2.1.1 玻璃蓋板技術

1.蓋板玻璃的組成

玻璃的化學組成通常以組成玻璃的化合物或元素的質量比（質量分數/%）、摩爾比（摩爾分數/%）、原子比來表示，其組成（成分）是決定玻璃物理化學性質的主要因素。改變玻璃的組成即可改變玻璃的結構狀態，從而使玻璃在性質上發生變化。在生產中，往往通過改變玻璃的組成來調整其性能及控制其生產。

目前，蓋板玻璃料方研發經歷了鈉鈣玻璃（Na₂O+CaO+SiO₂）、鈉鋁硅玻璃（Na₂O+Al₂O₃+SiO₂）和鋰鋁硅玻璃（Li₂O+Al₂O₃+SiO₂）三個階段。蓋板玻璃性能不斷提升，從耐劃傷的普通鈉鈣玻璃逐漸向高韌性、耐跌落的高鋁玻璃轉化。從料方組成配比來看，在鋁硅玻璃中Al₂O₃含量遠超過鈉鈣玻璃，SiO₂組分低于鈉鈣玻璃。SiO₂是主要的玻璃組成氧化物，以[SiO₄]四面體結構形成無規則的連續網絡骨架，在鈉-鈣-硅玻璃體系中適量的SiO₂可降低玻璃熱膨脹系數，提高玻璃熱穩定性、軟化溫度、黏度及機械強度。而在鋁硅玻璃中，Al3+以[AlO₄]四面體的形式進入玻璃結構網絡，[AlO₄]四面體的Al-O鍵鍵強大于Si-O鍵，同時[AlO₄]四面體的存在對[SiO₄]四面體網絡結構具有一定的修補作用，能夠在降低玻璃結晶傾向的同時提高其熱穩定性和機械強度。此外，當（R₂O+RO）/Al₂O₃＞1時，R₂O與RO提供的游離氧充足，Al₂O₃均以四面體結構形成架狀網絡結構，多出的游離氧進一步斷開網絡，形成少量的快速離子擴散通道，同時可保證玻璃具有較低的熔融溫度。

根據終端應用對產品輕量化、耐刮劃、抗沖擊等性能要求，眾多企業在料方開發過程中均以鋁硅玻璃體系為基礎，相繼摻入Li₂O、P₂O₅等部分特定元素成分優化料方，進一步提升玻璃性能。堿金屬離子（Li、Na、K）是玻璃結構中網絡外體的主要成分，其在一定程度上可促進強化工藝中與鹽浴中的離子交換進程；而堿土金屬離子（Mg、Zn）主要起性能調節的作用，由于其會抑制強化過程中的離子交換，所以含量不宜過高。堿金屬及堿土金屬離子在玻璃結構中起到斷網作用，從而降低玻璃的黏度，使玻璃易于熔融。因此，在料方優化過程中，堿金屬與堿土金屬含量的調整對于玻璃性能有至關重要的影響。高鋁玻璃、低鋁玻璃和鈉鈣玻璃三種常見蓋板玻璃化學組成構成見表2-1。

2.蓋板玻璃的性能

蓋板玻璃的主要作用是保護顯示屏，應具有優異的力學性能、良好的透光性、高潔凈度及高耐磨性等特點。根據顯示屏形狀設計的變化，蓋板玻璃也由2D平面發展到3D曲面，趨于人體工學設計，以便更好地改善消費者的感官和體感體驗。目前，強度性能提高仍是蓋板玻璃研發的主要方向。蓋板玻璃通過進行化學強化可使其性能大幅度提升，而用于觸控屏保護的蓋板玻璃都經過了化學強化處理。早期的蓋板玻璃一般采用普通的鈉鈣硅玻璃，利用傳統強化工藝中的一步強化使鹽浴中較大半徑的堿金屬離子K+快速置換玻璃表面中較小半徑的Na+離子，形成單層壓縮應力，但由于鈉鈣玻璃的鈉含量較低，且玻璃網絡架構全為硅氧四面體，離子交換能力弱，導致鈉鈣玻璃的壓縮應力和應力層深度都很小，最終作為觸控屏使用一段時間后即會被刮傷，透明度也很低，對使用者的眼睛傷害很大。

目前，主流觸控屏采用鈉鋁硅蓋板玻璃。特別是高鋁玻璃，其強度是鈉鈣玻璃的6倍，可以像塑料一樣彎曲、耐刮擦。高鋁玻璃的高強度特性使得其在同等面積下玻璃用量更小、質量更小。由于Al₂O₃一般在玻璃結構中為鋁氧四面體[AlO₄]結構，修補了網絡結構，提高了玻璃網絡結構的完整性，因而其在機械性能、光學性能和電學性能等方面體現出優良的特性。[AlO₄]體積較[SiO₄]大，會產生更大的空隙，有利于堿離子的擴散。當鈉鋁硅酸鹽玻璃在進行離子交換增強處理時，作為離子交換源的Na₂O含量進一步決定交換速率，玻璃中的Na+離子被熔鹽中的K+離子置換，K+離子半徑大于Na+離子的特性，使表面“擠塞”膨脹而形成壓應力，從而使玻璃強度得以提高。由于鈉鋁硅蓋板玻璃制作采用簡單易控的低溫離子交換工藝，且用于離子交換的鉀鹽來源廣泛，因此得到了廣泛的應用。

無論是配方體系還是產品性能，鈉鋁硅玻璃與鋰鋁硅玻璃都存在較大的差異。為不斷提升蓋板玻璃抗摔、表面耐磨等強度性能，開發了高鋁鋰鋁硅LAS蓋板玻璃及其復合離子交換化學強化（或稱二次強化）技術。鋰鋁硅蓋板玻璃網絡體間含有Li+和Na+，玻璃在一定配比的硝酸鉀與硝酸鈉熔融液體中實現熔融液體中K+和Na+分別與玻璃表面內Na+和Li+的兩次置換，通過兩步強化工藝充分發揮了鋰鋁硅蓋板玻璃的性能優勢。兩步強化工藝的第一步采用硝酸鈉大于硝酸鉀配比的熔鹽，離子置換以Na+與Li+為主，實現更大的離子交換深度；第二步采用硝酸鉀大于硝酸鈉配比的熔鹽，以K+與Na+置換為主，在玻璃表面產生更大且適當的表面壓應力。強化程度用表面壓應力（Center Stress, CS）、中心張應力（Center Tension, CT）及強化層深度/壓應力層深度（Depth of Layers, DOL）三個指標來評估。CS的大小直接決定玻璃表面強度；C T因在強化過程中平衡表面壓應力而產生，C T值越大強化玻璃自爆的可能性越大；DOL值越低代表離子交換程度越低，抑制玻璃表面及邊部微裂紋能力越差。兩步強化法處理方法簡單，不損壞玻璃表面透明度，不致使玻璃變形。高鋁LAS玻璃、中高鋁NAS玻璃和鈉鈣玻璃三種蓋板玻璃理化及強化性能示例見表2-2。

3.蓋板玻璃的工藝

蓋板玻璃的生產技術主要有溢流下拉法和浮法，其他的狹縫下拉法、二次拉制法和二次拋光法更適用于小規模生產及實驗研究。溢流下拉法與浮法、狹縫下拉法生產工藝比較見表2-3所示。高鋁硅酸鹽玻璃機械強度高、硬度大，有其他品種玻璃無法比擬的優勢。但高鋁硅酸鹽玻璃由于Al₂O₃的引入導致玻璃液黏度高、表面張力大，生產過程中玻璃表面易出現波紋，所以很難采用一般的玻璃生產技術進行生產。目前，以溢流下拉法為代表的康寧、電氣硝子、彩虹和以浮法為代表的肖特、旭硝子、旭虹高鋁硅酸鹽玻璃系列產品都已進入市場。

4.蓋板玻璃的多元化應用需求

目前，玻璃蓋板的主要適用對象為手機鏡片、平板電腦、數碼相框、汽車導航儀等觸控屏產品，以及一些需要用玻璃蓋板進行裝飾保護的產品，如手機后殼裝飾玻璃等。隨著手機、車載、手表等終端應用的創新升級，高鋁蓋板玻璃以其優良的特性在市場的占有率不斷提升，未來還將迎來3.5D玻璃蓋板的應用。玻璃也是5G手機等顯示終端重要且合適的功能和裝飾材料。