引言近年來(lái)，隨著觸控技術(shù)的飛速發(fā)展，具有優(yōu)異人機(jī)交互功能、畫(huà)面清晰逼真、響應(yīng)時(shí)間短、操作簡(jiǎn)單便捷等特點(diǎn)的觸摸屏逐漸成為了主流操作界面，從而對(duì)觸摸屏的重要部件之一—保護(hù)層的性能提出了更高的要求。保護(hù)層的材質(zhì)經(jīng)歷了迭代更替，從塑料層、亞克力板過(guò)渡到蓋板玻璃后，在力學(xué)性能、抗劃傷、抗沖擊性能、抗菌性能等各個(gè)方面都有了大幅提高，目前塑料及亞克力板均已退出保護(hù)材料的舞臺(tái)，性能優(yōu)異的蓋板玻璃成為保護(hù)層的主流產(chǎn)品。作為蓋板玻璃的龍頭企業(yè)康寧公司于2014年推出的第四代及之后的第五代大猩猩玻璃中，相較與前三代產(chǎn)品，均增加了P2O5成分，使得玻璃的各項(xiàng)性能有了顯著的提升。蓋板玻璃成為觸控技術(shù)主流保護(hù)材料的原因相比于出現(xiàn)過(guò)的保護(hù)材料如塑料、亞克力板，玻璃最終成為觸摸屏保護(hù)層的主流產(chǎn)品是由于其具有的優(yōu)異性能是其它材質(zhì)無(wú)法比擬的。透過(guò)率高。其在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的透過(guò)率可高達(dá)92%以上，大大超過(guò)觸摸屏保護(hù)材料對(duì)透過(guò)率性能的要求。抗劃傷能力強(qiáng)。蓋板玻璃可以滿足觸摸屏對(duì)劃傷能力的要求。耐沖擊、抗裂及抗跌落能力強(qiáng)。蓋板玻璃經(jīng)過(guò)特定條件的化學(xué)鋼化后，能夠在玻璃表層形成具有一定深度的壓縮層，該壓縮層可抵抗由于沖擊引起的裂紋蔓延，起到很好的保護(hù)作用。蓋板玻璃的發(fā)展歷程隨著技術(shù)的不斷提升，蓋板玻璃的各項(xiàng)性能也有了很大提高，主要的發(fā)展歷程分為以下幾個(gè)階段。普通鈉鈣硅玻璃。是最容易制備的玻璃，后續(xù)通過(guò)化學(xué)鋼化法改變玻璃表面的組成來(lái)提高玻璃的強(qiáng)度。化學(xué)鋼化過(guò)程通常是在低于玻璃的轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)，將玻璃浸在含有比玻璃中堿金屬半徑大的高濃度堿金屬熔鹽中，通過(guò)離子半徑較大的堿金屬陽(yáng)離子和玻璃表面離子半徑較小的堿金屬陽(yáng)離子之間進(jìn)行的交換過(guò)程，使玻璃表面形成含有較大容積堿離子的表面層。由于玻璃結(jié)構(gòu)的質(zhì)點(diǎn)容積大，冷卻至室溫收縮小，而玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)的質(zhì)點(diǎn)容積小，冷卻時(shí)收縮大，從而在玻璃表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。通常使用壓應(yīng)力強(qiáng)度（CS）及處于壓縮應(yīng)力下的離子交換層深度（DOL）來(lái)表征化學(xué)鋼化后的強(qiáng)化效果，鋼化后的蓋板玻璃要求CS>500MPa，DOL>50mm。高鋁硅酸鹽玻璃。與普通的鈉鈣硅玻璃相比，含Al2O3的鋁硅酸鹽玻璃化學(xué)鋼化后，壓縮層的深度增加了3～4倍。化學(xué)鋼化過(guò)程中Al2O3的存在能起到加速離子交換的進(jìn)程，當(dāng)以Al2O3取代部分SiO2后，分子體積增大，結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)空隙擴(kuò)大，有利于堿離子擴(kuò)散，另一方面，體積增大，也有利于吸收大體積的K+，促進(jìn)離子交換。含磷鋁硅酸鹽玻璃。鋁硅酸鹽玻璃中增加P2O5后，P2O5的存在使得不含P2O5的同等玻璃化學(xué)鋼化過(guò)程中離子交換的進(jìn)程更快同時(shí)可以達(dá)到更大的深度，P2O5的存在加速了較大陽(yáng)離子交換玻璃中存在的較小陽(yáng)離子的離子交換速率。康寧蓋板玻璃介紹蓋板玻璃的典型代表為美國(guó)康寧公司（Corning）生產(chǎn)的大猩猩玻璃（GorillaGlass），它屬于環(huán)保型鋁硅鋼化玻璃。大猩猩玻璃最初是由于其具有防彈功能而應(yīng)用于直升機(jī)的特種玻璃，2010年后，康寧公司為了使其可以用于消費(fèi)電子行業(yè)的抗損壞顯示，對(duì)其進(jìn)行了技術(shù)改造，形成第一代大猩猩玻璃產(chǎn)品。各代次大猩猩玻璃產(chǎn)品性能比對(duì)見(jiàn)表1。表1各代次大猩猩玻璃產(chǎn)品性能比對(duì)P2O5對(duì)鋁硅酸鹽蓋板玻璃性能的影響在含磷的鋁硅酸鹽玻璃中，P2O5的添加量一般小于或等于金屬氧化物改性劑的總濃度與Al2O3的差值，即P2O5

≤［∑（R2O）-Al2O3］。在形成含磷的鋁硅酸鹽玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，硅氧四面體［SiO4］為基本的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)單元；當(dāng)加入Al2O3后，Al3+就可以?shī)Z取非橋氧形成鋁氧四面體［AlO4］進(jìn)入硅氧網(wǎng)絡(luò)中，將斷網(wǎng)重新連接起來(lái)，使玻璃結(jié)構(gòu)趨向緊密。但鋁氧四面體較硅氧四面體有較大的體積，結(jié)構(gòu)疏松、空隙大，有利于堿金屬離子的活動(dòng)，能有效的提高化學(xué)鋼化過(guò)程中離子交換的速率，同時(shí)由于∑（R2O）/Al2O3的含量比大于1，Al3+均位于四面體中，但網(wǎng)絡(luò)中還存在非橋氧；當(dāng)加入P2O5時(shí)，P5+會(huì)與非橋氧結(jié)合形成磷氧四面體［PO4］，磷氧四面體中4個(gè)鍵不同，其中一個(gè)間鍵較短，該鍵使四面體的一個(gè)頂角斷裂并變形。不同于硅氧四面體和鋁氧四面體的橋氧連接方式，磷氧四面體中有一個(gè)帶雙鍵的氧，是結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱中心，其結(jié)構(gòu)可看作層狀結(jié)構(gòu)，層間由范德華力聯(lián)系，因此在化學(xué)鋼化過(guò)程中，較大的陽(yáng)離子易進(jìn)入玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。鋁硅酸鹽玻璃中增加P2O5的效果：（1）促進(jìn)和加速離子交換的能力。鋁硅酸鹽玻璃中P2O5的存在增加了熔鹽中較大陽(yáng)離子與玻璃中較小陽(yáng)離子的離子交換速率，即增加了熔鹽中K+與堿金屬鋁硅酸鹽玻璃中Na+的交換速率。圖1是專利CN201180025978.8中提到的離子交換堿金屬鋁硅酸鹽的重量增加與P2O5含量的關(guān)系圖。

樣品1—410℃、15h；a—重量增加，370℃、65h；b—重量增加，410℃、15h；c—重量增加，370℃、15h；d—重量增加，370℃、8h

圖1離子交換后玻璃的重量增加與P2O5含量的關(guān)系從圖1中可以看出，在不同的離子交換條件下測(cè)定玻璃重量的增加，反映了較重的K+與玻璃中Na+的交換程度，重量隨著P2O5含量的穩(wěn)定增加表明玻璃中P2O5的存在能夠促進(jìn)和加速離子交換的速率。圖2是專利CN201180057659.5中關(guān)于兩種含硼的鋁硅酸鹽玻璃中P2O5濃度與鉀擴(kuò)散率的關(guān)系圖，分別為含4%和8%不同摩爾含量B2O3兩種玻璃的圖例。圖2兩種含硼的鋁硅酸鹽玻璃中P2O5濃度與鉀擴(kuò)散率的關(guān)系圖從圖2中可以看出，加入4%的P2O5使得含4%的B2O3的玻璃中的K+擴(kuò)散率增加了約50%，而相同量的P2O5加入到含8%的B2O3中，得到的K+擴(kuò)散率增加約為1/3。在后一種玻璃中觀察到的較低的擴(kuò)散率增加可以歸因于B2O3量的增加，B2O3量的增加傾向于降低玻璃中K+的擴(kuò)散率。（2）縮短達(dá)到預(yù)定DOL所需時(shí)間。研究表明，添加4%的P2O5足以使堿金屬鋁硅酸鹽玻璃中的DOL加倍。因DOL近似地按照時(shí)間與擴(kuò)散率的平方根增加，即表明離子擴(kuò)散率增加到4倍，也表示達(dá)到給定的DOL時(shí)所需時(shí)間縮短至原來(lái)的1/4。（3）提高抗損傷性能且不會(huì)阻礙離子交換。為了提高蓋板玻璃的抗損傷性能，有時(shí)候?qū)2O3引入玻璃中，但是B2O3的存在雖然會(huì)提高其抗損傷性能但同時(shí)會(huì)阻礙通過(guò)化學(xué)鋼化過(guò)程中離子交換進(jìn)程，為了不影響離子交換進(jìn)程，研究發(fā)現(xiàn)將P2O5加入玻璃中也會(huì)提高玻璃的抗損傷性能，主要是因?yàn)閷2O5加入玻璃中會(huì)產(chǎn)生一種新的結(jié)構(gòu)由四面協(xié)調(diào)的鋁和磷組成磷酸鋁（AlPO4）代替了玻璃中的二氧化硅（SiO2）。由于添加P2O5后可以形成新的骨架結(jié)構(gòu)，因此含磷的鋁硅酸鹽玻璃在沒(méi)有任何熱或化學(xué)強(qiáng)化過(guò)程的情況下，本身就是抗損傷的，同時(shí)由于其形成的是骨架結(jié)構(gòu)，有利于堿金屬離子的擴(kuò)散，不會(huì)阻礙離子交換進(jìn)程。康寧公司發(fā)布的第四代大猩猩玻璃中增加了P2O5來(lái)提高蓋板玻璃的抗損傷性能，該性能一般通過(guò)維氏裂紋開(kāi)裂閾值來(lái)表征，含磷蓋板玻璃經(jīng)過(guò)化學(xué)鋼化后的閾值可到10kgf（1kgf＝9.8N）。（4）降低高溫黏度。研究表明，加入摩爾分?jǐn)?shù)2%的P2O5可以使得堿金屬鋁硅酸鹽玻璃中黏度為20Pa·s對(duì)應(yīng)的溫度降低50℃，這有助于對(duì)玻璃進(jìn)行融化和澄清。結(jié)語(yǔ)通過(guò)對(duì)于含磷蓋板玻璃的分析，因其具有其他組分、材質(zhì)無(wú)法比擬的優(yōu)異理化性能將成為主流觸控保護(hù)材料：（1）促進(jìn)和加速離子交換的能力，磷酸鹽玻璃因其特殊的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可以加速和促進(jìn)離子交換的能力，縮短達(dá)到預(yù)定離子交換