2.1.1 玻璃盖板技术

1.盖板玻璃的组成

玻璃的化学组成通常以组成玻璃的化合物或元素的质量比（质量分数/%）、摩尔比（摩尔分数/%）、原子比来表示，其组成（成分）是决定玻璃物理化学性质的主要因素。改变玻璃的组成即可改变玻璃的结构状态，从而使玻璃在性质上发生变化。在生产中，往往通过改变玻璃的组成来调整其性能及控制其生产。

目前，盖板玻璃料方研发经历了钠钙玻璃（Na₂O+CaO+SiO₂）、钠铝硅玻璃（Na₂O+Al₂O₃+SiO₂）和锂铝硅玻璃（Li₂O+Al₂O₃+SiO₂）三个阶段。盖板玻璃性能不断提升，从耐划伤的普通钠钙玻璃逐渐向高韧性、耐跌落的高铝玻璃转化。从料方组成配比来看，在铝硅玻璃中Al₂O₃含量远超过钠钙玻璃，SiO₂组分低于钠钙玻璃。SiO₂是主要的玻璃组成氧化物，以[SiO₄]四面体结构形成无规则的连续网络骨架，在钠-钙-硅玻璃体系中适量的SiO₂可降低玻璃热膨胀系数，提高玻璃热稳定性、软化温度、黏度及机械强度。而在铝硅玻璃中，Al3+以[AlO₄]四面体的形式进入玻璃结构网络，[AlO₄]四面体的Al-O键键强大于Si-O键，同时[AlO₄]四面体的存在对[SiO₄]四面体网络结构具有一定的修补作用，能够在降低玻璃结晶倾向的同时提高其热稳定性和机械强度。此外，当（R₂O+RO）/Al₂O₃＞1时，R₂O与RO提供的游离氧充足，Al₂O₃均以四面体结构形成架状网络结构，多出的游离氧进一步断开网络，形成少量的快速离子扩散通道，同时可保证玻璃具有较低的熔融温度。

根据终端应用对产品轻量化、耐刮划、抗冲击等性能要求，众多企业在料方开发过程中均以铝硅玻璃体系为基础，相继掺入Li₂O、P₂O₅等部分特定元素成分优化料方，进一步提升玻璃性能。碱金属离子（Li、Na、K）是玻璃结构中网络外体的主要成分，其在一定程度上可促进强化工艺中与盐浴中的离子交换进程；而碱土金属离子（Mg、Zn）主要起性能调节的作用，由于其会抑制强化过程中的离子交换，所以含量不宜过高。碱金属及碱土金属离子在玻璃结构中起到断网作用，从而降低玻璃的黏度，使玻璃易于熔融。因此，在料方优化过程中，碱金属与碱土金属含量的调整对于玻璃性能有至关重要的影响。高铝玻璃、低铝玻璃和钠钙玻璃三种常见盖板玻璃化学组成构成见表2-1。

2.盖板玻璃的性能

盖板玻璃的主要作用是保护显示屏，应具有优异的力学性能、良好的透光性、高洁净度及高耐磨性等特点。根据显示屏形状设计的变化，盖板玻璃也由2D平面发展到3D曲面，趋于人体工学设计，以便更好地改善消费者的感官和体感体验。目前，强度性能提高仍是盖板玻璃研发的主要方向。盖板玻璃通过进行化学强化可使其性能大幅度提升，而用于触控屏保护的盖板玻璃都经过了化学强化处理。早期的盖板玻璃一般采用普通的钠钙硅玻璃，利用传统强化工艺中的一步强化使盐浴中较大半径的碱金属离子K+快速置换玻璃表面中较小半径的Na+离子，形成单层压缩应力，但由于钠钙玻璃的钠含量较低，且玻璃网络架构全为硅氧四面体，离子交换能力弱，导致钠钙玻璃的压缩应力和应力层深度都很小，最终作为触控屏使用一段时间后即会被刮伤，透明度也很低，对使用者的眼睛伤害很大。

目前，主流触控屏采用钠铝硅盖板玻璃。特别是高铝玻璃，其强度是钠钙玻璃的6倍，可以像塑料一样弯曲、耐刮擦。高铝玻璃的高强度特性使得其在同等面积下玻璃用量更小、质量更小。由于Al₂O₃一般在玻璃结构中为铝氧四面体[AlO₄]结构，修补了网络结构，提高了玻璃网络结构的完整性，因而其在机械性能、光学性能和电学性能等方面体现出优良的特性。[AlO₄]体积较[SiO₄]大，会产生更大的空隙，有利于碱离子的扩散。当钠铝硅酸盐玻璃在进行离子交换增强处理时，作为离子交换源的Na₂O含量进一步决定交换速率，玻璃中的Na+离子被熔盐中的K+离子置换，K+离子半径大于Na+离子的特性，使表面“挤塞”膨胀而形成压应力，从而使玻璃强度得以提高。由于钠铝硅盖板玻璃制作采用简单易控的低温离子交换工艺，且用于离子交换的钾盐来源广泛，因此得到了广泛的应用。

无论是配方体系还是产品性能，钠铝硅玻璃与锂铝硅玻璃都存在较大的差异。为不断提升盖板玻璃抗摔、表面耐磨等强度性能，开发了高铝锂铝硅LAS盖板玻璃及其复合离子交换化学强化（或称二次强化）技术。锂铝硅盖板玻璃网络体间含有Li+和Na+，玻璃在一定配比的硝酸钾与硝酸钠熔融液体中实现熔融液体中K+和Na+分别与玻璃表面内Na+和Li+的两次置换，通过两步强化工艺充分发挥了锂铝硅盖板玻璃的性能优势。两步强化工艺的第一步采用硝酸钠大于硝酸钾配比的熔盐，离子置换以Na+与Li+为主，实现更大的离子交换深度；第二步采用硝酸钾大于硝酸钠配比的熔盐，以K+与Na+置换为主，在玻璃表面产生更大且适当的表面压应力。强化程度用表面压应力（Center Stress, CS）、中心张应力（Center Tension, CT）及强化层深度/压应力层深度（Depth of Layers, DOL）三个指标来评估。CS的大小直接决定玻璃表面强度；C T因在强化过程中平衡表面压应力而产生，C T值越大强化玻璃自爆的可能性越大；DOL值越低代表离子交换程度越低，抑制玻璃表面及边部微裂纹能力越差。两步强化法处理方法简单，不损坏玻璃表面透明度，不致使玻璃变形。高铝LAS玻璃、中高铝NAS玻璃和钠钙玻璃三种盖板玻璃理化及强化性能示例见表2-2。

3.盖板玻璃的工艺

盖板玻璃的生产技术主要有溢流下拉法和浮法，其他的狭缝下拉法、二次拉制法和二次抛光法更适用于小规模生产及实验研究。溢流下拉法与浮法、狭缝下拉法生产工艺比较见表2-3所示。高铝硅酸盐玻璃机械强度高、硬度大，有其他品种玻璃无法比拟的优势。但高铝硅酸盐玻璃由于Al₂O₃的引入导致玻璃液黏度高、表面张力大，生产过程中玻璃表面易出现波纹，所以很难采用一般的玻璃生产技术进行生产。目前，以溢流下拉法为代表的康宁、电气硝子、彩虹和以浮法为代表的肖特、旭硝子、旭虹高铝硅酸盐玻璃系列产品都已进入市场。

4.盖板玻璃的多元化应用需求

目前，玻璃盖板的主要适用对象为手机镜片、平板电脑、数码相框、汽车导航仪等触控屏产品，以及一些需要用玻璃盖板进行装饰保护的产品，如手机后壳装饰玻璃等。随着手机、车载、手表等终端应用的创新升级，高铝盖板玻璃以其优良的特性在市场的占有率不断提升，未来还将迎来3.5D玻璃盖板的应用。玻璃也是5G手机等显示终端重要且合适的功能和装饰材料。