一种尖晶石玻璃陶瓷及其应用的制作方法

本技术涉及玻璃陶瓷，特别是涉及一种尖晶石玻璃陶瓷及其应用。

背景技术：

1、电子设备保护玻璃破碎的常见情况是掉落产生的跌落破碎。分析其跌落过程，大致是由于玻璃表面与其硬度相当或更大的尖锐物体(如细沙，水泥，小石子)碰撞，导致局部破坏，在破坏点上形成半球形裂纹扩展源，碰撞能量部分衰减，剩余的能量进一步扩展，当玻璃表面压应力水平不足以抵消剩余能量时，裂纹扩展会穿过玻璃表面区域，当纵向裂纹穿过压缩应力层深度到达张应力层(或也称，拉伸应力层)区域时，裂纹在张应力区会快速扩展，使裂纹穿透整个玻璃，从而导致玻璃破碎或断裂。

2、可见，玻璃制品所具有的压缩应力层深度和深层应力情况，与其抗跌落损坏性能是息息相关的。当压缩应力层深度一定时，深层应力越大，表面压应力水平所能抵消的跌落碰撞剩余能量越多。而在表面压应力水平不足以抵消跌落碰撞剩余能量时，玻璃所具有的压缩应力层深度越深，越有利于其抵消驱使裂纹扩展的能量。

3、因此，为了进一步提高以尖晶石为主晶相的玻璃陶瓷的抗跌落冲击性能，需要研制出一种能够通过化学强化获得较大深层应力和超高压缩应力层深度的尖晶石玻璃陶瓷，并利用该尖晶石玻璃陶瓷制备出具有高机械强度的强化玻璃陶瓷。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种尖晶石玻璃陶瓷及其应用，该尖晶石玻璃陶瓷可通过化学强化的方式获得具有较大深层应力和超高压缩应力层深度的强化尖晶石玻璃陶瓷，提高强化尖晶石玻璃陶瓷的机械强度性能和抗损坏性能，尤其是提高其抗跌落冲击性能。

2、本技术提供的技术方案如下：

3、第一方面，提供了一种尖晶石玻璃陶瓷，以氧化物的摩尔百分比计，所述尖晶石玻璃陶瓷的组成包括：sio2 35.00mol％～60.00mol％、al2o3 20.00mol％～40.00mol％、zro22.00mol％～8.00mol％、mgo 3.00mol％～7.50mol％、zno 7.00mol％～13.00mol％、na2o1.00mol％～10.00mol％、li2o 2.50mol％～10.00mol％；

4、所述尖晶石玻璃陶瓷中包含占所述尖晶石玻璃陶瓷的15.00重量％～45.00重量％的(zn，mg)al2o4晶相；

5、取w[(zn，mg)al2o4]为(zn，mg)al2o4晶相占所述尖晶石玻璃陶瓷的重量百分比，w[al2o3]为al2o3占所述尖晶石玻璃陶瓷的重量百分比，w[mgo]为mgo占所述尖晶石玻璃陶瓷的重量百分比，w[zno]为zno占所述尖晶石玻璃陶瓷的重量百分比；

6、a＝(1-w[(zn，mg)al2o4]/2)×w[al2o3]/2，

7、b＝(1-w[(zn，mg)al2o4])×(w[mgo]+w[zno])，

8、c＝a/b，所述尖晶石玻璃陶瓷中，1.50≤c≤1.85。

9、本技术的尖晶石玻璃陶瓷具有特定的组成和晶相结构，利用该组成和晶相结构的协同作用，不仅赋予了尖晶石玻璃陶瓷高的本征强度，而且能够确保使尖晶石玻璃陶瓷在化学强化处理后获得期望的应力结构，尤其是超高压缩应力层深度和较大的深层应力。利用该尖晶石玻璃陶瓷能够制备获得具有高机械强度和高抗损坏性能的强化尖晶石玻璃陶瓷。

10、在本技术的一些实施方案中，所述尖晶石玻璃陶瓷中，a的取值为10.00％～25.00％，优选为14.00％～25.00％；和/或者，b的取值为7.50％～12.50％，优选为8.00％～12.00％。通过使a和b的取值满足上述范围，有助于使尖晶石玻璃陶瓷的组成和结构满足c的取值范围。

11、在本技术的一些实施方案中，所述尖晶石玻璃陶瓷中还包含四方zro2晶相，所述(zn，mg)al2o4晶相和四方zro2晶相的总含量占所述尖晶石玻璃陶瓷的25.00重量％～70.00重量％，优选占所述尖晶石玻璃陶瓷的30.00重量％～50.00重量％。当尖晶石玻璃陶瓷中(zn，mg)al2o4晶相和四方zro2晶相的晶相总含量w在上述范围内，能够确保该尖晶石玻璃陶瓷内部具有大量能够阻碍裂纹扩展的晶体，有利于提高尖晶石玻璃陶瓷的本征强度或固有强度。

12、在本技术的一些实施方案中，所述尖晶石玻璃陶瓷中，(zn，mg)al2o4晶相和四方zro2晶相的比例为1.00～18.00，优选为1.00～15.00。当尖晶石玻璃陶瓷中(zn，mg)al2o4晶相和四方zro2晶相的比例(即，(zn，mg)al2o4晶相和四方zro2晶相的质量比z)在上述范围内，能够赋予该尖晶石玻璃陶瓷特定的晶相结构，该晶相结构不仅有利于提高尖晶石玻璃陶瓷的本征强度或固有强度，而且有利于使尖晶石玻璃陶瓷在化学强化时获得期望的应力结构。

13、在本技术的一些实施方案中，所述尖晶石玻璃陶瓷中，(zn，mg)al2o4晶相的平均晶体尺寸为3.0nm～10.0nm，优选为4.0nm～8.0nm，更优选为4.0nm～7.5nm，进一步优选为4.5nm～7.5nm。当尖晶石玻璃陶瓷中(zn，mg)al2o4晶相的平均晶体尺寸在上述范围内，不仅有助于在保证尖晶石玻璃陶瓷强度的情况下，提高尖晶石玻璃陶瓷的透光性，而且有助于改善尖晶石玻璃陶瓷的离子交换性能，使其可通过化学强化获得期望的应力水平。

14、在本技术的一些实施方案中，以氧化物的摩尔百分比计，所述尖晶石玻璃陶瓷的组成还包括：k2o 0.00mol％～5.00mol％、cao 0.00mol％～10.00mol％、b2o3 0.00mol％～10.00mol％、bao 0.00mol％～5.00mol％。在本技术的玻璃体系中，k2o、cao、b2o3或bao作为可选组分，适量的采用可以对尖晶石玻璃陶瓷的成形效果、析晶效果、化学强化效果或光学效果产生一定的改善作用。

15、在本技术的一些实施方案中，以氧化物的摩尔百分比计，所述尖晶石玻璃陶瓷的组成包括：sio2 35.00mol％～60.00mol％、al2o3 20.00mol％～40.00mol％、zro22.00mol％～8.00mol％、mgo 4.00mol％～7.00mol％、zno 9.00mol％～12.00mol％、na2o2.00mol％～10.00mol％、li2o3.00mol％～10.00mol％。通过适量的调整mgo、zno、li2o或na2o的含量，有助于确保尖晶石玻璃陶瓷中的主晶相含量满足期望水平，同时也有助于确保尖晶石玻璃陶瓷实现期望的化学强化效果，进而获得具有高应力水平的强化尖晶石玻璃陶瓷。

16、在本技术的一些实施方案中，以氧化物的摩尔百分比计，所述尖晶石玻璃陶瓷的组成包括：sio2 35.00mol％～50.00mol％、al2o3 25.00mol％～35.00mol％、zro23.00mol％～5.00mol％、mgo 4.00mol％～7.00mol％、zno 9.00mol％～12.00mol％、na2o2.00mol％～10.00mol％、li2o3.00mol％～10.00mol％。通过适量的调整各必要氧化物的含量，有助于确保尖晶石玻璃陶瓷实现期望的、可实现高应力水平的晶相结构和玻璃网络结构，进而有利于获得具有高应力水平的强化尖晶石玻璃陶瓷。

17、在本技术的一些实施方案中，以所述尖晶石玻璃陶瓷组成中各氧化物的摩尔百分比计，所述尖晶石玻璃陶瓷的组成满足：

18、1.30≤zno/mgo≤2.50；和/或者，

19、0.05≤li2o/(al2o3-(mgo+zno)+sio2)≤0.20；和/或者，

20、0.19≤(al2o3-(mgo+zno))/sio2≤0.60；和/或者，

21、0.26≤na2o/li2o≤3.00。

22、通过使本技术的尖晶石玻璃陶瓷满足上述关系式zno/mgo、li2o/(al2o3-(mgo+zno)+sio2)、(al2o3-(mgo+zno))/sio2、na2o/li2o中的至少一者，有助于进一步调整尖晶石玻璃陶瓷的网络结构和晶相结构，使尖晶石玻璃陶瓷形成特定的、有助于获得期望应力水平的显微结构。

23、在本技术的一些实施方案中，以所述尖晶石玻璃陶瓷组成中各氧化物的摩尔百分比计，所述尖晶石玻璃陶瓷的组成还满足：

24、12.00mol％≤zno+mgo≤20.00mol％，优选，13.00mol％≤zno+mgo≤17.30mol％；和/或者，

25、9.00mol％≤al2o3-(mgo+zno)≤22.00mol％，优选，10.00mol％≤al2o3-(mgo+zno)≤20.00mol％；和/或者，

26、5.00mol％≤na2o+li2o≤15.00mol％，优选，6.00mol％≤na2o+li2o≤13.50mol％。

27、本技术的尖晶石玻璃陶瓷满足上述关系式zno+mgo、al2o3-(mgo+zno)、na2o+li2o中的至少一者，有助于获得高含量的具有高硬度和高模量的(zn，mg)al2o4晶相，以进一步提高尖晶石玻璃陶瓷的本征强度或固有强度，或者，有助于进一步改善尖晶石玻璃陶瓷的离子交换效果，以获得期望的应力水平。

28、在本技术的一些实施方案中，所述尖晶石玻璃陶瓷在可见光范围内是透明的。

29、在本技术的一些实施方案中，0.7mm厚的所述尖晶石玻璃陶瓷在550nm波长光下的透过率大于或等于85％。0.7mm厚的尖晶石玻璃陶瓷在550nm波长光下的透过率在上述范围内，说明本技术的尖晶石玻璃陶瓷具有高的透光性，同时本技术的尖晶石玻璃陶瓷还可通过化学强化处理获得高机械强度和高抗损坏性能，有效拓宽了本技术尖晶石玻璃陶瓷的应用场景和应用领域。

30、通过使尖晶石玻璃陶瓷满足特定的晶相结构，一方面有利于使尖晶石玻璃陶瓷获得高的本征强度，另一方面有利于改善尖晶石玻璃陶瓷的化学强化效果，使其能够通过化学强化获得超高压缩应力层深度和较大的深层应力，进而有利于提升尖晶石玻璃陶瓷的机械强度和抗损坏性能。而x射线衍射图谱的相关特征能够反映出玻璃陶瓷所具有的晶相结构，包括晶相组成、晶体尺寸等。

31、在本技术的一些实施方案中，在所述尖晶石玻璃陶瓷的x射线衍射图谱中，取2θ角在28°至32°范围内的特征峰中峰强极大值的峰为第一特征峰，取2θ角在36°至38°范围内的特征峰中峰强极大值的峰为第二特征峰，所述第一特征峰和所述第二特征峰的峰强比值x为0.80至1.50，优选峰强比值x为0.85至1.30。尖晶石玻璃陶瓷的峰强比值x在上述范围内，说明该尖晶石玻璃陶瓷中获得了合适的晶体完整度，进而有助于确保尖晶石玻璃陶瓷获得更优的光学效果和强化效果。

32、在本技术的一些实施方案中，在所述尖晶石玻璃陶瓷的x射线衍射图谱中，所述(zn，mg)al2o4晶相的[400]晶面特征峰位于2θ角在44°至46°范围内，所述(zn，mg)al2o4晶相的[311]晶面特征峰位于2θ角在34°至38°范围内，所述(zn，mg)al2o4晶相的[440]晶面特征峰位于2θ角在64°至67°范围内；

33、所述[400]晶面特征峰的半峰宽w[400]为0.650°～1.800°，优选w[400]为0.900°至1.600°；

34、所述[311]晶面特征峰的半峰宽w[311]为0.900°～2.800°，优选w[311]为1.100°至2.230°；

35、所述[440]晶面特征峰的半峰宽w[440]为0.750°～2.000°，优选w[440]为0.900°至1.600°。尖晶石玻璃陶瓷的w[400]、w[311]、w[440]在上述范围内，说明该尖晶石玻璃陶瓷的晶相结构中(zn，mg)al2o4晶相具有合适的平均晶体尺寸，满足特定的晶相结构，不仅有利于赋予尖晶石玻璃陶瓷高的本征强度或固有强度，而且有利于确保尖晶石玻璃陶瓷经化学强化获得理想的应力结构。同时，有助于使尖晶石玻璃陶瓷获得期望的光学性能。

36、第二方面，提供了一种玻璃器件，其由前述任一实施方案中的尖晶石玻璃陶瓷制得。

37、第三方面，提供了一种电子设备，其包括前述任一实施方案中的尖晶石玻璃陶瓷。

38、在本技术的一些实施方案中，所述电子设备包括手机、平板电脑、智能穿戴、显示器和电视中的至少一种。

39、本技术的一个或多个技术方案具有如下优点或有益效果：

40、本技术提供了一种具有特定组成和晶相结构的尖晶石玻璃陶瓷，利用该组成和晶相结构的协同作用，不仅赋予了尖晶石玻璃陶瓷高的本征强度，而且能够确保使尖晶石玻璃陶瓷在化学强化处理后获得期望的应力结构，尤其是超高压缩应力层深度和较大的深层应力。利用该尖晶石玻璃陶瓷能够制备获得具有高机械强度和高抗损坏性能的强化尖晶石玻璃陶瓷。当然，实施本技术的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。