度。在根據前面任何實施例之第七實施例中，成分也可具有大於20 kP之液相黏度。在根據前面任何實施例之第八實施例中，成分可具有大於50 kP之液相黏度。
在根據前面任何實施例之第九實施例中，成分可包含小於或等於14莫耳%的R2 O。在根據前面任何實施例之第十實施例中，成分可進一步包含大於或等於7莫耳%且小於或等於14莫耳%的R2 O。在根據前面任何實施例之第十一實施例中，成分可進一步包含小於或等於2.5莫耳%的K2 O。在根據前面任何實施例之第十二實施例中，成分可進一步包含大於或等於3莫耳%且小於或等於15莫耳%的B2 O3 。在根據前面任何實施例之第十三實施例中，成分具有之(Li2 O (莫耳%) + Al2 O3 (莫耳%))大於或等於兩倍的B2 O3 (莫耳%)。
在根據前面任何實施例之第十四實施例中，成分可進一步包含大於或等於0.1莫耳%且小於或等於6莫耳%的Na2 O。在根據前面任何實施例之第十五實施例中，成分可進一步包含大於0莫耳%且小於或等於5莫耳%的MgO。在根據前面任何實施例之第十六實施例中，成分可進一步包含大於0莫耳%且小於或等於5莫耳%的ZnO。在根據前面任何實施例之第十七實施例中，成分可進一步包含大於0莫耳%且小於或等於4莫耳%的CaO。在根據前面任何實施例之第十八實施例中，成分可進一步包含大於0莫耳%且小於或等於4莫耳%的SrO。在根據前面任何實施例之第十九實施例中，成分可進一步包含：小於或等於0.35莫耳%的SnO2 。在根據前面任何實施例之第二十實施例中，成分可實質上無BaO。
在第二十一實施例中，玻璃製品包含成分，所述成分包含：大於或等於50莫耳%且小於或等於80莫耳%的SiO2 、大於或等於7莫耳%且小於或等於25莫耳%的Al2 O3 、大於或等於2莫耳%且小於或等於14莫耳%的Li2 O、大於或等於3莫耳%且小於或等於15莫耳%的B2 O3 、大於或等於0.1莫耳%的Na2 O，及大於或等於0莫耳%且小於或等於4莫耳%的TiO2 。成分具有大於或等於零之(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO(莫耳%))，其中R2 O (莫耳%)為成分中之Li2 O、Na2 O、K2 O、Rb2 O及Cs2 O之莫耳量的總和，且RO (莫耳%)為成分中之BeO、MgO、CaO、SrO、BaO及ZnO之莫耳量的總和。成分也具有小於或等於2之(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%) – P2 O5 (莫耳%))，R2 O (莫耳%)為小於或等於14莫耳%。
在根據第二十一實施例之第二十二實施例中，成分可具有(Li2 O (莫耳%))/(R2 O (莫耳%))之莫耳比大於或等於0.5。在根據第二十一或二十二實施例之第二十三實施例中，成分可進一步包含大於或等於0.4莫耳%且小於或等於10莫耳%的P2 O5 。在根據第二十一至二十三實施例中任一者之第二十四實施例中，成分可具有大於或等於–2之(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO(莫耳%) – P2 O5 (莫耳%))。
在根據第二十一至二十四實施例中任一者之第二十五實施例中，其中(Li2 O (莫耳%) + Al2 O3 (莫耳%))為大於或等於兩倍的B2 O3 (莫耳%)。在根據第二十一至二十五實施例中任一者之第二十六實施例中，其中成分進一步包含大於或等於1.5莫耳%且小於或等於6莫耳%的Na2 O。在根據第二十一至二十六實施例中任一者之第二十七實施例中，其中成分進一步包含小於或等於0.35莫耳%的SnO2 。在根據第二十一至二十七實施例中任一者之第二十八實施例中，其中成分具有小於或等於1300 °C之液相溫度。在根據第二十一至二十八實施例中任一者之第二十九實施例中，其中成分具有大於20 kP之液相黏度。
在第三十實施例中，玻璃製品包括成分，所述成分包含：大於或等於50莫耳%且小於或等於80莫耳%的SiO2 、大於或等於7莫耳%且小於或等於25莫耳%的Al2 O3 、大於或等於2莫耳%且小於或等於14莫耳%的Li2 O、大於或等於0.1莫耳%且小於或等於20莫耳%的B2 O3 、大於或等於0.1莫耳%且小於或等於20莫耳%的P2 O5 ，及小於或等於1莫耳%的ZrO2 。成分具有大於零之(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%))，其中R2 O (莫耳%)為成分中之Li2 O、Na2 O、K2 O、Rb2 O及Cs2 O之莫耳量的總和，且RO (莫耳%)為成分中之BeO、MgO、CaO、SrO、BaO及ZnO之莫耳量的總和。
在根據第三十實施例之第三十一實施例中，其中(Li2 O (莫耳%))/(R2 O (莫耳%))之莫耳比大於或等於0.5。在根據第三十或三十一實施例之第三十二實施例中，其中(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%) – P2 O5 (莫耳%))為大於或等於–2莫耳%。在根據第三十至三十二實施例中任一者之第三十三實施例中，其中(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%) – P2 O5 (莫耳%))為大於或等於–2莫耳%且小於或等於2莫耳%。在根據第三十至三十三實施例中任一者之第三十四實施例中，其中(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%) – P2 O5 (莫耳%))為大於或等於–2莫耳%且小於或等於2莫耳%。在根據第三十至三十四實施例中任一者之第三十五實施例中，其中成分包含小於或等於14莫耳%的R2 O。在根據第三十至三十五實施例中任一者之第三十六實施例中，其中成分包含大於或等於7莫耳%且小於或等於14莫耳%的R2 O。在根據第三十至三十六實施例中任一者之第三十七實施例中，其中(Li2 O (莫耳%) + Al2 O3 (莫耳%))大於或等於兩倍的B2 O3 (莫耳%)。在根據第三十至三十七實施例中任一者之第三十八實施例中，其中成分進一步包含大於或等於1莫耳%且小於或等於6莫耳%的Na2 O。在根據第三十至三十八實施例中任一者之第三十九實施例中，其中成分進一步包含大於0莫耳%且小於或等於0.35莫耳%的SnO2 。在根據第三十至三十九實施例中任一者之第四十實施例中，其中成分具有小於或等於1300 °C之液相溫度。在根據第三十至四十實施例中任一者之第四十一實施例中，其中成分具有大於20 kP之液相黏度。
在第四十二實施例中，玻璃製品包含成分，所述成分包含：大於或等於50莫耳%且小於或等於80莫耳%的SiO2 ；大於或等於2莫耳%且小於或等於25莫耳%的Al2 O3 ；大於或等於2莫耳%且小於或等於15莫耳%的Li2 O；其中SiO2 (莫耳%) ≥ [4*Li2 O +6*(Na2 O +K2 O) + 2.5*MgO + 2*(CaO + SrO + BaO)] (莫耳%)，其中(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%))為大於零，其中R2 O (莫耳%)為成分中之Li2 O、Na2 O、K2 O、Rb2 O及Cs2 O之莫耳量的總和，且RO (莫耳%)為成分中之BeO、MgO、CaO、SrO、BaO及ZnO之莫耳量的總和，其中(Li2 O (莫耳%))/(R2 O (莫耳%))之莫耳比大於或等於0.35，其中P2 O5 (莫耳%)/[(Al2 O3 – R2 O – RO)](莫耳%)係大於或等於0.25，其中TiO2 (莫耳%) + ZrO2 (莫耳%)係大於或等於0莫耳%且小於或等於1莫耳%，其中稀土金屬氧化物的總含量大於或等於0莫耳%且小於或等於0.5莫耳%，且其中A大於或等於17，其中
A = 13.2 + P * [(1/673 – 1(A.P. +273))]，
P = 0.6/[(1/(A.P. +273)) – (1/(T12 +273))]，
A.P.為以ºC為單位之退火點，且
T12 為以ºC為單位之溫度，其對應當玻璃具有1012 泊之黏度時的溫度。
在根據第四十二實施例之第四十三實施例中，其中P2 O5 (莫耳%)/[(Al2 O3 – R2 O – RO)](莫耳%)大於或等於0.8且小於或等於1.25。在根據第四十二實施例之第四十四實施例中，其中P2 O5 (莫耳%)/[(Al2 O3 – R2 O – RO)](莫耳%)大於或等於0.9且小於或等於1.1。在根據第四十二至四十四實施例中任一者之第四十五實施例中，其中楊氏模數大於或等於70 GPa。在根據第四十二至四十四實施例中任一者之第四十六實施例中，其中楊氏模數大於或等於80 GPa。在根據第四十二至四十六實施例中任一者之第四十七實施例中，其中破裂韌性大於或等於0.7 MPa*m1/2 。在根據第四十二至四十六實施例中任一者之第四十八實施例中，其中破裂韌性大於或等於0.8 MPa*m1/2 。在根據第四十二至四十八實施例中任一者之第四十九實施例中，其中A大於或等於19。
在第五十實施例中，一種消費性電子產品包括殼體及電子組件，殼體具有前表面、後表面及側表面，電子組件至少部分地位於殼體內，電子組件包括至少一控制器、記憶體及顯示器，顯示器位在殼體的前表面處或鄰近殼體的前表面。消費性電子產品進一步包括設置於顯示器上方之覆蓋基板。殼體的一部分或覆蓋基板中之至少一者包含本文揭示之任一實施例中之玻璃製品。
將在以下實施方式中陳述額外的特徵及優勢，且通過彼描述，本案所屬技術領域中具通常知識者將顯而易見部分該等特徵及優勢，或通過實踐本文所描述之實施例（包括以下實施方式、專利申請範圍及隨附圖式）而認識到部分該等特徵及優勢。
應瞭解，以上一般描述及以下實施方式二者描述各種實施例，且意欲提供概覽或框架以理解所請求之標的之本質與特徵。包括隨附圖式以提供對各種實施例之進一步理解，且隨附圖式併入本說明書中並組成本說明書之一部分。圖式圖示本文描述之各種實施例，且與描述一起用以解釋所請求之標的之原理及操作。
現在將詳細參照玻璃成分的各種實施例，所述玻璃成分展現出改良的掉落表現(drop performance)和更大的液相黏度，這提供了可由熔合下拉成形製程生產之更具機械上耐用性的玻璃。這樣的玻璃成分適用於各種應用，包括但不限於，供電子產品所用之覆蓋玻璃。玻璃成分也可經化學強化，從而賦予玻璃增加的機械上耐用度。一般可將本文描述之玻璃成分描述為過鋁質鋰鋁矽酸鹽。因此本文描述之玻璃成分包含氧化矽(SiO2 )、氧化鋁(Al2 O3 )及氧化鋰(Li2 O)。在某些實施例中，玻璃成分也可包含除了氧化鋰之外的鹼金屬氧化物(舉例而言，如Na2 O及/或K2 O)，及鹼土金屬氧化物(舉例而言，如MgO及/或CaO)，所述鹼金屬氧化物及鹼土金屬氧化物之含量可賦予玻璃成分機械上耐用度及液相黏度，所述液相黏度足以使玻璃成分能被熔合下拉成形製程生產。並且，存在於玻璃成分中之鹼金屬氧化物有助於藉由離子交換來化學強化玻璃成分。在某些實施例中，玻璃成分可包括P2 O5 、B2 O3 或二者，這些可併入玻璃成分來增進液相黏度、抗破壞性或二者。本文將描述玻璃成分的各種實施例，並參考具體實例進一步說明。
如本文所用，術語「軟化點」指的是玻璃成分的黏度為107.6 泊處的溫度。
如本文所用，術語「退火點」指的是依據ASTM C598–93所測定之溫度，給定的玻璃成分在該溫度下的玻璃黏度為將近1013.2 泊。
如本文所用，術語「T12 」指的是依據ASTM C598–93所測定之溫度，給定的玻璃成分在該溫度下的玻璃黏度為將近1012 泊。
如本文所用，術語「應變點」及「T應變 」指的是依據ASTM C598–93所測定之溫度，給定的玻璃成分在該溫度下的玻璃黏度為將近1014.7 泊。
術語「液相溫度」是指在該溫度以上玻璃成分完全是液態而沒有玻璃的組分結晶。玻璃的液相溫度是根據標題為「Standard Practice for Measurement of Liquidus Temperature of Glass by the Gradient Furnace Method」之ASTM C829–81 (2015)進行測量。
術語「液相黏度」指的是在玻璃成分之液相溫度下之玻璃成分的黏度。液相溫度下之玻璃的液相黏度是根據標題為「Standard Practice for Measuring Viscosity of Glass Above the Softening Point」之ASTM C965–96(2012)進行測量。
如本文所用，術語「CTE」指稱玻璃成分在自室溫(RT)至300°C之溫度範圍內之線性熱膨脹係數，且係根據ASTM E228–11使用推桿熱膨脹計(push–rod dilatometer)測定。
在本文描述之玻璃成分之實施例中，除非另有說明，否則構成組分(如，SiO2 、Al2 O3 等)的濃度是在氧化物基準上以莫耳百分比(莫耳%)表示。玻璃成分中之組分的莫耳百分比指的是每單位莫耳玻璃成分中之組分的莫耳數乘以100。
如本文所用，術語「過鋁質」指的是其中Al2 O3 (莫耳%)大於R2 O莫耳% (鹼金屬氧化物)及RO莫耳% (鹼金屬氧化物及ZnO)之總和的玻璃。
當用於描述玻璃成分中特定構成組分的濃度及/或不存在時，術語「不含(free)」及「實質上不含(substantially free)」意味著所述構成組分不是有意地添加到玻璃成分。然而，玻璃成分可因汙染或混雜而含有小於0.05莫耳%之痕量的構成組分。
當用於描述玻璃成分中特定構成組分時，術語「混雜(tramp)」指的是非有意地添加到玻璃成分中之構成組分，且該構成組分以小於0.05莫耳%之量存在。混雜組分可作為另一種構成組分之雜質而無意地添加至玻璃成分，或者混雜組分可在玻璃成分之處理期間藉由遷移而進入成分內。
本文描述之玻璃成分為鋰過鋁質鋁矽酸鹽玻璃成分，所述成分通常包括SiO2 、Al2 O3 及Li2 O之組合，且在某些實施例中，可包括額外的鹼金屬氧化物Na2 O及/或K2 O。玻璃成分適於藉由離子交換進行化學強化，並且具有足夠高的液相黏度，致使玻璃成分可藉由熔合下拉成形製程所形成。在離子交換之後，所得的玻璃相較於供可攜式電子裝置所用之習用覆蓋玻璃表現出更好的掉落表現(drop performance)。在某些實施例中，玻璃成分也可包括P2 O5 、B2 O3 、至少一種鹼土金屬氧化物或這些物質的組合。可添加這些組分以進一步增加液相黏度及/或改善玻璃之機械上耐用度和掉落表現。在某些實施例中，如本文所描述，玻璃成分可進一步包含較少量的一或多種額外的氧化物，舉例而言，如，SnO2 、ZrO2 、ZnO、TiO2 、As2 O3 等。可添加這些組分作為澄清劑，及/或進一步增強所得玻璃的化學上耐用度。
在本文描述之玻璃成分之實施例中，SiO2 是成分中之最大組分，且因此是所得玻璃網絡(glass network)的主要組分。SiO2 可增進玻璃之化學上耐用度，及玻璃成分對酸中分解的抗性，及玻璃成分對水中分解的抗性。若SiO2 的含量過低，則玻璃的化學上耐用度和化學抗性可能降低，並且玻璃可能易於腐蝕。因此，通常期望高SiO2 濃度。然而，若SiO2 的含量過高，則玻璃的可成形性可能會降低，因為較高濃度的SiO2 會增加熔化玻璃的難度，這反過來又會對玻璃的可成形性產生不利影響。在本文描述之實施例中，玻璃成分包含之SiO2 的含量通常大於或等於50莫耳%且小於或等於約80莫耳%、小於或等於75莫耳%、小於或等於74莫耳%、小於或等於72莫耳%，或甚至小於或等於70莫耳%，及其間任何範圍或子範圍。在某些實施例中，玻璃成分中之SiO2 的含量可為大於約58莫耳%、大於約65莫耳%，或甚至大於約67莫耳%。在某些其他實施例中，玻璃成分中之SiO2 的量可為大於70莫耳%、大於72莫耳%，或甚至大於74莫耳%。舉例而言，在某些實施例中，玻璃成分可包括自約58莫耳%至約80莫耳%、自約58莫耳%至約75莫耳%、自約58莫耳%至約74莫耳%、自約58莫耳%至約72莫耳%、或甚至自約58莫耳%至約70莫耳%的SiO2 。在某些其他實施例中，玻璃成分可包括自約65莫耳%至約80莫耳%、自65莫耳%至約75莫耳%、自約65莫耳%至約74莫耳%、自約65莫耳%至約72莫耳%，或甚至自約65莫耳%至約70莫耳%的SiO2 。在某些其他實施例中，玻璃成分可包括自約67莫耳%至約80莫耳%、自約67莫耳%至約75莫耳%、自約67莫耳%至約74莫耳%、自約67莫耳%至約72莫耳%，或甚至自約67莫耳%至約70莫耳%的SiO2 。在更多其他實施例中，玻璃成分可包含大於或等於58莫耳%且小於或等於74莫耳%的SiO2 。在某些實施例中，玻璃成分包含大於或等於65莫耳%且小於或等於72莫耳%的SiO2 。在更多其他實施例中，玻璃成分可包含大於或等於67莫耳%且小於或等於70莫耳%的SiO2 。在某些實施例中，玻璃中之SiO2 的莫耳%符合以下關係：SiO2 (莫耳%) ≥ [4*Li2 O + 6*(Na2 O + K2 O) + 2.5*MgO + 2*(CaO + SrO + BaO)] (莫耳%)。不受理論限制，咸信氧化矽含量應符合以上關係，以避免富含氧化鋁之耐火材料的結晶。
本文描述之玻璃成分可進一步包括Al2 O3 。Al2 O3 與存在於玻璃成分中之鹼金屬氧化物(如Li2 O等)一起改善了玻璃對離子交換強化之敏感性。更具體而言，增加玻璃成分中之Al2 O3 含量可增加玻璃中之離子交換的速度，並增加由於離子交換而在玻璃之壓縮層中產生的壓縮應力。與未受Al2 O3 補償之鹼金屬氧化物相比，以Al2 O3 補償之鹼金屬氧化物在離子交換期間表現出更大的流動性(mobility)。Al2 O3 也可增加玻璃的硬度和抗破壞性。然而，玻璃的液相黏度隨著玻璃成分中之Al2 O3 的濃度增加而降低。若玻璃成分中之Al2 O3 濃度過大，則玻璃成分的液相黏度降低，這可能導致玻璃成分在熔合下拉製程中之製造期間結晶。在本文描述之實施例中，Al2 O3 以Al2 O3 (莫耳%)存在於玻璃成分中，而鹼金屬氧化物以R2 O (莫耳%)存在於玻璃成分中，其中R2 O (莫耳%)等於Li2 O、Na2 O、K2 O、Rb2 O及Cs2 O之莫耳分數(mole fraction)之總和。
在某些實施例中，玻璃成分中之莫耳比(Al2 O3 (莫耳%))/(R2 O (莫耳%))大於或等於1，以使Al2 O3 完全補償鹼金屬氧化物並有助於上述對離子交換強化之敏感性。換句話說，玻璃成分可具有大於或等於零之(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%))，其中R2 O為玻璃成分中之Li2 O、Na2 O、K2 O、Rb2 O及Cs2 O之莫耳量的總和。具體而言，玻璃成分之擴散係數或擴散性D 與鹼離子在離子交換過程中滲透入玻璃表面的速率有關。與具有相同的總鹼含量(R2 O (莫耳%))但(Al2 O3 (莫耳%))/(R2 O (莫耳%))的比值小於1或大於1之玻璃相比，具有等於1之(Al2 O3 (莫耳%))/(R2 O (莫耳%))比值之玻璃成分具有較大的鹼金屬氧化物離子穿過玻璃成分之擴散性(即，流動性)。就給定的離子交換浸置時間和離子交換溫度，相較於其中鹼金屬離子具有較低擴散性之玻璃而言，其中鹼金屬離子具有較大擴散性之玻璃可獲得更大的層深度。
在本文描述之實施例中，鹼土金屬氧化物(如，BeO、MgO、CaO、SrO及BaO)及/或氧化鋅 (ZnO)可存在於玻璃成分中。在玻璃成分中之鹼土金屬氧化物及ZnO之總量可為RO (莫耳%)。缺少BeO和ZnO之鹼土金屬氧化物的總量(即，RO (莫耳%) – BeO(莫耳%) – ZnO(莫耳%))可為A 莫耳%。增加玻璃成分中之Al2 O3 的量可增進玻璃成分中之離子交換。然而，當Al2 O3 (莫耳%)比(R2 O (莫耳%) + RO (莫耳%))大超過1或2莫耳%時，液相溫度會快速地增加。BeO和ZnO的活性可能不如其他鹼土金屬氧化物，且對離子交換特性或液相溫度的影響不如其他鹼土金屬氧化物這麼大。因此，當Al2 O3 (莫耳%)也比(R2 O (莫耳%) + A (莫耳%))大時，液相溫度也可能快速增加。隨著玻璃的液相溫度增加，玻璃的液相黏度會降低。若玻璃成分中之Al2 O3 含量過高，則液相溫度會增加到因為玻璃中之脫玻作用(devitrification)使玻璃無法在熔合下拉製程中熔合成形的程度。脫玻作用是指在成形期間玻璃成分的一或多種組分的結晶化(如，形成白矽石、鋰輝石、富鋁紅柱石、金紅石、金剛砂、其他晶體組分或這些晶體的組合)。因此，在某些實施例中，玻璃成分中之Al2 O3 (莫耳%)可不比總和(R2 O (莫耳%) + RO (莫耳%))或(R2 O (莫耳%) + A (莫耳%))大超過10莫耳%。在某些實施例中，Al2 O3 (莫耳%)不比總和(R2 O (莫耳%) + RO (莫耳%))或(R2 O (莫耳%) + A (莫耳%))大超過5莫耳%、超過2莫耳%，或甚至超過1莫耳%。舉例而言，玻璃成分可具有小於或等於10莫耳%、小於或等於5莫耳%、小於或等於2莫耳%，或甚至小於或等於1莫耳%的(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%))，其中RO (莫耳%)為BeO、MgO、CaO、SrO、BaO及ZnO之莫耳量的總和。在某些實施例中，(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%))可為大於0莫耳%且小於或等於10莫耳%、大於0莫耳%且小於或等於5莫耳%、大於0莫耳%且小於或等於2莫耳%，或甚至大於0莫耳%且小於或等於1莫耳%。在某些實施例中，玻璃成分可實質上無氧化磷(P2 O5 )。在P2 O5 不存在於玻璃成分中以補償過量的Al2 O3 之實施例中，(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%))在玻璃成分中之量值可小於或等於4莫耳%、小於或等於2莫耳%，或甚至小於或等於1莫耳%。
本文描述之玻璃成分包括之Al2 O3 含量通常大於或等於約2莫耳%且小於或等於約25莫耳%，或大於或等於約7莫耳%且小於或等於約25莫耳%，及其間任何範圍或子範圍。在某些實施例中，玻璃成分中之Al2 O3 的含量可為大於或等於約10莫耳%且小於或等於約18莫耳%。在某些其他實施例中，玻璃成分中之Al2 O3 的含量可為大於或等於約12莫耳%至小於或等於約16莫耳%。在某些其他實施例中，玻璃成分中之Al2 O3 的含量可為大於或等於約10莫耳%至小於或等於約16莫耳%。在更多其他實施例中，玻璃成分中之Al2 O3 的含量可為大於或等於約12莫耳%至小於或等於約18莫耳%。
玻璃成分也包括一或多種鹼金屬氧化物。鹼金屬氧化物有助於玻璃成分之離子交換能力，因而有助於以化學方式強化玻璃。鹼金屬氧化物可包括Li2 O、Na2 O、K2 O、Rb2 O及Cs2 O中之一或多者。如先前所討論，鹼金屬氧化物通常以R2 O莫耳%之總濃度形式存在玻璃成分中。增加鹼金屬氧化物的含量可增進產物玻璃中之離子交換。然而，若鹼金屬氧化物含量過高，如高於14莫耳%，則玻璃成分之液相黏度會減低。當液相黏度減低，會降低熔融玻璃成分之溫度，以增加熔合成形所需之黏度，導致成形期間之玻璃成分中的脫玻作用。因此，在某些實施例中，玻璃成分可具有小於或等於14莫耳%的R2 O (莫耳%)。在某些實施例中，玻璃成分可包括大於或等於7 (莫耳%)且小於或等於14 (莫耳%)的R2 O。
由本文描述之玻璃成分所形成之玻璃的離子交換能力主要是由離子交換之前最初存在於玻璃成分中之鹼金屬氧化物Li2 O的含量賦予玻璃。因此，在本文描述之玻璃成分之實施例中，存在於玻璃成分中之鹼金屬氧化物至少包括Li2 O。鋰離子小於其他鹼金屬離子，例如，鈉離子(Na+ )、鉀離子(K+ )、銣離子(Rb+ )及銫離子(Cs+ )。當由包含Li2 O之玻璃成分形成之玻璃與鈉離子或鉀離子進行離子交換時，相較於鈉離子及/或鉀離子與其他鈉離子或鉀離子之間的離子交換，較大的鈉離子及/或鉀離子對較小的鋰離子之離子交換可快速地發生。因此，相較於其他鹼金屬氧化物，玻璃成分中有相對較大量的Li2 O可使產物玻璃具有較佳的離子交換效能。舉例而言，相較於玻璃中之其他鹼金屬離子與鈉離子及/或鉀離子進行離子交換相比，玻璃中之鋰離子與鈉離子及/或鉀離子進行離子交換可產生具有較大的壓縮應力及較大的壓縮層深度之玻璃。當以鈉離子對玻璃進行離子交換時，玻璃中相對於其他鹼金屬氧化物之Li2 O含量越大，則表面上的壓縮應力越大。此外，鹼金屬氧化物可在玻璃網絡中產生非橋接氧(non–bridging oxygen)，其可降低化學上耐用度、降低黏度，並減緩離子交換進行。因此，為了依賴離子交換強化以在玻璃中達成期望的壓縮強度及層深度，在實施例中，玻璃成分中之Li2 O對全部R2 O的莫耳比為大於或等於0.35，其中R2 O為玻璃成分中之鹼金屬氧化物Li2 O、Na2 O、K2 O、Rb2 O及Cs2 O的總莫耳量(即，(Li2 O (莫耳%))/(R2 O (莫耳%))大於或等於0.35)。若玻璃成分中之Li2 O對R2 O的莫耳比小於0.35，則會減小因離子交換所引起之壓縮應力，導致較弱的玻璃及降低的玻璃之掉落表現(drop performance)。在某些實施例中，玻璃成分中之Li2 O對R2 O的莫耳比可大於或等於0.4、大於或等於0.5、大於或等於0.6、大於或等於0.7，或甚至大於或等於0.8。
具體而言，為了藉由離子交換強化而在玻璃中達成期望的壓縮應力和壓縮深度，在實施例中，玻璃成分包括之Li2 O含量自約2莫耳%至約15莫耳%，或自約2莫耳%至約14莫耳%，及其間所有範圍和子範圍。若玻璃成分中之Li2 O含量過低(舉例而言，如小於2莫耳%)，則玻璃中之離子交換速率會降低，且由離子交換產生之玻璃中的壓縮應力也會減小。若玻璃成分中之Li2 O含量過高(舉例而言，如大於14莫耳%或15莫耳%)，則玻璃成分之液相黏度會降低，且玻璃可能在熔合成形期間結晶。在某些實施例中，玻璃成分包括至少約4莫耳%的Li2 O。舉例而言，玻璃成分中之Li2 O的濃度可大於5莫耳%或大於6莫耳%。在某些實施例中，玻璃成分可具有大於或等於4莫耳%的Li2 O、大於或等於5莫耳%的Li2 O，或甚至大於或等於6莫耳%的Li2 O。在某些實施例中，玻璃成分包括小於約12莫耳%的Li2 O、小於約10莫耳%的Li2 O，或甚至小於約9莫耳%的Li2 O。在某些實施例中，玻璃成分可具有小於或等於14莫耳%的Li2 O、小於或等於12莫耳%的Li2 O、小於或等於10莫耳%的Li2 O，或甚至小於或等於9莫耳%的Li2 O。舉例而言，在某些實施例中，玻璃成分可包括大於或等於2莫耳%且小於或等於14莫耳%的Li2 O、大於或等於4莫耳%且小於或等於12莫耳%的Li2 O、大於或等於5莫耳%且小於或等於10莫耳%的Li2 O，或甚至大於或等於6莫耳%且小於或等於9莫耳%的Li2 O。
如上所述，玻璃成分中之鹼金屬氧化物進一步包括Na2 O。存在於玻璃成分中之Na2 O的含量也與由所述玻璃成分製成之玻璃的離子交換能力有關。具體而言，玻璃成分中存在之Na2 O可藉由增加離子穿過玻璃基質的擴散率，而在玻璃的離子交換過程中增加離子交換速率。然而，隨著存在於玻璃成分中之Na2 O的含量增加，由於鈉離子與其他鈉離子進行交換的結果，致使透過離子交換而獲得之玻璃中的壓縮應力減低。舉例而言，鈉離子與相同尺寸的另一個鈉離子進行離子交換導致壓縮層中之壓縮應力沒有淨增加。因此，增加玻璃成分中之Na2 O含量會減低由離子交換而產生於玻璃中之壓縮應力。因此，希望限制存在於玻璃成分中之Na2 O的含量。在某些實施例中，Na2 O的含量大於或等於0莫耳%且小於或等於6莫耳%，及其間所有範圍和子範圍。在某些實施例中，玻璃成分包括至少約0.1莫耳%的Na2 O。舉例而言，玻璃成分可具有大於或等於0.1莫耳%的Na2 O、大於或等於0.2莫耳%的Na2 O、大於或等於0.3莫耳%的Na2 O、大於或等於0.5莫耳%的Na2 O、大於或等於1莫耳%的Na2 O，或甚至大於或等於1.5莫耳%的Na2 O。在某些實施例中，玻璃成分可包括小於或等於6莫耳%的Na2 O、小於或等於5莫耳%的Na2 O，或甚至小於或等於約4莫耳%的Na2 O。舉例而言，在某些實施例中，玻璃成分可包括大於或等於0莫耳%且小於或等於6莫耳%的Na2 O、大於或等於0.1莫耳%且小於或等於6莫耳%的Na2 O、大於或等於0.2莫耳%且小於或等於5莫耳%的Na2 O、大於或等於0.3莫耳%且小於或等於4莫耳%的Na2 O、大於或等於0.5莫耳%且小於或等於6莫耳%的Na2 O、大於或等於1莫耳%且小於或等於6莫耳%的Na2 O，或大於或等於1.5莫耳%且小於或等於6莫耳%的Na2 O。因此，應可理解，Na2 O非必須存在於玻璃成分中。然而，當玻璃成分中包括Na2 O時，玻璃成分中之Na2 O含量通常小於約6莫耳%。
如上所述，玻璃成分中之鹼金屬氧化物可進一步包括K2 O。存在於玻璃成分中之K2 O的含量也與玻璃成分之離子交換能力有關。具體而言，隨著存在於玻璃成分中之K2 O含量增加，使得可透過離子交換獲得之玻璃中的壓縮應力因為鉀離子和鈉離子的交換而減低。因此，期望限制K2 O存在於玻璃成分中之含量。在某些實施例中，玻璃成分中之K2 O含量大於或等於0莫耳%且小於或等於2.5莫耳%，及其間所有範圍和子範圍。在某些實施例中，玻璃成分中之K2 O含量小於或等於1莫耳%或甚至小於或等於0.25莫耳%。在實施例中，玻璃成分可包括大於或等於約0.01莫耳%且小於或等於約2.5莫耳%的K2 O、大於或等於約0.01莫耳%且小於或等於約1莫耳%的K2 O，或甚至大於或等於約0.01莫耳%且小於或等於約0.25莫耳%的K2 O。因此，應可理解，K2 O非必須存在於玻璃成分中。然而，當玻璃成分中包括K2 O時，K2 O含量通常小於約2.5莫耳%。
玻璃成分亦可包括氧化磷(P2 O5 )。P2 O5 的存在可藉由抑制玻璃成分中之富鋁紅柱石結晶，而增加玻璃成分之液相黏度。當Al2 O3 的含量超過玻璃成分中之鹼金屬氧化物(R2 O莫耳%)和鹼土金屬氧化物(RO莫耳%)之含量的總和超過2莫耳%，或甚至超過莫耳%時，玻璃成分之液相溫度快速增加。當Al2 O3 (莫耳%)比(R2 O (莫耳%) + RO (莫耳%))大超過1莫耳%時，玻璃成分中存在之P2 O5 可藉由降低液相溫度來補償過量的Al2 O3 ，因此而增加玻璃成分的液相黏度。在某些實施例中，玻璃成分可具有足以補償過量Al2 O3 之P2 O5 含量。舉例而言，在某些實施例中，玻璃成分可具有足夠的P2 O5 含量，使得(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%) – P2 O5 (莫耳%))為小於或等於2或甚至小於或等於1。在某些實施例中，玻璃成分 可具有P2 O5 含量，使得(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%) – P2 O5 (莫耳%))為大於或等於–2或甚至大於或等於–1。在某些實施例中，玻璃成分可具有足夠的P2 O5 含量，使得(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%) – P2 O5 (莫耳%))為大於或等於–2且小於或等於2，或甚至大於或等於–1且小於或等於1。在某些實施例中，當P2 O5 (莫耳%)/[(Al2 O3 – R2 O – RO)](莫耳%)的比值在以下範圍時，P2 O5 的存在也可達成上述功效：自0.25至1.5、自0.25至1.4、自0.25至1.3、自0.25至1.25、自0.25至1.2、自0.25至1.1、自0.25至1、自0.25至0.9、自0.25至0.8、自0.25至0.7、自0.25至0.6、自0.5至1.5、自0.5至1.4、自0.5至1.3、自0.5至1.25、自0.5至1.2、自0.5至1.1、自0.5至1、自0.5至0.9、自0.5至0.8、自0.5至0.7、自0.5至0.6、自0.6至1.5、自0.6至1.4、自0.6至1.3、自0.6至1.25、自0.6至1.2、自0.6至1.1、自0.6至1、自0.6至0.9、自0.6至0.8、自0.6至0.7、自0.7至1.5、自0.7至1.4、自0.7至1.3、自0.7至1.25、自0.7至1.2、自0.7 至1.1、自0.7至1、自0.7至0.9、自0.7至0.8、自0.8至1.5、自0.8至1.4、自0.8至1.3、自0.8至1.25、自0.8至1.2、自0.8至1.1、自0.8至1、自0.8至0.9、自0.9至1.5、自0.9至1.4、自0.9至1.3、自0.9至1.25、自0.9至1.2、自0.9至1.1，或自0.9至1，及其間所有範圍和子範圍。在某些實施例中，玻璃成分不包括P2 O5 ，且如前所述，在缺少P2 O5 的情況下，玻璃成分具有之(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%))為大於或等於0且小於或等於2，或甚至大於或等於0且小於或等於1。
P2 O5 的含量也與由所述玻璃成分製成之玻璃的離子交換能力有關。增加玻璃成分中之P2 O5 含量可藉由在玻璃網絡內產生空間，來增加玻璃中之離子交換速率。P2 O5 也有助於增進由所述玻璃成分製成之玻璃的抗破壞性。然而，增加玻璃成分中之P2 O5 含量會降低透過玻璃之離子交換強化可獲得之壓縮應力的量。此外，增加P2 O5 的含量過高可導致高溫下之磷酸鋁(AlPO4 )的結晶，這可能增加該類成分之液相溫度。若玻璃成分中之P2 O5 含量過高，則玻璃的耐用度亦可能降低。因此，玻璃成分中之P2 O5 的總含量可能受到限制，舉例而言，限制在例如小於或等於20莫耳%。在某些實施例中，玻璃成分包括以下含量之P2 O5 ：自約0.1莫耳%至約20莫耳%，及其間所有範圍和子範圍。舉例而言，玻璃成分中之P2 O5 含量可為：大於約0.4莫耳%、大於約1莫耳%、大於約3莫耳%，或甚至大於約3.5莫耳%。在某些實施例中，玻璃成分可具有大於或等於0.1莫耳%的P2 O5 、大於或等於0.4莫耳%的P2 O5 、大於或等於1莫耳%的P2 O5 、大於或等於3莫耳%的P2 O5 ，或甚至大於或等於3.5莫耳%的P2 O5 。在某些實施例中，玻璃成分可包括小於約20莫耳%的P2 O5 、小於約10莫耳%的P2 O5 、小於約8莫耳%的P2 O5 、小於約6莫耳%的P2 O5 ，或甚至小於約5.5莫耳%的P2 O5 。在某些實施例中，玻璃成分可具有小於或等於20莫耳%的P2 O5 、小於或等於10莫耳%的P2 O5 、小於或等於8莫耳%的P2 O5 、小於或等於6莫耳%的P2 O5 ，或甚至小於或等於5.5莫耳%的P2 O5 。舉例而言，在某些實施例中，玻璃成分可包括大於或等於0.1莫耳%且小於或等於20莫耳%的P2 O5 、大於或等於0.4莫耳%且小於或等於10莫耳%的P2 O5 、大於或等於1莫耳%且小於或等於8莫耳%的P2 O5 、大於或等於3莫耳%且小於或等於6莫耳%的P2 O5 ，或甚至大於或等於3.5莫耳%且小於或等於5.5莫耳%的P2 O5 。因此，應可理解，P2 O5 非必須存在於玻璃成分中之。然而，當玻璃成分中包括P2 O5 時，玻璃成分中之P2 O5 含量通常小於約20莫耳%。
氧化硼(B2 O3 )是可添加至玻璃成分中之助熔劑(flux)，以降低給定之溫度(如，對應於200泊的黏度之溫度，玻璃在該溫度下熔融，且該溫度通常為玻璃熔爐中的最高溫度)下的玻璃黏度，從而增進玻璃的品質和可成形性。B2 O3 的存在也可增進由所述玻璃成分製成之玻璃的抗破壞性。然而，已發現添加B2 O3 會顯著地降低玻璃成分中之鈉離子和鉀離子的擴散性，這反過來又不利地影響產物玻璃之離子交換效能。具體而言，已發現，相對於不含硼之玻璃成分而言，添加B2 O3 可增加達成玻璃中之給定層深度所需之時間。添加B2 O3 也可能提高進行離子交換的溫度，以達到在給定的持續時間內在玻璃中達成目標層深度所必需的離子交換速率。
藉由將更大量的Li2 O和Al2 O3 加入玻璃成分，可補償B2 O3 對玻璃之離子交換效能的影響，這可補償玻璃成分中之B2 O3 的存在。舉例而言，已測定到，藉由控制玻璃成分中之B2 O3 含量對Li2 O含量及Al2 O3 含量的總和之比值，可減輕B2 O3 對玻璃之離子交換效能的影響。具體而言，已測定到，當玻璃成分中之(Li2 O (莫耳%) + Al2 O3 (莫耳%))的總和比B2 O3 含量(莫耳%)的兩倍更大時，鹼金屬氧化物在產物玻璃中之擴散性不會減弱，藉此維持了玻璃之離子交換效能。因此，在某些實施例中，玻璃成分中之(Li2 O (莫耳%) + Al2 O3 (莫耳%))/( B2 O3 (莫耳%))的比值為大於或等於2。在玻璃成分中之(Li2 O (莫耳%) + Al2 O3 (莫耳%))/( B2 O3 (莫耳%))的比值小於2時，玻璃成分中之鹼金屬氧化物的擴散性減低，且離子交換效能亦下降。
在本文描述之實施例中，玻璃成分中之B2 O3 含量可為：自約0.1莫耳%至約20莫耳%，及其間所有範圍和子範圍。舉例而言，玻璃成分中之B2 O3 含量可為：大於約0.1莫耳%、大於約3莫耳%，或甚至大於約4莫耳%。在某些實施例中，玻璃成分 可具有大於或等於0.1莫耳%的B2 O3 、大於或等於3莫耳%的B2 O3 ，或甚至大於或等於4莫耳%的B2 O3 。在某些實施例中，玻璃成分包括小於約20莫耳%的B2 O3 、小於約15莫耳%的B2 O3 、小於約10莫耳%的B2 O3 ，或甚至小於約7莫耳%的B2 O3 。在某些實施例中，玻璃成分可包括小於或等於20莫耳%的B2 O3 、小於或等於15莫耳%的B2 O3 、小於或等於10莫耳%的B2 O3 ，或甚至小於或等於7莫耳%的B2 O3 。舉例而言，在某些實施例中，玻璃成分可包括大於或等於0.1莫耳%且小於或等於20莫耳%的B2 O3 、大於或等於3莫耳%且小於或等於15莫耳%的B2 O3 、大於或等於4莫耳%且小於或等於10莫耳%的B2 O3 ，或甚至大於或等於4莫耳%且小於或等於7莫耳%的B2 O3 。因此，應可理解，B2 O3 非必要存在於玻璃成分中。然而，當玻璃成分中包括B2 O3 時，玻璃成分中之B2 O3 含量通常小於約20莫耳%。
鹼土金屬氧化物可存在於玻璃成分中，以增進玻璃批料的可熔性，並增加產物玻璃之化學上耐用度。具體而言，少量鹼土金屬氧化物的存在可增加玻璃成分之液相黏度。然而，玻璃成分中過多的鹼土金屬氧化物會導致鋁矽酸鹽結晶，並因而降低玻璃成分之液相黏度。鹼土金屬氧化物的存在也可影響產物玻璃之離子交換效能。舉例而言，在本文描述之玻璃成分中，為了增進玻璃的離子交換能力，存在於玻璃成分中之鹼土金屬氧化物的總量(以莫耳%為單位) (即，RO (莫耳%))通常小於存在於玻璃成分中之鹼金屬氧化物的總量(以莫耳%為單位) (即，R2 O (莫耳%))。在本文描述之實施例中，玻璃成分通常包括自約0莫耳%至約5莫耳%，及其間所有範圍和子範圍的鹼土金屬氧化物。在這些實施例之部分實施例中，玻璃成分中之鹼土金屬氧化物的含量可為自約0莫耳%至約3莫耳%，或甚至自約0莫耳%至約2莫耳%。
玻璃成分中之鹼土金屬氧化物可包括BeO、MgO、CaO、SrO、BaO或它們的組合。在某些實施例中，玻璃成分可不含或實質上不含BaO。在某些實施例中，鹼土金屬氧化物可包括BeO、MgO、CaO、SrO或它們的組合。舉例而言，在本文描述之實施例中，鹼土金屬氧化物可包括MgO。在實施例中，玻璃成分可包括大於或等於約0莫耳%且小於或等於約5莫耳%，及其間所有範圍和子範圍之MgO。在某些實施例中，玻璃成分可包括大於0莫耳%的MgO。在某些實施例中，玻璃成分可包括大於0莫耳%且小於或等於約5莫耳%的MgO、大於0莫耳%且小於或等於3莫耳%的MgO，或甚至大於0莫耳%且小於或等於0.2莫耳%的MgO。因此，應可理解，MgO不必須存在於玻璃成分中。然而，當玻璃成分中包括MgO時，玻璃成分中之MgO的含量通常小於約5莫耳%。
在某些實施例中，鹼土金屬氧化物可視情況進一步包括CaO。CaO的存在可增加玻璃成分之液相黏度。然而，玻璃成分中之過多CaO可降低產物玻璃中之離子交換速率。在實施例中，存在於玻璃成分中之CaO含量可自約0莫耳%至約4莫耳%，及其間所有範圍和子範圍。舉例而言，存在於玻璃成分中之CaO含量可為小於或等於4莫耳%、小於或等於2莫耳%，或甚至小於或等於1莫耳%。在某些實施例中，玻璃成分可包括大於0莫耳%的CaO。在這些實施例之部分實施例中，玻璃成分可包括大於0莫耳%且小於或等於約4莫耳%的CaO。舉例而言，玻璃成分可包括大於0莫耳%且小於或等於約2莫耳%的CaO，或甚至大於0莫耳%且小於或等於約1莫耳%的CaO。因此，應可理解，CaO非必須存在於玻璃成分中。然而，當玻璃成分中包括CaO時，玻璃成分中之CaO含量通常小於約4莫耳%。
在某些實施例中，鹼土金屬氧化物可視情況進一步包括SrO。存在的SrO可作用而增加玻璃成分的液相黏度，然而，玻璃成分中之過多的SrO可降低產物玻璃中之離子交換速率。在實施例中，玻璃成分中可存在以下含量之SrO：自約0莫耳%至小於或等於4莫耳%，及其間所有範圍和子範圍。舉例而言，存在於玻璃成分中之SrO可為：小於或等於4莫耳%、小於或等於2莫耳%，或甚至小於或等於1莫耳%。在某些實施例中，玻璃成分可包括大於0莫耳%的SrO。在這些實施例之部分實施例中，玻璃成分可包括大於0莫耳%且小於或等於約4莫耳%的SrO。舉例而言，玻璃成分可包括大於0莫耳%且小於或等於約2莫耳%的SrO，或甚至大於0莫耳%且小於或等於約1莫耳%的SrO。因此，應可理解，SrO非必須存在於玻璃成分中。然而，當玻璃成分中包括SrO時，玻璃成分中之SrO含量通常小於約4莫耳%。
除了SiO2 、Al2 O3 、P2 O5 、B2 O3 、鹼金屬氧化物和鹼土金屬氧化物之外，本文描述之玻璃成分可視情況進一步包括一或多種澄清劑，例如，SnO2 、As2 O3 及/或Cl– (來自NaCl等)。玻璃成分中可包括澄清劑，以在成形期間最小化或消除玻璃成分中之氣泡。然而，澄清劑通常在玻璃成分具有低溶解度。因此，若玻璃成分中之澄清劑含量過大，則可能在熔合成形期間發生澄清劑之脫玻作用。當澄清劑存在於玻璃成分中時，可存在以下含量之澄清劑：小於或等於0.35莫耳%、小於或等於0.2莫耳%，或甚至小於或等於0.1莫耳%。舉例而言，在某些實施例中，玻璃成分可包括SnO2 作為澄清劑。在這些實施例中，玻璃成分可包括大於或等於0莫耳%且小於或等於0.35莫耳%的SnO2 、大於0莫耳%且小於或等於約0.2莫耳%的SnO2 、大於0莫耳%且小於或等於0.1莫耳%的SnO2 含量，或甚至大於或等於約0.01莫耳%且小於或等於約0.05莫耳%的SnO2 含量。因此，應可理解，SnO2 或其他澄清劑非必須存在於玻璃成分中。然而，當玻璃成分中包括SnO2 或其他澄清劑時，玻璃成分中之SnO2 及其他澄清劑的總含量通常小於約0.35莫耳%。
並且，本文描述之玻璃成分可包含一或多種額外的金屬氧化物，以進一步增進產物玻璃之化學上耐用度。舉例而言，玻璃成分可視情況進一步包括過渡金屬氧化物，如ZnO、TiO2 、ZrO2 或這些物質的組合。這些金屬氧化物中之各者可進一步改善玻璃對化學侵蝕的抵抗力。然而，這些額外的金屬氧化物在玻璃成分中不是很能溶解，且傾向結晶，導致熔合成形期間之脫玻作用。在這些實施例中，可存在以下含量之額外的金屬氧化物：大於或等於約0莫耳%且小於或等於約5莫耳%，及其間所有範圍和子範圍。舉例而言，當額外的金屬氧化物為ZnO時，可存在以下含量之ZnO：大於或等於0莫耳%且小於或等於約5莫耳%、大於或等於0莫耳%且小於或等於3莫耳%，或甚至大於或等於0莫耳%且小於或等於2莫耳%。在某些實施例中，當額外的金屬氧化物為ZrO2 或TiO2 時，可存在以下含量之ZrO2 或TiO2 ：小於或等於約1莫耳%。因此，應可理解，這些額外的金屬氧化物非必須存在於玻璃成分中。然而，當玻璃成分中包括ZnO、ZrO2 或TiO2 時，玻璃成分中之ZnO、ZrO2 及TiO2 的總含量通常小於約5莫耳%。
在某些實施例中，玻璃成分可包括一或多種稀土金屬氧化物。稀土金屬是指IUPAC週期表之鑭系元素中列出的金屬加上釔和鈧。玻璃成分中存在稀土金屬氧化物可增加產物玻璃的模數、剛度，或模數和剛度。稀土金屬氧化物也可有助於增加玻璃成分之液相黏度。此外，某些稀土金屬氧化物可為玻璃添加顏色。若需要或期望沒有顏色的話，則玻璃成分可包括氧化鑭(La2 O3 )、氧化釔(Y2 O3 )、氧化釓(Gd2 O3 )、氧化鐿(Yb2 O3 )、氧化鎦(Lu2 O3 )或它們的組合。就無色玻璃而言，稀土金屬氧化物可包括Ce2 O3 、Pr2 O3 、Nd2 O3 、Sm2 O3 、Eu2 O3 、Tb2 O3 、Dy2 O3 、Ho2 O3 、Er2 O3 、Tm2 O3 或這些氧化物之組合。在實施例中，玻璃成分可包括從0莫耳%至4莫耳%及其間所有範圍和子範圍之稀土金屬氧化物之總量。舉例而言，玻璃成分可包括大於0莫耳%且小於或等於4莫耳%的稀土金屬氧化物、大於0莫耳%且小於或等於2莫耳%的稀土金屬氧化物、大於0莫耳%且小於或等於1.5莫耳%的稀土金屬氧化物、大於0莫耳%且小於或等於1莫耳%的稀土金屬氧化物、大於0莫耳%且小於或等於0.5莫耳%的稀土金屬氧化物、小於4莫耳%的稀土金屬氧化物、小於3莫耳%的稀土金屬氧化物、小於2莫耳%的稀土金屬氧化物、小於1莫耳%的稀土金屬氧化物，或小於0.5莫耳%的稀土金屬氧化物。在某些實施例中，稀土金屬氧化物可包括 La2 O3 。舉例而言，在某些實施例中，玻璃成分可包括大於0莫耳%且小於或等於4莫耳%的La2 O3 。因此，應可理解，稀土金屬氧化物不必然存在於玻璃成分中。然而，當玻璃成分中包括稀土金屬氧化物時，玻璃成分中之稀土金屬氧化物的總量通常小於約4莫耳%。
玻璃成分可包括小於0.05莫耳%的混雜化合物(tramp compound)，如錳化合物、鈰化合物、鉿化合物或其他化合物，混雜化合物可存在於玻璃成分中作為SiO2 、Al2 O3 、Li2 O、P2 O5 、B2 O3 、鹼金屬氧化物、鹼性金屬氧化物、其他金屬氧化物或玻璃成分之其他蓄意包括之組分中之雜質。混雜化合物也可透過與處理設備(如熔合下拉成形製程之耐火部件等)接觸而進入玻璃成分。
如下文所討論，本文描述之玻璃成分可透過離子交換而被化學強化，以在玻璃製品的表面處賦予壓縮應力。然而，在離子交換製程期間，可因稱為應力鬆弛(stress relaxation)之製程而使靠近玻璃表面形成的壓縮應力減小，應力鬆弛由玻璃的黏度決定，其中玻璃的黏度越低，則應力鬆弛越快且化學強化製程的效率越低。在某些實施例中，可控制玻璃的成分，以最小化應力鬆弛的影響。玻璃的特徵可為數值A，其為在等於400 ºC之溫度下的黏度(以泊為單位)之對數的估計值，400 ºC接近大多數用於離子交換的典型溫度，其中：
A = 13.2 + P * [(1/673 – 1(A.P. +273))]
其中P = 0.6/[(1/(A.P. +273)) – (1/(T12 +273))]，
其中A.P.為以ºC為單位之退火點，且
其中T12 為對應當玻璃具有1012 泊之黏度時的溫度。
在某些實施例中，當A大於或等於17、大於或等於18、大於或等於19或大於或等於20時，可使應力鬆弛最小化。
可藉由混合一批玻璃原材料(如，鋰輝石、砂、氧化鋁、偏磷酸鋁、硼酸、鹼金屬碳酸鹽(alkali carbonate)、鹼金屬硝酸鹽(alkali nitrate)、鹼土金屬碳酸鹽、鹼土金屬氧化物等之粉末)，使該批玻璃原材料具有期望的成分，來形成本文描述之玻璃成分。此後，加熱該批玻璃原材料，以形成熔融玻璃成分，隨後冷卻並固化熔融玻璃成分，以形成玻璃成分。在固化期間(即，當玻璃成分為可塑地變形時)，可使用標準成形技術將玻璃成分塑形成為期望的最終形態。或者，可將玻璃製品塑形成為存料形態，如片狀、帶狀、管狀等，且後續再加熱而成形為期望的最終形態。
本文描述之玻璃成分可經塑形為具有各種形態(如片狀、帶狀、管狀等)之玻璃製品。然而，考慮到機械上耐用度，本文描述之玻璃成分特別適用於供電子裝置(如可攜式電子裝置)所用之覆蓋玻璃的成形。並且，透過離子交換而經化學強化之玻璃成分的能力可被利用來進一步增進由本文揭示之玻璃成分製成之玻璃片及製品的機械上耐用度。因此，應理解到，在至少一個實施例中，玻璃成分併入電子裝置，以增進電子裝置之機械上耐用度。
熔合下拉製程為用於在玻璃成分固化期間將本文描述之熔融玻璃成分塑形成玻璃片和玻璃帶的一種技術。相較於使用其他玻璃帶成形製程(如浮式和狹槽抽拉製程)所製造的帶，熔合下拉製程可生產具相對低缺陷量並具優異平坦度表面之玻璃片和帶。因此，熔合下拉製程廣泛用於生產供製造LED和LCD顯示器所用之玻璃基板和需要優異平坦度的其他基板。在典型的熔合下拉製程中，製備並熔融玻璃成分，並將經熔融玻璃成分進料至成形主體(亦稱為等靜壓管(isopipe))，成形主體包括在根部收斂之成形表面。經熔融玻璃均勻地流過成形主體的成形表面，並形成具有原始表面的平板玻璃帶。在比玻璃於重力下沿著成形主體之成形表面向下流動的速率更大的速率下，將平板玻璃帶抽拉離開成形主體的根部。玻璃成分的黏度通常隨著溫度的升高而成指數式下降。因此，玻璃成分可具有儘可能低的液相溫度，以增加玻璃成分在液相溫度下之黏度(即，液相黏度)。這確保了將玻璃帶抽拉離開根部的速率大於玻璃成分向下流過成形主體之成形表面的速率。若玻璃成分之液相溫度過高，則液相黏度變得過低而無法有效率地下拉玻璃成分。在熔合成形製程期間，將溫度降低至液相溫度以下來減少玻璃成分的黏度會導致玻璃成分之脫玻作用。玻璃成分的組分在熔合成形期間之脫玻作用會導致玻璃帶中(特別是在玻璃帶的表面中)之缺陷及/或不完整。此外，組分的結晶也會減弱玻璃的可成形性(formability)。
如前所述，本文揭示之玻璃成分具有足夠低的液相溫度，使得玻璃成分的液相黏度足夠高，而使玻璃成分能由熔合下拉成形製程進行成形。舉例而言，在某些實施例中，玻璃成分可具有小於或等於1300 °C之液相溫度。在其他實施例中，玻璃成分可具有小於或等於1250 °C、小於或等於1200 °C，或甚至小於或等於1150 °C之液相溫度。在某些實施例中，玻璃成分可具有大於或等於1100 °C且小於或等於1300 °C、大於或等於1100 °C且小於或等於1250 °C、大於或等於1150 °C且小於或等於1300 °C，或大於或等於1150 °C且小於或等於1250 °C之液相溫度。在實施例中，玻璃成分具有之液相黏度足以使玻璃成分能被熔合下拉成形製程所成形。舉例而言，在某些實施例中，玻璃成分可具有至少20千泊(kP) (20,000泊(P)或2000帕斯卡秒(Pa–s)之高液相黏度，其中1 kP等於100帕斯卡秒(Pa–s)。在其他實施例中，玻璃成分可具有至少50 kP、至少100 kP、至少200 kP、至少300 kP，或甚至至少500 kP之液相黏度。在某些實施例中，玻璃成分可具有大於或等於20 kP、大於或等於50 kP、大於或等於100 kP、大於或等於200 kP、大於或等於300 kP、大於或等於500 kP，或甚至大於或等於1000 kP之液相黏度。在其他實施例中，玻璃成分可具有小於約1200 kP，或甚至小於1000 kP之液相黏度。在更多其他實施例中，玻璃成分可具有大於或等於20 kP且小於或等於1000 kP之液相黏度。舉例而言，玻璃成分可具有大於或等於50 kP且小於或等於1000 kP、大於或等於100 kP且小於或等於1000 kP，或甚至大於或等於500 kP且小於或等於1000 kP之液相黏度。
如所討論，本文揭示之玻璃成分具有足夠高的液相黏度，以容許使用熔合下拉成形製程成形，例如成形為玻璃帶及/或玻璃片。然而，也可使用其他已知的玻璃成形方法來製造所述玻璃成分，舉例而言，如浮式法或狹槽抽拉製程。在浮式法中，經熔融玻璃成分漂浮在熔融金屬浴(如熔融錫浴)的頂部。經熔融玻璃成分在沿著熔融金屬表面通過時冷卻，直到從浴的表面移去玻璃，成為由所述玻璃成分形成的玻璃帶。亦可考慮其他玻璃成形製程。
可藉由離子交換來化學強化本文描述之玻璃成分製成的玻璃製品和玻璃片。在離子交換強化製程中，由所述玻璃成分製成之玻璃的表面層中之離子被具有相同價態或氧化態的較大離子取代或交換。在實施例中，玻璃成分的表面層中之離子和所述較大的離子是一價鹼金屬陽離子，如Li+ 、Na+ 、K+ 、Rb+ 及Cs+ 。或者，可以用除了鹼金屬陽離子以外的一價陽離子(如Ag+ 等)取代表面層中之一價陽離子。
通常藉由將由玻璃成分製成的玻璃製品或玻璃片浸置於熔融鹽浴中，來進行商業規模的離子交換製程，所述熔融鹽浴含有待與玻璃成分中之較小離子交換之較大離子。對本案所屬技術領域中具通常知識者將顯而易見的是，通常由玻璃成分和希望由離子交換強化製程得到的玻璃成分之層深度和壓縮應力，來決定用於離子交換製程的參數，所述參數包括但不限於：浴成分和溫度、浸置時間、玻璃在鹽浴(或浴)中之浸置次數、多個鹽浴的使用、附加步驟(如退火、清洗等)等。舉例而言，可藉由浸置在至少一種含鹽類(例如，但不限於較大鹼金屬離子之硝酸鹽、硫酸鹽和氯化物)的熔融浴中，以達成含鹼金屬的玻璃之離子交換。熔融鹽浴之溫度通常在自約攝氏350度(°C)達約450 ºC之範圍內，而浸置時間通常在自約0.1小時達約36小時之範圍內。然而，也可使用與上述不同的溫度和浸置時間。
藉由以下方式，離子交換強化可在由所述玻璃成分製成之玻璃的外部區域中產生壓縮應力：以來自熔融鹽浴之複數個第二金屬離子取代玻璃的外部區域中之複數個第一鹼金屬離子，使得所述外部區域包含複數個第二金屬離子。各個第一鹼金屬離子具有第一離子半徑，且各個第二金屬離子具有第二離子半徑。第二離子半徑大於第一離子半徑，且存在於外部區域中之較大的第二金屬離子可在外部區域中產生壓縮應力。第一鹼金屬離子可為鋰、鈉、鉀或銣的離子。第二金屬離子可以是鈉、鉀、銣和銫中之至少一者的離子。通常，第二金屬離子不同於第一鹼金屬離子，且第二金屬離子具有之離子半徑大於第一鹼金屬離子之離子半徑。
可使用已知技術測量離子交換所導致之特定離子之壓縮應力(CS)、壓縮深度(DOC)及層深度(DOL)。藉由使用市售儀器之表面應力計(FSM)來量測壓縮應力(包括表面CS)，所述表面應力計如Orihara Industrial有限公司(日本)製造的FSM–6000。表面應力量測係依據應力光學係數(SOC)的精確量測，SOC與玻璃雙折射有關。進而依據名稱為「Standard Test Method for Measurement of Glass Stress-Optical Coefficient」的ASTM標準C770-16中描述之程序C（玻璃盤法）量測SOC。
如本文所用，DOC意指經化學強化之鹼鋁矽酸鹽玻璃製品中之應力從壓縮變成伸張的深度。取決於離子交換處理，可由FSM或散射光偏光儀(SCALP)量測DOC。當玻璃製品中之應力是因將鉀離子交換至玻璃製品內而產生時，使用FSM來量測DOC。當應力是因將鈉離子交換至玻璃製品內而產生時，使用SCALP來測量DOC。當玻璃製品中之應力是因將鉀離子和鈉離子二者交換至玻璃內而產生時，由SCALP測量DOC，這是因為咸信鈉的交換深度指示DOC，且鉀離子的交換層深度(鉀DOL或K DOL)指示壓縮應力之量級變化(但非從壓縮至伸張的應力變化)；此類玻璃製品中之鉀離子之交換深度可由FSM測量。
本文揭示之DOC值，特別是為玻璃的厚度之至少10%的DOC值，且更佳為大於或等於玻璃的厚度之20%，反映出使用SCALP技術運算的DOC值。為清楚起見，DOC值代表至少一個壓縮應力層的厚度，這意味著經強化之玻璃製品或片可具有一個壓縮層(該壓縮層具有的DOC為玻璃的厚度之至少20%)，或具有兩個壓縮層(各個壓縮層具有的DOC為玻璃的厚度之至少20%)。所揭示之DOC值不是兩個壓縮應力層之結合(例如，總和或平均)。
如上所述，玻璃成分中存在鹼金屬氧化物有助於藉由離子交換來化學性強化產物玻璃。具體而言，玻璃成分中之鹼金屬離子(如鋰離子、鈉離子、鉀離子等)有充分地流動力以促進離子交換。在某些實施例中，可藉由將玻璃(如由所述玻璃成分製成之玻璃製品或玻璃片)導入包含硝酸鈉(NaNO3 )、硝酸鉀(KNO3 )或二者之離子交換浴(如，將玻璃浸置於離子交換浴中)，而使玻璃進行離子交換。在實施例中，基於離子交換浴的總重量，離子交換浴可包括自1重量百分比(重量%)至100重量%的NaNO3 。舉例而言，基於離子交換浴的總重量，離子交換浴可包括自1重量%至99重量%、自1重量%至80重量%、自1重量%至20重量%、自20重量%至100重量%、自20重量%至99重量%、自20重量%至80重量%、自80重量%至100重量%，或自80重量%至99重量%的NaNO3 。離子交換浴也可包括足以增加玻璃的表面處之壓縮應力的KNO3 含量。舉例而言，在實施例中，基於離子交換浴的總重量，離子交換浴可包括自0重量%至99重量% KNO3 。在某些實施例中，基於離子交換浴的總重量，離子交換浴可包括自0重量%至98重量%、自0重量%至80重量%、自0重量%至20重量%、自20重量%至99重量%、自20重量%至98重量%、自20重量%至80重量%、自80重量%至99重量%，或自80重量%至98重量%的KNO3 。離子交換浴可視情況包括0.1重量%至2重量%的矽酸H4 SiO4 。
由所述玻璃成分製成之玻璃的離子交換強化可在足夠的離子交換溫度下進行，並達足夠的浸置時間，以在玻璃內提供目標應力輪廓。舉例而言，在實施例中，可將離子交換浴維持在自350 °C至450 °C的溫度下。在其他實施例中，可將離子交換浴維持在自365 °C至440 °C的溫度下。在某些實施例中，可進行離子交換達自0.1小時至36小時之浸置時間。在其他實施例中，可進行離子交換達以下浸置時間：自0.1小時至30小時、自0.1小時至20小時、自0.1小時至10小時、自1小時至36小時、自1小時至30小時、自1小時至20小時、自1小時至10小時，或自10小時至20小時。離子交換之浸置時間可取決於待離子交換之玻璃的厚度。離子交換之浸置時間也可取決於先前在此揭示內容中描述之玻璃成分。在某些實施例中，就由所述玻璃成分製成並具有自0.5毫米(mm)至1 mm之厚度的平坦玻璃片而言，可進行離子交換達大於或等於1小時且小於或等於10小時之浸置時間。
在某些實施例中，玻璃成分可使玻璃能進行離子交換，直到鈉離子到達玻璃的厚度之中心。藉由離子交換玻璃成分直到鈉離子抵達玻璃的厚度之中心，可產生穿過玻璃厚度之鈉離子濃度梯度，導致穿過玻璃厚度之拋物線形應力輪廓。請參見第1圖，由所述玻璃成分製成的兩個示例玻璃之應力輪廓被圖解為穿過玻璃之厚度的函數。在第1圖中，負應力表示壓縮應力，且正應力表示伸張應力(即，中心張力(CT))。DOC是玻璃中之應力從壓縮應力(即，第1圖之負應力)轉變為中心張力(central tension) (即，第1圖之正應力)的點。如第1圖所示，鈉離子的梯度穿入中心張力區域(即，第1圖中自約1.5 mm至約6 mm的區域)，使得應力輪廓在中心張力區域中彎曲。因為應力輪廓在中心張力區域中彎曲，玻璃的中心張力區域中之總儲存張力較小。若玻璃中之中心張力變得過大，玻璃可能變得易碎。因此，藉由離子交換玻璃來產生能減低玻璃中的中心張力之拋物線形應力輪廓，可實現較大的DOC而不會導致玻璃變得易碎。如本文所用，術語「易碎表現(frangible behavior)」和「易碎性(frangibility)」是指在沒有任何外部限制(如塗層、附著層等)的情況下，經強化之玻璃的那些劇烈或高能量式碎裂的那些模式。儘管可與由本文描述之玻璃成分製成的經強化玻璃結合使用塗層、附著層等，但不使用這些外部限制來決定玻璃的易碎性或易碎表現。
在某些實施例中，拋物線形應力輪廓可使玻璃成分中之中心張力(central tension)達到小於120兆帕(MPa)，或甚至小於100 MPa。在某些實施例中，玻璃成分之中心張力可大於或等於50 MPa且小於120 MPa，或甚至大於或等於70 MPa且小於或等於100 MPa。在某些實施例中，由本文揭示之玻璃成分製成之0.8 mm厚的樣品玻璃能被離子交換(430 °C下，小於8小時)成拋物線形輪廓。
在實施例中，在由所述玻璃成分製成之玻璃製品或玻璃片經離子交換以產生拋物線形應力輪廓(parabolic stress profile)之後，玻璃中之DOC可達玻璃之厚度的15%。舉例而言，在某些實施例中，在玻璃經離子交換以產生拋物線形應力輪廓之後，DOC可達玻璃之厚度的18%、達玻璃之厚度的20%、達玻璃之厚度的22%，或甚至達玻璃之厚度的25%。在某些實施例中，在離子交換之後，玻璃成分可具有DOC為玻璃成分之厚度的5%至25%。舉例而言，由所述玻璃成分所製造之玻璃在離子交換後，所述玻璃可具有之DOC為玻璃之厚度的自5%至18%、自5%至20%、自5%至20%、自5%至22%、自10%至15%、自10%至18%、自10%至20%、自10%至22%、自10%至25%、自15%至18%、自15%至20%、自15%至22%、自15%至25%、自18%至20%，或自18%至22%。在一個實例中，由所述玻璃成分所製造並具有0.8 mm的厚度之玻璃片可具有達約120 µm，或達約145 µm，或甚至達約160 µm之DOC。在另一個實例中，由所述玻璃成分所製造並具有1 mm的厚度之玻璃片可具有達約150 µm，或達約180 µm，或甚至達約200 µm之DOC。就具有自0.5 mm至1 mm之厚度的玻璃而言，離子交換玻璃以得到拋物線形應力輪廓可使玻璃具有範圍自100 µm至200 µm之DOC。典型的習用鹼金屬鋁矽酸鹽玻璃在離子交換後具有自40 µm至50 µm之DOC。因此，本文揭示之玻璃成分可使由所述玻璃成分製成之玻璃進行離子交換，以在玻璃中產生拋物線形應力輪廓，這可在玻璃中產生實質上更大的DOC。
本文描述之玻璃成分使得鈉離子能夠在離子交換期間遷移至玻璃的中心。然而，由於鉀離子具有比鈉離子更大的尺寸，鉀離子(當存在於離子交換浴中時)可能無法像鈉離子那樣遷移進入由所述玻璃成分製成之玻璃這麼遠。在離子交換浴中包括鉀離子的實施例中，鉀離子穿入玻璃(K DOL)達自5 µm至25 µm、自5 µm至15 µm，或甚至自8 µm至12 µm之深度。
在某些實施例中，在離子交換之後，由所述玻璃成分製成之玻璃可具有足以對玻璃提供抗破壞性之壓縮應力。舉例而言，在某些實施例中，在離子交換之後，玻璃在玻璃的表面處可具有大於或等於400 MPa、大於或等於500 MPa、或甚至大於或等於600 MPa之壓縮應力。
在某些實施例中，可進行第二離子交換步驟，以進一步增加由所述玻璃成分成形之玻璃的外部區域中之壓縮應力。不受理論限制，第二離子交換步驟被認為是快速離子交換步驟，其在玻璃的表面附近產生壓縮應力的「尖峰化(spike)」。在一或多個實施例中，可進行第二離子交換步驟達30分鐘或更少時間、或達15分鐘或更少時間，或可視情況進行第二離子交換步驟達約10至約15分鐘。第二離子交換浴的成分可不同於第一離子交換浴，例如，當第二離子交換步驟涉及向玻璃輸送與第一離子交換步驟不同的離子時。在某些實施例中，第二離子交換浴可包含鉀鹽，如硝酸鉀、硫酸鉀、氯化鉀、其他鉀鹽或他們的組合。在一或多個實施例中，第二離子交換浴可包含至少約80重量%的鉀鹽。在具體的實施例中，第二離子交換浴可包含自約95%至約99.5重量%的鉀鹽。儘管第二離子交換浴可能僅包含鉀鹽，但在某些實施例中，第二離子交換浴可包含0至2重量%、或約0.5至1.5重量%的鈉鹽，例如，NaNO3 。在示例性實施例中，鉀鹽為KNO3 。在進一步實施例中，第二離子交換步驟的溫度可為390 °C或更高。若在第一離子交換之後，經離子交換的玻璃中之壓縮應力不足的話，則可進行第二離子交換步驟以用鉀離子使玻璃的外表面「尖峰化(spike)」，以增加玻璃的表面處之壓縮應力。
由本文描述之玻璃成分製成之玻璃通常可具有大於或等於約500 °C且小於或等於約650 °C之應變點。由本文所揭示之玻璃成分製成之玻璃也可具有大於或等於約550 °C且小於或等於約725 °C之退火點，以及大於或等於約775 °C且小於或等於約960 °C之軟化點。
在本文描述之實施例中，由所述玻璃成分製成之玻璃可具有小於約75x10–7 K–1 或甚至小於約60x10–7 K–1 之CTE。相對於具較高CTE之玻璃成分而言，這些較低的CTE值增進了玻璃對熱循環或熱應力環境之生存能力。
本文揭示之玻璃製品可併入另一製品內，如具顯示器之製品(或顯示器製品) (如，消費性電子產品，包括行動電話、平板電腦、電腦、導航系統等)、建築用製品、運輸製品(如，汽車、火車、飛機、船隻等)、家電製品，或需一定透明度、耐刮性、耐磨性或上述組合的任何製品。整合有本文揭示之任何玻璃製品之示例性製品繪示於第2A及2B圖中。具體而言，第2A及2B圖繪示了包括殼體302之消費性電子裝置300，殼體302具有前表面304、後表面306及側表面308；至少部分或整個位於殼體內之電子組件(未繪示)，且電子組件包括至少一控制器、記憶體及顯示器310，顯示器310位於殼體的前表面處或鄰近殼體的前表面；以及覆蓋基板312，覆蓋基板312位於殼體的前表面處或在殼體的前表面上方，使得覆蓋基板312位於顯示器上方。在某些實施例中，覆蓋基板312或殼體302的一部分中之至少一者可包括本文揭示之任何玻璃製品。
實例
藉由以下實例將可進一步闡明本文描述之玻璃成分的實施例。
實例 1
製備103個示例玻璃成分(成分1至103)。各示例玻璃成分之具體成分列示於下表1。玻璃成分的組分在鉑坩堝中，在介於1500 °C與1600 °C之間的溫度下熔融達5至6小時，且在介於1600 °C與1650 °C之間的更高溫度下再熔融達5至6小時，以改善均勻性和熔融品質。測量實例1之玻璃成分的液相溫度和液相黏度。接著將玻璃澆鑄到鋼板上並在表I中給定的退火溫度附近退火1小時。切割並拋光各玻璃成分的多個樣品，以進行性質測量及進一步的離子交換實驗。所有樣品的厚度為0.8 mm。測試各樣品之熱膨脹係數(CTE)、密度、韌性(toughness)和楊氏模數。此揭示內容中記載之密度值是指藉由ASTM C693–93(2013)的浮力法(buoyancy method)所測量的值。此揭示內容中記載之楊氏模數值是指藉由ASTM E2001–13中標題為「Standard Guide for Resonant Ultrasound Spectroscopy for Defect Detection in Both Metallic and Non–metallic Parts」所述的一般類型的共振超音波光譜技術所測量的值。在某些實施例中，楊氏模數大於或等於70 GPa或大於或等於80 GPa。針對所有玻璃成分的結果列示於下表1。此揭示內容中記載之破裂韌性值(K1C )是指藉由鋸齒形缺口短棒(chevron notched short bar；CNSB)方法所測量的值，該方法揭示於Reddy, K.P.R.等人，「Fracture Toughness Measurement of Glass and Ceramic Materials Using Chevron-Notched Specimens」，J. Am. Ceram.Soc., 71 [6]，C-310-C-313 (1988)，區別在於使用Bubsey, R.T.等人，「Closed-Form Expressions for Crack-Mouth Displacement and Stress Intensity Factors for Chevron-Notched Short Bar and Short Rod Specimens Based on Experimental Compliance Measurements」，NASA Technical Memorandum 83796, 第1-30頁(1992年10月)之等式5計算Y*m 。在某些實施例中，破裂韌性為大於或等於約0.7 MPa·m1/2 或大於或等於約0.7 MPa·m1/2 。
表 1 ：實例 1 之玻璃成分和性質

















實例 2
示例玻璃成分中之三種玻璃成分(成分26、65及77)中的每一種之兩組樣品受到進一步處理，並經離子交換強化。各該三種示例玻璃成分在離子交換前的成分提供於下表2。藉由以下方式來虛擬(fictivate)實例2之各示例玻璃成分之一組樣品：在玻璃成分的黏度為1011 泊之溫度下熱處理所述樣品達4分鐘，並接著在環境溫度下於流動空氣中淬火所述樣品。在下表2中給予這些虛擬樣品後綴「–F」。此熱處理模擬了經淬火之熔合拉製玻璃的熱歷史。實例2之各示例玻璃成分之第二組樣品僅經簡單退火。在表2中給予這些樣品後綴「–A」。
樣品接著經離子交換，以在各樣品中產生拋物線形應力輪廓。實例2中之玻璃成分的各樣品具有0.8 mm之厚度。樣品26–F2、65–A、65–F、77–A及77–F在包含80重量百分比(重量%)的KNO3 和20重量%的NaNO3 之熔融鹽浴中進行離子交換。樣品 26–F1在包含100重量%的NaNO3 之熔融鹽浴中進行離子交換。樣品在430 °C之溫度下進行離子交換達足以獲得拋物線形應力輪廓之浸置時間。下表2中提供各樣品的浸置時間。

表 2 ：實例 2 之玻璃成分之成分和性質
請參見第1圖，其中繪製樣品77–A及77–F的應力輪廓作為穿過玻璃樣品的厚度之位置的函數。如第1圖所示，經退火之玻璃樣品77–A (第1圖中之元件符號140)獲得81.7 MPa之較高中心張力(CT)，但需要較長的離子交換浸置時間以達成峰值CT。相較於樣品77–A所需的4小時，樣品77–F之虛擬的玻璃成分(第1圖中之元件符號142)在僅3小時之較短的浸置時間中達到峰值CT。然而，虛擬樣品77–F展現出61.6 MPa之較低峰值CT。第1圖中的結果是針對在包括80重量%的KNO3 及20重量%的NaNO3 之離子交換浴中進行離子交換的樣品。當在100%的NaNO3 中進行離子交換時，相同玻璃成分可達成大於90 MPa之峰值CT，但在表面處具有較低的壓縮應力。
現在應理解到，本文描述之玻璃成分展現出離子交換後之化學上耐用度還有機械上耐用度。這些性質使所述玻璃成分很適用於各種應用，包括但不限於，醫藥包裝材料。
對本案所屬技術領域中具通常知識者而言將顯而易見的是，可對本文所描述之實施例做出各種修改及改變而不背離所請求之標的的精神與範疇。因此，若本文所描述之各種實施例的修改及改變在隨附請求項及請求項之等效物的範疇內，則本說明書意欲涵蓋此類修改及改變。
140‧‧‧樣品77–A
142‧‧‧樣品77–F
300‧‧‧消費性電子裝置
302‧‧‧殼體
304‧‧‧前表面
306‧‧‧後表面
308‧‧‧側表面
310‧‧‧顯示器
312‧‧‧覆蓋基板
第1圖以圖形化方式描繪經離子交換強化之後，本發明之玻璃成分之跨厚度(y–軸)應力(x–軸)輪廓；
第2A圖為整合有本文揭示之任何玻璃製品之示例性電子裝置之平面視圖；以及
第2B圖為第2A圖之示例性電子裝置之透視圖。
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Claims (17)

  1. 一種玻璃製品，包含一成分，該成分包含： 大於或等於50莫耳%且小於或等於80莫耳%的SiO2 ；大於或等於7莫耳%且小於或等於25莫耳%的Al2 O3 ；大於或等於2莫耳%且小於或等於14莫耳%的Li2 O；大於或等於0.4莫耳%且小於或等於10莫耳%的P2 O5 ；大於或等於1莫耳%且小於或等於6莫耳%的Na2 O；以及小於或等於0.5莫耳%的ZrO2 ，其中(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%))係大於零，其中R2 O (莫耳%)為該成分中之Li2 O、Na2 O、K2 O、Rb2 O及Cs2 O之莫耳量的總和，且RO (莫耳%)為該成分中之BeO、MgO、CaO、SrO、BaO及ZnO之莫耳量的總和，且 其中(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%) – P2 O5 (莫耳%))係大於或等於–2莫耳%且小於或等於2莫耳%。
  2. 一種玻璃製品，包含一成分，該成分包含： 大於或等於50莫耳%且小於或等於80莫耳%的SiO2 ；大於或等於7莫耳%且小於或等於25莫耳%的Al2 O3 ；大於或等於2莫耳%且小於或等於14莫耳%的Li2 O；大於或等於3莫耳%且小於或等於15莫耳%的B2 O3 ；大於或等於0.1莫耳%的Na2 O；以及大於0莫耳%且小於或等於4莫耳%的TiO2 ，其中(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%))係大於或等於零，其中R2 O (莫耳%)為該成分中之Li2 O、Na2 O、K2 O、Rb2 O及Cs2 O之莫耳量的總和，且RO (莫耳%)為該成分中之BeO、MgO、CaO、SrO、BaO及ZnO之莫耳量的總和，其中(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%) – P2 O5 (莫耳%))係小於或等於2，且其中R2 O (莫耳%)係小於或等於14莫耳%。
  3. 一種玻璃製品，包含一成分，該成分包含： 大於或等於50莫耳%且小於或等於80莫耳%的SiO2 ； 大於或等於7莫耳%且小於或等於25莫耳%的Al2 O3 ； 大於或等於2莫耳%且小於或等於14莫耳%的Li2 O； 大於或等於0.1莫耳%且小於或等於20莫耳%的B2 O3 ； 大於或等於0.1莫耳%且小於或等於20莫耳%的P2 O5 ； 大於或等於1莫耳%且小於或等於6莫耳%的Na2 O；以及 小於或等於1莫耳%的ZrO2 ， 其中(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%))係大於零，其中R2 O (莫耳%)為該成分中之Li2 O、Na2 O、K2 O、Rb2 O及Cs2 O之莫耳量的總和，且RO (莫耳%)為該成分中之BeO、MgO、CaO、SrO、BaO及ZnO之莫耳量的總和，且 其中(Li2 O (莫耳%))/(R2 O (莫耳%))之一莫耳比係大於或等於0.5。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之玻璃製品，其中該成分具有小於或等於1300 °C之一液相溫度。
  5. 如請求項1至3中任一項所述之玻璃製品，其中該成分具有大於20 kP之一液相黏度。
  6. 如請求項1至3中任一項所述之玻璃製品，其中該成分進一步包含：小於或等於2.5莫耳%的K2 O。
  7. 如請求項1至3中任一項所述之玻璃製品，其中(Li2 O (莫耳%) + Al2 O3 (莫耳%))係大於或等於B2 O3 (莫耳%)的兩倍。
  8. 如請求項1至3中任一項所述之玻璃製品，其中該成分進一步包含：大於0莫耳%且小於或等於5莫耳%的MgO。
  9. 如請求項1至3中任一項所述之玻璃製品，其中該成分進一步包含：大於0莫耳%且小於或等於5莫耳%的ZnO。
  10. 如請求項1至3中任一項所述之玻璃製品，其中該成分進一步包含：大於0莫耳%且小於或等於4莫耳%的CaO。
  11. 如請求項1至3中任一項所述之玻璃製品，其中該成分進一步包含：大於0莫耳%且小於或等於4莫耳%的SrO。
  12. 如請求項1至3中任一項所述之玻璃製品，其中該成分進一步包含：小於或等於0.35莫耳%的SnO2 。
  13. 一種玻璃製品，包含一成分，該成分包含： 大於或等於50莫耳%且小於或等於80莫耳%的SiO2 ； 大於或等於2莫耳%且小於或等於25莫耳%的Al2 O3 ； 大於或等於2莫耳%且小於或等於15莫耳%的Li2 O； 其中SiO2 (莫耳%) ≥ [4*Li2 O + 6*(Na2 O + K2 O) + 2.5*MgO + 2*(CaO + SrO + BaO)] (莫耳%)， 其中(Al2 O3 (莫耳%) – R2 O (莫耳%) – RO (莫耳%))係大於零，其中R2 O (莫耳%)為該成分中之Li2 O、Na2 O、K2 O、Rb2 O及Cs2 O之莫耳量的總和，且RO (莫耳%)為該成分中之BeO、MgO、CaO、SrO、BaO及ZnO之莫耳量的總和， 其中(Li2 O (莫耳%))/(R2 O (莫耳%))之一莫耳比係大於或等於0.35， 其中P2 O5 (莫耳%)/[(Al2 O3 – R2 O – RO)](莫耳%)係大於或等於0.25， 其中TiO2 (莫耳%) + ZrO2 (莫耳%)係大於或等於0莫耳%且小於或等於1莫耳%， 其中稀土金屬氧化物之總含量係大於或等於0莫耳%且小於或等於0.5莫耳%，且 其中A係大於或等於17，其中： A = 13.2 + P * [(1/673 – 1(A.P. +273))]， P = 0.6/[(1/(A.P. +273)) – (1/(T12 +273))]， A.P.係以ºC為單位之退火點，且 T12 係以ºC為單位之溫度，其對應當該玻璃具有1012 泊之黏度時的溫度。
  14. 如請求項13所述之玻璃製品，其中P2 O5 (莫耳%)/[(Al2 O3 – R2 O – RO)](莫耳%) 係大於或等於0.8且小於或等於1.25。
  15. 如請求項13所述之玻璃製品，其中一楊氏模數係大於或等於70 GPa。
  16. 如請求項13所述之玻璃製品，其中一破裂韌性係大於或等於0.7 MPa*m1/2 。
  17. 一種消費性電子產品，包含： 一殼體，具有一前表面、一後表面及多個側表面； 多個電子組件，至少部分地位於該殼體內，該等電子組件包括至少一控制器、一記憶體及一顯示器，該顯示器位在該殼體的該前表面處或鄰近該殼體的該前表面；以及 一覆蓋基板，設置於該顯示器上方， 其中該殼體的一部分或該覆蓋基板中之至少一者包含如請求項1至3及13中任一項所述之玻璃製品。
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