硼铝酸盐玻璃的研究

谢海磊

摘要：近年来，高强度玻璃因其优良的力学性能而受到了广泛的关注，尤其是其在盖板玻璃领域的光明研究前景引起了学者广泛的兴趣。硼铝酸盐玻璃作为一种具有超强抗裂纹扩展性能的新型玻璃材料，但其硬度偏低限制了其在盖板玻璃方面的应用，本文介绍了硼铝酸盐玻璃进展以及阐述了能够提高其硬度的方法。

关键词：硼铝酸盐玻璃；研究进展；硬度

一、前言

盖板玻璃是5G智能终端便携设备的重要组成部分，其对设备的显示屏幕起主要的保护作用。目前，盖板玻璃体系主要有钠钙玻璃、钠铝硅玻璃和锂铝硅玻璃三种[1]。但由于玻璃成分中高熔点氧化物Al2O3、SiO2的添加使得体系熔制温度更高、玻璃成型更困难、成本更高。B2O3作为一种常见的网络中间体氧化物，其相比Al2O3和SiO2最大的特点在于其低熔点性质，这令硼铝酸盐玻璃的熔融与成型更加容易。随着5G技术的飞速发展，各类电子产品对于盖板玻璃的强度和耐划伤性能的要求越来越高。因此，硼铝酸盐玻璃材料是非常值得研究的。

二、硼铝酸盐玻璃研究进展

2017年，Januchta K. 等人发现Li2O-Al2O3-B2O3（LAB）玻璃在热压条件下处理后展现出比高铝硅玻璃更高的抗裂纹扩展性能（CrackResistance，CR）（近30 N）[2]，并认为LAB玻璃经热压后，B和Al均向高配位状态转变，其微观结构因此变得更加密实，硼铝酸盐玻璃因此获得优异的CR。此外，通过将25Cs2O-20Al2O3-55B2O3（CAB）玻璃在潮湿条件下进行长时间的表面老化，CAB玻璃展现出迄今为止最高的CR（约为400 N）[3]。以上研究结果表明，由于其网络结构的特殊性，硼铝酸盐玻璃比硅酸盐玻璃更易展现出高的CR，其具有的这种网络形成体阳离子配位状态易于变化的性质向我们展示了其拥有优异抗划伤能力的潜力，且其熔融与成型过程更易控制，对工艺要求更低，已展现出的优异抗裂纹扩展性能（是高铝硅玻璃的4倍以上）更是令其在显示盖板领域具备巨大的应用潜力。但让人遗憾的是，硼铝酸盐玻璃的硬度却不及高铝硅玻璃，这极大限制了它的进一步应用与发展。

三、提高硬度手段

3.1 改善玻璃成分

近年来，研究发现玻璃的组成对其力学性能有很大的影响，不同的氧化物成分可以提高玻璃的力学强度。例如，Mukherjee等[4]探究了晶核剂(TiO2)含量对钙铝硅微晶玻璃结构和性能的影响。研究发现加入少量的TiO2能够阻止小裂纹扩散，从而能够提高微晶玻璃的显微硬度。除此之外，还可以通过添加稀土氧化物来提高力学性能。Liu等[5]研究了不同含量Y2O3对B2O3-Al2O3-SiO2系统玻璃结构和性能的影响规律，研究发现随着Y2O3含量增加，玻璃强度先降后升，因此通过控制Y2O3掺杂量可以提高玻璃强度。

3.2 玻璃微晶化

众所周知，对于进一步提升玻璃的硬度和强度还可以通过微晶化来实现。所以，在改善设计硼铝酸盐配方后，为了进一步提升硼铝酸盐玻璃的硬度可从其微晶化方面入手。目前报道的关于微晶化提升玻璃硬度往往集中在硅酸盐玻璃体系中，例如，在ZrO2和P2O5共掺杂的LAS玻璃陶瓷中，Liu等[6]研究了ZrO2/P2O5共掺杂对Li2O-Al2O3-SiO2（LAS）玻璃和微晶玻璃结构和性能的影响。结果表明，ZrO2/P2O5质量比为2时表现出有效的结晶促进行为，从而提升了玻璃的硬度。Gui等[7]研究了ZnO替代MgO对MgO-Al2O3-SiO2-B2O3系统微晶玻璃晶体类型和尺寸的影响，发现随着ZnO含量增加，玻璃的硬度、抗弯强度和抗压强度均得到提高。

四、结论与展望

目前，盖板玻璃领域主要还是硅酸盐玻璃材料，该体系玻璃材料虽然具有较高的硬度但由于其较低的抗裂纹扩展性能在日常生活中仍不能满足需求。本文通过对硼铝酸盐玻璃调研发现其具有优异的抗裂纹扩展性能，同时阐述了两种强化硬度方法即改善玻璃组成和对玻璃进行微晶化处理，以期获得综合性能均较高的硼铝酸盐玻璃材料来满足人们的需要。

参考文献

[1]樊晶,仵小曦,刘映宙等.5G时代触摸屏盖板玻璃技术展望[J].玻璃,2020,47(09):13-18.

[2] Klein J M, Da Silva K M S, Titton A P, et al. Microstructure and mechanical properties of a nucleant-free basaltic glass-ceramic[J]. Materials Science and Technology. 2019, 35(5): 544-551.

[3] To T, Jensen L R, Smedskjaer M M. On the relation between fracture toughness and crack resistance in oxide glasses[J]. Journal of Non-Crystalline Solids. 2020, 534: 119946.

[4] Mukherjee D P, Das S K. Influence of TiO2 content on the crystallization and microstructure of machinable glass-ceramics[J]. Journal of Asian Ceramic Societies. 2016, 4(1): 55-60.

[5] Liu J, Luo Z, Lin C, et al. Influence of Y2O3 substitution for B2O3 on the structure and properties of alkali-free B2O3-Al2O3-SiO2 glasses containing alkaline-earth metal oxides[J]. Physica B: Condensed Matter. 2019, 553: 47-52.

[6] Liu J, Wang Q, Zhang Z, et al. Investigation on crystallization behavior, structure, and properties of Li2O-Al2O3-SiO2 glasses and glass-ceramic with co-doping ZrO2/P2O5[J]. Journal ofNon-Crystalline Solids. 2022, 576: 121226.

[7] Gui H, Li C, Lin C, et al. Glass forming, crystallization, and physical properties of MgO-Al2O3-SiO2-B2O3 glass-ceramicmodified by ZnO replacing MgO[J]. Journal of the European Ceramic Society. 2019, 39(4): 1397-1410.

作者简介：谢海磊，1998年出生 性别：男，民族：汉 籍贯：江西上饶，研究方向：功能玻璃材料，学历：研究生 邮政编码：330000