[发明专利]具二硅酸锂及贝塔锂辉石结构的高强度玻璃陶瓷

说明书

兹描述具有二硅酸锂与贝塔锂辉石结晶相组合的玻璃和玻璃陶瓷组成物以及制造所述玻璃和玻璃陶瓷组成物的方法。所述组成物与现有的滚轧和漂浮工艺兼容并具有高的机械强度和耐断裂性。另外，所述组成物能够被化学回火成为甚至更高强度的玻璃陶瓷，所述玻璃陶瓷在多种应用中可用来作为大的基板。

本申请是申请日为2014年9月3日申请的申请号为201480059247.9，并且发明名称为“具二硅酸锂及贝塔锂辉石结构的高强度玻璃陶瓷”的发明专利申请的分案申请。

相关申请案的交叉引用

本专利申请案根据专利法主张于2014年3月26日提出申请的美国临时专利申请案序号第61/970566号及主张于2013年9月6日提出申请的美国临时专利申请案序号第61/874870号的优先权权益，所述申请案的内容为本案所依据且所述申请案的内容通过引用全部并入本文中。

背景

领域

实施例涉及玻璃及玻璃陶瓷组成物，而且尤其涉及具有二硅酸锂与贝塔锂辉石结晶相的组合的玻璃陶瓷组成物，所述玻璃陶瓷组成物与现有的滚轧、漂浮，和吹塑工艺相容。

技术背景

SiO₂-Li₂O-K₂O-ZnO-P₂O₅-Al₂O₃-ZrO₂系统的二硅酸锂玻璃陶瓷已被开发出并被贩卖用作牙冠、桥，和外罩。所述玻璃陶瓷的互锁板状晶体微结构提供高的机械强度和断裂韧性和优异的化学耐久性。这方面的组成物在康宁公司被发明出并由Beall等人取得US 5,219,799(“‘799专利”)的专利保护。‘799专利的实例3组成物列于表1中作为组成物A。

表1

虽然诸如组成物A的二硅酸锂玻璃陶瓷提供了优异的机械性质，但它们的前驱物玻璃是非常流体的，而且难以适用于铸造以外的许多成形工艺。这种玻璃会具有500-750泊的液相线黏度。为了进行比较，典型的漂浮、滚轧、按压，或吹塑成型钠钙玻璃，以及滚轧的贝塔石英系玻璃陶瓷(用于炉具)具有接近10,000泊的液相线黏度。在保持以二硅酸锂作为主要相的玻璃陶瓷的良好机械性质的同时提高前驱物玻璃的黏度将是非常理想的。

此外，已知的玻璃系材料往往表现出固有的脆性或低的抗裂纹扩展性。举例来说，固有的低断裂韧性(例如，对于氧化物玻璃和玻璃陶瓷为0.5-1.0MPa·m^1/2)使得氧化物玻璃对于小缺陷和瑕疵的存在敏感。作为比较的点，市售的单晶基板表现出的断裂韧性值在从约2.4至约4.5MPa·m^1/2的范围中。通过例如离子交换工艺进行的化学强化可以通过在玻璃或玻璃陶瓷中施加从表面往内一个深度(例如50-100μm)的压缩应力层而在玻璃或玻璃陶瓷的表面提供一些抗裂纹穿透性；然而，一旦裂纹扩展穿过压缩应力层进入玻璃或玻璃陶瓷的块体时，则抗裂纹穿透性可能是有限的而且不再有效。玻璃系材料的机械性质改进，特别是有关耐损伤性和断裂韧性的改进是持续的焦点。因此，提供具有改进的耐损伤性和断裂韧性的玻璃陶瓷也将是非常理想的。

发明内容

第一方面包含一种玻璃陶瓷，所述玻璃陶瓷包含30-65wt％的二硅酸锂第一结晶相，以及20-60wt％的贝塔锂辉石第二结晶相。在一些实施例中，所述玻璃陶瓷包含40-55wt％的二硅酸锂第一结晶相，以及25-45wt％的贝塔锂辉石第二结晶相。在一些实施例中，所述玻璃陶瓷中包含少于25wt％的残余玻璃相。

在一些实施例中，所述玻璃陶瓷具有一组成物，所述组成物以wt％计包含：

SiO₂：68-82％

Al₂O₃：5-12.5％