JP2013529172A

JP2013529172A - 温度可変／連続イオン交換プロセス

Info

Publication number: JP2013529172A
Application number: JP2013512115A
Authority: JP
Inventors: エーコーネジョ，イヴァン; ゴメス，シニュー; エーシャウト，ロバート; エーティエトジェ，スティーヴン
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2013-07-18
Also published as: US20110293942A1; KR20130082098A; WO2011149812A1; TW201210959A; EP2576466A1; CN102917992A

Abstract

ガラスおよびガラスセラミック物品をイオン交換する方法が開示されている。この方法は、それぞれ、第１と第２の温度に加熱される第１端部と第２端部を有するイオン交換浴中の少なくとも１つのそのような物品の浸漬を含む。第１と第２の温度は等しくても互いに異なってもよく、温度が異なる状態により、イオン交換浴を横断してまたはそれに沿って温度勾配が生じる。このイオン交換浴中で多数の物品の連続処理も可能である。

Description

関連出願の説明

本出願は、米国法典第３５編第１１９条（ｅ）項の下で、２０１０年５月２６日に出願された米国仮特許出願第６１／３４８３６９号の優先権の恩恵を主張するものである。

本開示は、ガラスおよびガラスセラミック物品の化学強化に関する。本開示は、より詳しくは、イオン交換によるそのような物品の化学強化に関する。本開示は、さらにより詳しくは、温度勾配を有するイオン交換浴中でのそのような物品の強化に関する。

イオン交換は、ガラスおよびガラスセラミック物品を強化する方法の１つである。このプロセスは、所定の期間にわたり溶融塩浴中にガラス物品を浸漬する工程を含む。その物品が浸されている間に、陽イオン種がガラスと塩浴との間で相互に拡散し、そこで、より大きい塩浴の陽イオンがガラス中の同価数のより小さいイオンと交換される。イオンサイズのこの不一致により、ガラス表面に圧縮応力が生じ、ガラス強度が改善される。

イオン交換により生じた圧縮応力は、表面で最高値を有し、深さとともに減少する。力の釣合いを維持するために、表面に存在する圧縮応力は、ガラスの中央領域の引張応力または中央張力により釣り合わされる。応力がゼロとなる（符号が変わる）地点は層の深さと称される。従来の（すなわち、単一の温度、浸漬時間、基体の厚さ、および浴の濃度を利用するプロセス）イオン交換プロセスについて、これらの変量の間の関係ははっきりしている。イオン交換により生じた応力場のこれらの尺度は、ガラス物品の機械的性能に関連つけられるであろう。

ガラスおよびガラスセラミック物品をイオン交換する方法が提供される。この方法は、それぞれ、第１と第２の温度に加熱される第１端部と第２端部を有するイオン交換浴中の少なくとも１つのそのような物品の浸漬を含む。第１と第２の温度は等しくても互いに異なってもよく、温度が異なる状態により、イオン交換浴を横断してまたはそれに沿って温度勾配が生じる。このイオン交換浴中で多数の物品を連続処理することもできる。

したがって、本開示の１つの態様は、基体をイオン交換する方法を提供することである。この方法は、少なくとも１種類のアルカリ金属塩を含み、第１の温度に加熱される第１端部と第２の温度に加熱される第２端部を有するイオン交換浴の第１端部に、イオン交換可能なガラスおよびイオン交換可能なガラスセラミックのうちの一方でありかつひずみ点を有する基体を浸漬する工程；少なくとも１つの基体を、第１端部から第２端部までイオン交換浴中を移動させる工程であって、その少なくとも１つの基体が、イオン交換浴中を移動しながらイオン交換される工程；および少なくとも１つの基体を第２端部で、その基体の少なくとも１つの表面に圧縮応力を生じさせるのに十分にイオン交換する工程を有してなる。

本開示の第２の態様は、イオン交換浴を提供することである。このイオン交換浴は、第１端部と第１端部と反対にある第２端部とを有する格納容器、およびその格納容器内に入れられる少なくとも１種類のアルカリ金属塩を含む溶融塩浴を含む。

本開示の第３の態様は、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスおよびガラスセラミックの一方を含む基体を提供することである。この基体は、層の深さまで圧縮応力下にある表面を少なくとも１つ有し、その圧縮応力は基体の表面で最高値を有する。

これらとほかの態様、利点、および著しい特徴は、以下の詳細な説明、添付図面、および付随する特許請求の範囲から明らかになるであろう。

イオン交換浴およびイオン交換浴中で基体をイオン交換するための方法を示す説明図イオン交換浴中での第１と第２と第３の温度の間の関係を示すグラフ基体を連続的にイオン交換する方法およびイオン交換浴を示す説明図イオン交換により強化された平面基体の断面図異なるイオン交換プロセスを使用して得られるであろう仮想応力プロファイルのグラフ

以下の説明において、図面に示されたいくつかの図にわたり、同様の参照符号が同様のすなわち対応する部品を指す。別記しない限り、「上部」、「下部」、「外側」、「内側」などの用語は、便宜上の単語であり、制限用語と解釈すべきではない。その上、群が、要素とその組合せの群の少なくとも１つを含むと記載されているときはいつでも、その群は、個別にまたは互いの組合せのいずれかで、列挙されたそれらの要素のいくつを含んでも、から実質的になっても、またはからなってもよいことが理解されよう。同様に、群が、要素とその組合せの群の少なくとも１つからなると記載されているときはいつでも、その群は、個別にまたは互いの組合せのいずれかで、列挙されたそれらの要素のいくつからなってもよいことが理解されよう。別記しない限り、値の範囲は、列挙されている場合、その範囲の上限と下限の両方、およびそれらの間のすべての範囲を含む。ここに用いたように、別記しない限り、単数形は、「少なくとも１つ」または「１つ以上」を意味する。

概して図面を、特に図１を参照すると、図解は、特定の実施の形態を説明する目的のためであって、本開示またはそれに付随する特許請求の範囲をそれに限定することを意図していないことが理解されよう。図面は、必ずしも一定の縮尺で描かれておらず、図面のある特徴およびある視野は、明瞭さおよび簡潔さのために、縮尺または図式で誇張されて示されているかもしれない。

ラップトップコンピュータから、携帯電話、音楽プレーヤおよびビデオプレーヤなどに及ぶ家庭用電気製品は、しばしば、イオン交換により強化され得る、マグネシウムアルカリアルミノケイ酸塩ガラスなどのガラスを備えている。

したがって、基体をイオン交換し、イオン交換によって基体を化学強化する方法が提供される。このプロセスにおいて、ガラスの表面層中のイオンは、そのガラス中に存在するイオンと同じ価数または酸化状態を有するより大きいイオンにより置換される、すなわち、交換される。アルカリアルミノホウケイ酸ガラスの表面層中のイオンおよび前述のより大きいイオンは、以下に限られないが、Ｌｉ⁺、Ｎａ⁺、Ｋ⁺、Ｒｂ⁺、Ｃｓ⁺、Ａｇ⁺、Ｔｌ⁺、Ｃｕ⁺などの一価の金属陽イオンである。イオンサイズの不一致により、その表面に圧縮応力が生じ、それにより、亀裂の形成および伝搬の両方が抑制される。ガラスが破壊されるには、印加される応力が最初に、誘発された圧縮を超え、表面を、存在する傷を伝搬させるための十分な張力下におかなければならない。

イオン交換プロセスは、概して、ガラスまたはガラスセラミック物品または基体（ここに用いたように、「物品」および「基体」は、同等の用語であり、相互に交換可能に使用される）を、ガラス中のより小さいイオンと交換されるべきより大きいイオンを含有する溶融塩浴中に浸漬する工程を含む。以下に限られないが、浴の組成と温度、浸漬時間、塩浴中にガラスを浸漬する回数、多数の塩浴の使用、徐冷や洗浄などの追加の工程等を含むイオン交換プロセスのパラメータは、一般に、ガラスの組成および強化プロセスにより達成すべきガラスまたはガラスセラミックの所望の層の深さおよび圧縮応力により決定されることが当業者に認識されるであろう。一例として、アルカリ金属含有ガラスのイオン交換は、以下に限られないが、より大きいアルカリ金属イオンの硝酸塩、硫酸塩、および／または塩化物などの塩を含有する溶融塩浴１種類以上の浸漬により行われる。そのような溶融塩浴の温度は、概して、約３８０℃から約４５０℃までの範囲にあり、浸漬時間は約１６時間までに及ぶ。しかしながら、ここに記載したものと異なる温度および浸漬時間を使用してもよい。そのようなイオン交換処理により、概して、圧縮応力（ＣＳ）下にある外側表面層（ここでは、「層の深さ」または「ＤＯＬ」とも称される）を有する強化ガラスまたはガラスセラミックが得られる。

イオン交換により生じる圧縮応力（ＣＳ）は、概して、物品の表面で最高値を有し、深さとともに減少する。物品内で力の釣合いを維持するために、表面に存在する圧縮応力は、物品の中央領域の中央張力（ＣＴ）とここで称される引張応力により釣り合わされる。応力がゼロとなるまたは符号が変わる地点は層の深さ（ＤＯＬ）と称される。単一の温度、時間、厚さ、および浴の濃度を利用する従来のイオン交換プロセスについて、これらの変量の間の関係ははっきりしている。

イオン交換により生じた応力場のこれらの尺度は、ガラス物品の機械的性能と関連付けられるであろう。例えば、摩耗や取扱い後に維持される強度は、ＤＯＬで直接的に改善する。圧縮応力は、リング・オン・リングまたはボール落下試験により決定されるように、表面傷挙動を制御するとされている。切断中の破損を制御するため、また壊れやすさの制御には、中央張力がより低いことがより望ましい。前述したように、ＣＴ、ＣＳ、およびＤＯＬは、一段階イオン交換プロセスにおいて緊密に関連している。

一段階イオン交換とは対照的に、ここに記載された方法は、温度が一定ではなく可変であるイオン交換プロセスに関する。温度を変えることによって、ＣＴ、ＣＳ、およびＤＯＬが互いから切り離され、それゆえ、各パラメータについて特定の値を独立して達成することが可能になる。例えば、所望の圧縮応力、層の深さ、および中央張力を独立して得る能力により、イオン交換される基体の切断および仕上げに望ましい−高いＣＳ、大きいＤＬ、および低いＣＴにより決定される−機械的性質を達成することが可能になる。

基体をイオン交換し、イオン交換により基体を化学強化する方法が図１に示されている。第１の工程（図１の工程２０）において、基体（図１の１３０）がイオン交換浴１００の第１端部１１２に浸漬され、そこで、基体１５０は、第１端部１１２でのイオン交換浴１００の温度でイオン交換を経る。図１は単一の基体１５０しか示していないが、イオン交換浴１００は、当業者に実際的と考えられるように基体１５０をいくつも同時に収容できることが理解されよう。例えば、いくつかの実施の形態において、前記方法の各工程で多数の基体の同時処理を可能にするカセットまたはホルダに、少なくとも１つの基体を配置または装填してもよい。イオン交換浴１００の第１端部１１２での基体１５０のイオン交換の期間は、第１の温度Ｔ₁、溶融塩１２０の組成、基体の組成、および最終的に望ましい圧縮応力のプロファイルと圧縮層の深さを含むいくつかの要因に基づいて選択される。

いくつかの実施の形態において、前記方法は、最初に、少なくとも１つの基体を提供する工程（工程１０）を含む。その少なくとも１つの基体は、イオン交換可能なガラスまたはガラスセラミックであり、様々な実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスまたはアルカリアルミノケイ酸塩ガラスセラミックなどのガラスセラミックを含む、から実質的になる、またはからなる。そのようなガラスまたはガラスセラミックが以下に記載されている。前記基体がアルカリアルミノケイ酸塩ガラスである実施の形態において、基体を提供する工程は、以下に限られないが、フュージョン・ドロー法、スロット・ドロー法、リドロー法などの当該技術分野に公知の方法を使用して、基体をダウンドローする工程を含んでよい。いくつかの実施の形態において、基体は、例えば、板などの平面形状を有する。あるいは、基体は、非平面すなわち三次元形状を有してもよく、湾曲したまたは部分的に湾曲した表面を形成してもよい。

いくつかの実施の形態において、イオン交換浴も提供される（工程２０）。イオン交換浴は、概して、溶融した（すなわち、液体）またはある程度溶融した塩浴である。いくつかの実施の形態において、イオン交換浴は、以下に限られないが、ナトリウムおよびカリウムまたはほかのアルカリ金属の硝酸塩、硫酸塩、およびハロゲン化物などのアルカリ金属塩少なくとも１種類を含む、から実質的になる、またはからなる。いくつかの実施の形態において、イオン交換浴は、他の一価の金属（例えば、Ａｇ⁺、Ｔｌ⁺、Ｃｕ⁺など）の塩を含んでもよい。いくつかの実施の形態において、イオン交換浴は、そのような塩の共晶混合物またはある塩の第２の塩中の溶融溶液である。溶融塩浴の非限定的例は、硝酸アンモニウム中の硝酸カリウムの溶液である。

ここに記載したイオン交換浴の１つの実施の形態が図１に示されている。イオン交換浴１００は、第１端部１１２および第１端部１１２と反対の第２端部１１４を有し、格納容器１１０内に入れられた溶融塩１２０を含む。第１端部１１２は第１の温度Ｔ₁に加熱され、第２端部１１４は第２の温度Ｔ₂に加熱される。いくつかの実施の形態において、第１端部１１２と第２端部１１４との間のイオン交換浴１００の少なくとも１つの部分１１６または領域が第３の温度Ｔ₃に加熱されてもよい。図１は、第３の温度Ｔ₃に加熱されたそのような部分を１つしか示していないが、いくつかの実施の形態において、第１端部１１２と第２端部１１４との間に位置する多数の区域の各々が選択された温度に加熱されてもよい。別記しない限り、ここに記載した全ての温度（例えば、第１の温度Ｔ₁、第２の温度Ｔ₂、および第３の温度Ｔ₃）は、イオン交換浴１００中の塩を少なくともある程度液化する−好ましくは完全に液化する−のに十分である。いくつかの実施の形態において、第１の温度Ｔ₁、第２の温度Ｔ₂、および第３の温度Ｔ₃の内の少なくとも１つは、基体の歪み点より少なくと１００℃低い。ここに用いたように、「温度まで加熱される」という用語は、イオン交換浴１００が、イオン交換浴の指定の位置（例えば、第１端部１１２、第２端部１１４など）で規定の温度に加熱されることを意味する。いくつかの実施の形態において、イオン交換浴１００は、抵抗加熱装置（図示せず）またはそのような加熱装置を格納容器１１０の外部に配置することによる他の当該技術分野に公知の手段によって、外部から加熱される。あるいは、イオン交換浴は、イオン交換浴１００の溶融塩１２０中に加熱要素（図示せず）を直接挿入することにより、または保護スリーブ内にそのような要素を配置し、次いで、それを溶融塩１２０中に挿入することにより、内部から加熱してもよい。

いくつかの実施の形態において、基体１５０は、溶融塩１２０への浸漬の際の熱衝撃による亀裂形成または破損を避けるために、イオン交換浴１００中に浸漬する前に、予熱される（工程１５）。基体１５０の予熱は、別の炉内で行ってもよく、いくつかの実施の形態において、基体を第１の温度Ｔ₁以上の温度に加熱することを含む。

イオン交換浴の第１端部１１２における浸漬とイオン交換後、基体１５０は、溶融塩１２０およひイオン交換浴１００を通り通路３２に沿って第２端部１１４まで移動または平行移動される（工程３０）。基体１５０のそのような移動または平行移動は、基体１５０に連結されたチェーンまたはベルト駆動、手動による移動または配置などの、当該技術分野に公知の手段によって行ってよい。基体１５０のそのような移動は、連続的であっても、または不連続の間隔または工程で行われてもよい。同様に、基体１５０は、どのような所望の長さまたは時間にわたり第２端部１１４に配置または保持されてもよい。

基体１５０のイオン交換は、基体１５０がイオン交換浴の第１端部１１２から第２端部１１４に動かされている間、継続する。イオン交換は、選択された圧縮応力プロファイルおよび圧縮層の深さを達成するのに十分な期間に亘り継続することができる。先に記載したように、イオン交換の時間は、第１の温度Ｔ₁と第２の温度Ｔ₂、溶融塩１２０の組成、および基体１５０の組成を含むいくつかの要因に基づく。１つの実施の形態において、基体１５０は、基体１５０の表面で最大圧縮応力を生じるのに十分な時間に亘り十分な条件下でイオン交換される。別の実施の形態において、所望の圧縮応力、中央張力、および／または層の深さの内の少なくとも１つが選択され、基体１５０は、これらのパラメータを達成するのに十分な期間に亘りイオン交換される。

所望のレベルまでイオン交換を行った後、基体１５０はイオン交換浴１００から取り出される（工程４０）。いくつかの実施の形態において、基体１５０は、急冷されるおよび／または脱イオン水で濯がれる（工程４５）。

第１の温度Ｔ₁と第２の温度Ｔ₂の可能性のある関係が図２に示されている。いくつかの実施の形態において、それぞれ、第１端部１１２と第２端部１１４の温度Ｔ₁とＴ₂は、互いに異なる。この温度差により、溶融塩１２０およびイオン交換浴１００内で第１端部１１２から第２端部１１４まで温度勾配が生じる。少なくとも１つの実施の形態において、第１の温度Ｔ₁は、第２の温度Ｔ₂から少なくと１０℃異なる（すなわち、Ｔ₁＋１０℃≦Ｔ₂、またはＴ₁≧Ｔ₂＋１０℃）。あるいは、第１の温度Ｔ₁と第２の温度Ｔ₂は等しくてもよい（Ｔ₁＝Ｔ₂；図２におけるｃ）。第１の温度Ｔ₁が、第２の温度Ｔ₂より低い（Ｔ₁＜Ｔ₂；図２におけるｂ）か高い（Ｔ₁＞Ｔ₂；図２におけるａ）かは、一部には、溶融塩１２０の組成および基体１５０の所望の圧縮応力、層の深さ、および／または表面圧縮層の組成プロファイルに依存する。

いくつかの実施の形態において、第１端部１１２を第２端部１１４から隔てるイオン交換浴１００の部分１１６が、第１の温度Ｔ₁および第２の温度Ｔ₂とは異なる第３の温度Ｔ₃に加熱される。第３の温度Ｔ₃は、Ｔ₁とＴ₂の両方より低くても（Ｔ₃＜Ｔ₁、Ｔ₂；図２におけるｅ）、高くても（Ｔ₃＞Ｔ₁、Ｔ₂；図２におけるｄ）よい。あるいは、Ｔ₃は、Ｔ₁とＴ₂の一方より高くてもよい、すなわち、Ｔ₃はＴ₁とＴ₂の間であってよい（Ｔ₂＞Ｔ₃＞Ｔ₁；図２におけるｆ、またはＴ₂＜Ｔ₃＜Ｔ₁）。図２は、イオン交換浴１００中の位置により、温度の急な線形変動を示すが、溶融塩１２０の実際の温度は、第１端部１１２と第２端部１１４における溶融塩１２０の部分が互いに流体連通しているという事実のために、より連続的な様式で変動するであろう。

イオンが交換する速度は、交換を経るイオンの相互拡散性に関連する。その交換速度および相互拡散性は、アレニウスの関係に従い、それゆえ、温度により、数桁異なる。拡散性は温度と共に増加するので、温度と浸漬／イオン交換時間の様々な組合せにより、類似の組成プロファイルが生じるであろう（例えば、より短い時間に亘るより高い温度でのイオン交換によって、より長い時間に亘りより低い温度でのイオン交換と同じプロファイルが生じるであろう）。しかしながら、イオン交換により生じる圧縮応力プロファイルは温度に強く依存するので、温度を増加させると特有の結果が生じる。より高い温度ではイオンがより急速に拡散できるのに対し、それらのイオンは応力緩和を促進もし、表面で達成できる最大圧縮応力が制限される。

第１端部１１２を第１の温度Ｔ₁に加熱し、第２端部１１４を第２の温度Ｔ₂に加熱することによって、高温と低温のイオン交換プロセスが単一のイオン交換浴１００内で組み合わされて、特定の圧縮応力、中央張力、および層の深さを有する応力プロファイルが生じる。図５は、ａ）単一温度での１つのイオン交換浴内の設定時間に亘る浸漬（図５のａ）；ｂ）第１の温度での第１のイオン交換浴内での設定時間に亘る浸漬と、その後の、異なる温度での第２の別個のイオン交換浴内の浸漬（図５のｂ）；およびｃ）温度が第１端部１１２から第２端部１１４まで変えられて、第１端部１１２から第２端部１１４まで温度勾配が生じる、ここに記載されたイオン交換浴１００内の浸漬（図５のｃ）；を使用して得られるであろう仮想的応力プロファイルをプロットしたグラフである。ここに記載されたイオン交換浴１００および方法には、より低い中央張力および類似の圧縮応力と層の深さを有する基体１５０を生じるために、１つのイオン交換浴内の浸漬または２つの別個の浴内の連続浸漬よりも、少ないプロセス時間しか必要ない。

図１に示されるように、イオン交換浴１００は、連続した１つの浴である。Ｔ₁とＴ₂（および、いくつかの実施の形態においては、Ｔ₃）が互いに異なる実施の形態において、そのような差により、図２に示されるように、イオン交換浴１００内に連続温度勾配が生じる。その温度勾配により、溶融塩１２０における密度と濃度に差が生じ、溶融塩１２０の対流移動、輸送、および／または流動が第１端部１１２と第２端部１１４との間で生じる。いくつかの実施の形態において、そのような対流は、バッフル、ゲート、またはイオン交換浴１００内の溶融塩１２０の対流および／または乱流運動を制限する他の手段を配置することによって低減するであろう。あるいは、イオン交換浴１００内での乱流または流動摂動は、音響エネルギー、電場、バブラー、撹拌子、スクリュー、または当該技術分野で公知の流体を撹拌するための類似のものを提供することによって、内部または外部手段によって増加させられるであろう。

いくつかの実施の形態において、第１の温度Ｔ₁および第２の温度Ｔ₂は等しく、イオン交換浴１００は、実質的に平らで、等温プロファイルを有する（図２のｃ）。この場合、ここに記載した基体をイオン交換する方法は、図３に示されるように、多数の基体（図３の１５０ａ〜ｅ）を連続して処理するためにイオン交換浴１００が使用されるので、バッチ式ではなく、連続プロセスである。図３に示されるように、基体１５０ｂ、１５０ｃ、および１５０ｄは、それぞれ、第１端部１１２、第１端部１１２と第２端部１１４を隔てる部分１１６、および第２端部１１４においてイオン交換を経ている。同時に、基体１５０ａは予熱され（工程１５）、基体１５０ｅは急冷される（工程４５）。１つの基体１５０が１つの工程またはイオン交換浴内の位置から次の工程または位置に移動されるまたは平行移動されるに連れて（例えば、基体１５０ｂが第１端部１１２から工程３０ａにおいて部分１１６に移動する）、別の基体１５０が先の基体１５０の位置を取る（例えば、基体１５０ａが、工程２０において、移動して、第１端部１１２内に浸漬される）。

イオン交換プロセス中に、ガラスから取り出された流出イオンは、汚染源として働き、よって、イオン交換プロセスを遅くするであろう。例えば、ガラスから取り出されたナトリウムイオンは、カリウム塩を含むイオン交換浴内の汚染物質として働く。現在、そのような汚染は、イオン交換浴から汚染された塩を排出し、その浴に「新たな」または純粋な塩を装填し、その塩を溶融することによって、対処されている。そのような汚染の影響を減少させるために、ここに記載したイオン交換浴１００に、選択的に溶融塩１２０から少なくとも１種類の材料または成分を奪うまたはそれに補うための手段を設けてもよい。そのような補充および／または消耗は、イオン交換浴１００内の異なる位置、例えば、第１端部１１２または第２端部１１４で行ってもよい。溶融塩１２０は、例えば、ドレーン１７０（図１）を通じて除去してもよい。あるいは、源または貯留槽１６０を設けることにより、イオン交換浴に追加の少なくとも１種類の塩１６２を加えてもよい。図１に示されるように、貯留槽１６０は、少なくとも１種類の塩１６２をイオン交換浴１００の第２端部１１４に直接供給するように、イオン交換浴１００に対して位置決めされている。別の実施の形態（図示せず）において、少なくとも１種類の塩１６２を収容する槽が溶融塩１２０と流体連通しているように、貯留槽１６０がイオン交換浴１００に連結されている。

図１において、ドレーン１７０と貯留槽１６０がそれぞれ、第１端部１１２と第２端部１１４に位置しているが、ドレーン１７０と貯留槽１６０はイオン交換浴１００内のどこに位置していてもよいことが当業者に認識されよう。例えば、ドレーン１７０は、イオン交換プロセスの化学的釣合いまたは平衡に関する事項のために、特定の陽イオン（例えば、Ｎａ⁺またはＫ⁺）が豊富な、イオン交換浴１００内の領域に配置されるであろう。それゆえ、その豊富な陽イオンの大半がドレーン１７０を通じて除去され、溶融塩１２０の化学的釣合いが、少なくとも部分的に回復されるであろう。同様に、少なくとも１種類の塩１６２を貯留槽１６０から溶融塩１２０に加えて、イオン交換浴１００内の化学的釣合いを回復または維持してもよい。あるいは、少なくとも１種類の塩１６２を、溶融塩１２０の陽イオンによる強化が特に望ましい領域において、貯留槽１６０から溶融塩１２０に加えてもよい。

化学強化した基体も提供される。その基体は、イオン交換可能なガラスまたはガラスセラミックであり、様々な実施の形態において、例えば、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスまたはアルカリアルミノケイ酸塩ガラスセラミックなどのガラスセラミックを含む、から実質的になる、またはからなる。いくつかの実施の形態において、その基体は、例えば、板などの平面構造を有する。あるいは、その基体は、非平面または三次元構造を有してよく、湾曲したまたは部分的に湾曲した表面を形成してもよい。

イオン交換により強化された平面ガラスまたはガラスセラミック基体の断面図が図４に示されている。強化基体４００は、厚さｔ、互いに実質的に平行な第１の表面４１０と第２の表面４２０、中央部分４１５、および第１の表面４１０を第２の表面４２０に接続する縁４３０を有する。強化基体４００は、それぞれ、各表面の下の深さｄ₁、ｄ₂まで第１の表面４１０および第２の表面４２０から延在する強化表面層４１２，４２２を有する。強化表面層４１２，４２２は圧縮応力下にあるのに対し、中央部分４１５は引張応力下または張力下にある。中央部分４１５における引張応力が強化表面層４１２，４２２における圧縮応力を釣り合わせ、よって、強化基体４００内の平衡を維持する。強化表面層４１２，４２２が延在する深さｄ₁、ｄ₂は、一般に、「層の深さ」と個々に称される。縁４３０の部分４３２も、強化プロセスの結果として強化されるであろう。強化ガラス基体４００の深さｔは、一般に、約０．１ｍｍから約２ｍｍまでの範囲にある。１つの実施の形態において、厚さｔは約０．５ｍｍから約１．３ｍｍまでの範囲にある。

いくつかの実施の形態において、前記基体は、６０〜７２モル％のＳｉＯ₂、９〜１６モル％のＡｌ₂Ｏ₃、５〜１２モル％のＢ₂Ｏ₃、８〜１６モル％のＮａ₂Ｏ、および０〜４モル％のＫ₂Ｏを含み、から実質的になり、またはからなり、

式中、アルカリ金属改質剤はアルカリ金属酸化物である。別の実施の形態において、前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラス基体は、６１〜７５モル％のＳｉＯ₂、７〜１５モル％のＡｌ₂Ｏ₃、０〜１２モル％のＢ₂Ｏ₃、９〜２１モル％のＮａ₂Ｏ、０〜４モル％のＫ₂Ｏ、０〜７モル％のＭｇＯ、および０〜３モル％のＣａＯを含む、から実質的になる、またはからなる。さらに別の実施の形態において、前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラス基体は、６０〜７０モル％のＳｉＯ₂、６〜１４モル％のＡｌ₂Ｏ₃、０〜１５モル％のＢ₂Ｏ₃、０〜１５モル％のＬｉ₂Ｏ、０〜２０モル％のＮａ₂Ｏ、０〜１０モル％のＫ₂Ｏ、０〜８モル％のＭｇＯ、０〜１０モル％のＣａＯ、０〜５モル％のＺｒＯ₂、０〜１モル％のＳｎＯ₂、０〜１モル％のＣｅＯ₂、５０ｐｐｍ未満のＡｓ₂Ｏ₃、および５０ｐｐｍ未満のＳｂ₂Ｏ₃を含み、から実質的になり、またはからなり、１２モル％≦Ｌｉ₂Ｏ＋Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ≦２０モル％および０モル％≦ＭｇＯ＋ＣａＯ≦１０モル％。別の実施の形態において、前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラス基体は、６４〜６８モル％のＳｉＯ₂、１２〜１６モル％のＮａ₂Ｏ、８〜１２モル％のＡｌ₂Ｏ₃、０〜３モル％のＢ₂Ｏ₃、２〜５モル％のＫ₂Ｏ、４〜６モル％のＭｇＯ、および０〜５モル％のＣａＯを含み、から実質的になり、またはからなり、６６モル％≦ＳｉＯ₂＋Ｂ₂Ｏ₃＋ＣａＯ≦６９モル％、Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ＋Ｂ₂Ｏ₃＋ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＞１０モル％、５モル％≦ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ８モル％、（Ｎａ₂Ｏ＋Ｂ₂Ｏ₃）−Ａｌ₂Ｏ₃≦２モル％、２モル％≦Ｎａ₂Ｏ−Ａｌ₂Ｏ₃≦６モル％、および４モル％≦（Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ）−Ａｌ₂Ｏ₃≦１０モル％。さらに別の実施の形態において、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス基体は、５０〜８０モル％のＳｉＯ₂、２〜２０モル％のＡｌ₂Ｏ₃、０〜１５モル％のＢ₂Ｏ₃、１〜２０モル％のＮａ₂Ｏ、０〜１０モル％のＬｉ₂Ｏ、０〜１０モル％のＫ₂Ｏ、および０〜５モル％の（ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ）を含み、から実質的になり、またはからなり、０〜３モル％の（ＳｒＯ＋ＢａＯ）、および０〜５モル％の（ＺｒＯ₂＋ＴｉＯ₂）、０≦（Ｌｉ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ）／Ｎａ₂Ｏ≦０．５。

前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラス基体は、いくつかの実施の形態において、リチウムを実質的に含まないのに対し、他の実施の形態において、前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラスは、ヒ素、アンチモン、およびバリウムの内の少なくとも１つを実質的に含まない。いくつかの実施の形態において、前記ガラス基体は、以下に限られないが、フュージョンドロー法、スロットドロー法、リドロー法などの当該技術分野に公知の方法を使用して、ダウンドローされ、少なくとも１３５キロポアズの液相線粘度を有する。

前記アルカリアルミノケイ酸塩ガラス基体は、ここに記載した方法を使用してイオン交換により強化され、圧縮応力下にある表面を少なくとも１つ有し、この圧縮応力は表面で最高値を有する。１つの実施の形態において、その圧縮応力は少なくとも６００ＭＰａである。圧縮応力層は、表面から少なくとも２０μｍの深さまで、いくつかの実施の形態において、少なくとも３０μｍの深さまで延在する。

他の実施の形態において、化学強化された基体は、アルカリアルミノケイ酸塩ガラスセラミックなどのガラスセラミックである。そのようなガラスセラミックとしては、以下に限られないが、霞石、β石英（例えば、Ｋｅｒａｌｉｔｅ（商標））、β−スポジュメン、ナトリウムマイカ、二ケイ酸リチウム、それらの組合せなどが挙げられる。

そのガラスセラミック基体は、ここに記載した方法を使用してイオン交換により強化され、圧縮応力下にある表面を少なくとも１つ有し、この圧縮応力は表面で最高値を有する。１つの実施の形態において、その圧縮応力は少なくとも４００ＭＰａである。圧縮応力層は、表面から少なくとも２０μｍの深さまで、いくつかの実施の形態において、少なくとも３０μｍの深さまで延在する。

典型的な実施の形態が説明の目的のために述べられてきたが、先の説明は、本開示または付随の請求項の範囲への制限と解釈すべきではない。したがって、本開示または付随の請求項の精神および範囲から逸脱せずに、様々な改変、適用、および代替が当業者に想起されるであろう。

１００イオン交換浴
１１２第１端部
１１４第２端部
１２０溶融塩
１５０基体
１６０貯留槽
１６２追加の塩
１７０ドレーン
４００強化基体
４１０第１の表面
４１２，４２２強化表面層
４１５中央部分
４２０第２の表面
４３０縁

Claims

基体をイオン交換する方法において、
ａ．少なくとも１種類のアルカリ金属塩を含み、第１の温度に加熱される第１端部と第２の温度に加熱される第２端部を有するイオン交換浴の第１端部に、イオン交換可能なガラスおよびイオン交換可能なガラスセラミックのうちの一方でありかつひずみ点を有する基体を浸漬する工程；
ｂ．少なくとも１つの前記基体を前記第１端部から前記第２端部まで前記イオン交換浴中に移動させる工程であって、該少なくとも１つの基体が、該イオン交換浴中を移動しながらイオン交換される工程；および
ｃ．前記少なくとも１つの基体を前記第２端部で、該基体の少なくとも１つの表面に圧縮応力を生じさせるのに十分にイオン交換する工程；
を有してなる方法。
前記第１の温度が前記第２の温度とは異なり、前記第１端部と前記第２端部との間に温度勾配が存在し、前記第１の温度が前記第２の温度とは少なくとも１０℃異なることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記第１端部と前記第２端部との間に位置する前記イオン交換浴の部分が、前記第１の温度および前記第２の温度の各々とは少なくとも１０℃異なる第３の温度に加熱され、前記基体を前記第１端部から前記第２端部に移動させる工程が、前記第３の温度に加熱される前記部分を通して該基体を移動させる工程を含むことを特徴とする請求項１または２記載の方法。
前記少なくとも１つの基体を提供する工程をさらに含み、
ａ．前記少なくとも１つの基体を提供する工程が、第１の基体と第２の基体を連続して提供する工程を含み、
ｂ．前記基体を第１端部に浸漬する工程が、前記第１の基体と前記第２の基体を連続して前記第１端部に浸漬する工程を含み、
ｃ．前記少なくとも１つの基体を前記第１端部から前記第２端部まで前記イオン交換浴中に移動させる工程が、前記第１の基体と前記第２の基体を連続して前記第２端部まで連続的に移動させる工程を含む、
ことを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の方法。
イオン交換中に前記イオン交換浴から前記少なくとも１種類のアルカリ金属塩の１つを除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の方法。
イオン交換中に前記少なくとも１種類のアルカリ金属塩の１つを前記イオン交換浴に加える工程をさらに含むことを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の方法。
イオン交換浴において、
ａ．第１の温度に加熱される第１端部および該第１端部の反対の、第２の温度に加熱される第２端部を有する格納容器、および
ｂ．該格納容器内に入れられる少なくとも１種類のアルカリ金属塩を含む溶融塩浴、
を有してなるイオン交換浴。
前記第１の温度が前記第２の温度とは異なり、前記第１端部と前記第２端部との間に温度勾配が存在し、前記第１の温度が前記第２の温度とは少なくとも１０℃異なることを特徴とする請求項７記載の溶融塩浴。
前記溶融塩浴を通じて少なくとも１つのサンプルを前記第１端部から前記第２端部まで移動させるためのサンプル移動機構をさらに備えることを特徴とする請求項７または８記載のイオン交換浴。
前記イオン交換浴から少なくとも１種類のアルカリ金属塩を取り出すための手段および前記イオン交換浴に少なくとも１種類のアルカリ金属塩を加えるための手段の内の一方をさらに備えることを特徴とする請求項７から９いずれか１項記載のイオン交換浴。