具体实施方式

在以下说明中，每当将一个组描述为包含一组要素中的至少一种及组合时，应将其理解为所述组可以单个要素或相互组合的形式包含任何数目的这些所列要素，或者主要由任何数目的这些所列要素组成，或者由任何数目的这些所列要素组成。类似地，每当将一个组描述为由一组要素中的至少一个要素或其组合组成时，应将其理解为所述组可以单个要素或相互组合的形式由任何数目的这些所列要素组成。除非另有说明，否则，列举的数值范围同时包括所述范围的上限和下限，以及所述上限和下限之间的任意范围。还应理解的是，在说明书和附图中公开的各个特征可以任意的和所有的组合方式使用。

如果本文中列出包含上限值和下限值的数值范围，则除非在特定情形下另外指出，否则该范围旨在包括范围的端点以及该范围之内的所有整数和分数。权利要求的范围并不限于定义范围时所列举的具体值。另外，当数量、浓度或其他数值或参数以范围、一个或多个优选范围或优选上限值和优选下限值的列表的形式给出时，这应当被理解为明确公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任何配对形成的所有范围，而无论这些配对是否被单独公开。最后，当使用术语“约”来描述范围的值或端点时，应理解本公开包括所参考的具体值或者端点。当范围的数值或端点不使用“约”列举时，范围的数值或端点旨在包括两种实施方式：一种用“约”修饰，另一种未用“约”修饰。

在本文中，玻璃和玻璃陶瓷组合物以其中包含的特定组分的摩尔％量(基于氧化物计)来表示，另有说明的除外。具有不止一种氧化态的任何组分可以以任何氧化态存在于玻璃或玻璃陶瓷组合物中。然而，这种组分的浓度以其中这种组分以其最低氧化态的氧化物表示，另有说明的除外。

除非另有说明，否则所有组成都以摩尔百分数(摩尔％)表示。杨氏模量、剪切模量和泊松比均在相同时间使用共振超声光谱法测量，所述方法如ASTM E1875-00e1中所阐述来进行。

玻璃和玻璃陶瓷组合物

本文公开的新型组合物包括机械有利且可离子交换的前体玻璃，以及坚固的、高杨氏模量、高硬度且可离子交换的玻璃陶瓷。前体玻璃是独特的，因为它们包括极高的Al₂O₃和Y₂O₃含量，以及低的SiO₂含量。所述玻璃陶瓷具有新型相组成以及微结构(例如，均匀成核和内部成核)。另外，除了它们的固有强度外，所公开的玻璃和玻璃陶瓷组合物可以经化学强化，从而进一步增加了它们对表面瑕疵的抗损伤性。

如本文引用的“组合物”可以指“玻璃组合物”或“玻璃陶瓷组合物”中的任一种。预计前体玻璃和对前体玻璃进行热处理(陶瓷化)后的玻璃陶瓷之间的组成基本等同(下文有所解释)。

二氧化硅(SiO₂)用作实施方式的组合物的主要氧化物组分，可以包含其以提供高温稳定性和化学耐久性。在一些实例中，组合物可以包含30摩尔％至60摩尔％的SiO₂。在一些实例中，组合物可以包含30摩尔％至50摩尔％的SiO₂。在一些实例中，组合物可以包含30摩尔％至35摩尔％的SiO₂，或35摩尔％至40摩尔％的SiO₂，或40摩尔％至45摩尔％的SiO₂，或45摩尔％至50摩尔％的SiO₂，或50摩尔％至55摩尔％的SiO₂，或55摩尔％至60摩尔％的SiO₂，或30摩尔％至40摩尔％的SiO₂，或35摩尔％至50摩尔％的SiO₂，或40摩尔％至50摩尔％的SiO₂，或者本文公开的任何数值或范围。在一些实例中，组合物基本上不含SiO₂或者包含30摩尔％、31摩尔％、32摩尔％、33摩尔％、34摩尔％、35摩尔％、36摩尔％、37摩尔％、38摩尔％、39摩尔％、40摩尔％、41摩尔％、42摩尔％、43摩尔％、44摩尔％、45摩尔％、46摩尔％、47摩尔％、48摩尔％、49摩尔％、50摩尔％的SiO₂，或者具有本文公开的端点的任何范围或数值。

网络形成剂是形成玻璃结构的骨架的玻璃的氧化物组分。一些实例包括：SiO₂、Al₂O₃、P₂O₅和B₂O₃。氧化铝(Al₂O₃)可以影响组合物的结构，并且还使液相线温度和热膨胀系数降低，或使应变点升高。除了作为网络形成剂的作用外，Al₂O₃(和ZrO₂)帮助提高基于硅酸盐的组合物的化学耐久性，同时没有毒性顾虑。

另外，氧化铝(Al₂O₃)有利地促进了组合物的机械强度增加。本文公开的组合物由于其高的Al₂O₃含量而独特。与氧化钇一起，氧化铝的其中最重要的影响在于其增加了玻璃或玻璃陶瓷组合物的弹性模量E(GPa)。至少由于氧化铝的浓度，获得了具有高杨氏模量值的玻璃组合物和玻璃陶瓷组合物(杨氏模量分别为107-126GPa和119-177GPa)。另外，玻璃陶瓷组合物还具有高的断裂韧度(0.99-3.2MPa*√m)和高的维氏(Vickers)硬度(868-1192kgf/mm²)。

在一些实例中，所述组合物可以包含15摩尔％至35摩尔％的Al₂O₃。在一些实例中，所述组合物可以包含18摩尔％至31摩尔％的Al₂O₃。在一些实例中，所述组合物可以包含15摩尔％至20摩尔％的Al₂O₃，或20摩尔％至25摩尔％的Al₂O₃，或25摩尔％至30摩尔％的Al₂O₃，或30摩尔％至35摩尔％的Al₂O₃，或18摩尔％至30摩尔％的Al₂O₃，或25摩尔％至31摩尔％的Al₂O₃，或18摩尔％至21摩尔％的Al₂O₃，或21摩尔％至24摩尔％的Al₂O₃，或24摩尔％至27摩尔％的Al₂O₃，或27摩尔％至30摩尔％的Al₂O₃，或30摩尔％至33摩尔％的Al₂O₃，或25摩尔％至35摩尔％的Al₂O₃，或者本文公开的任何数值或范围。在一些实例中，所述组合物包含15摩尔％、16摩尔％、17摩尔％、18摩尔％、19摩尔％、20摩尔％、21摩尔％、22摩尔％、23摩尔％、24摩尔％、25摩尔％、26摩尔％、27摩尔％、28摩尔％、29摩尔％、30摩尔％、31摩尔％、32摩尔％、33摩尔％、34摩尔％、35摩尔％的Al₂O₃，或者具有本文公开的端点的任何范围或数值。

二氧化锆(ZrO₂)起到成核剂的作用，其促进内部成核，是结晶中的重要的第一步。在一些实例中，所述组合物可以包含0摩尔％至10摩尔％的ZrO₂。在一些实例中，所述组合物可以包含0摩尔％至5摩尔％的ZrO₂。在一些实例中，所述组合物可以包含0摩尔％至4摩尔％的ZrO₂，或者0.5摩尔％至3.5摩尔％的ZrO₂或者1摩尔％至3摩尔％的ZrO₂，或者本文公开的任何数值或范围。在一些实例中，所述组合物包含0、>0、0.5摩尔％、1摩尔％、1.5摩尔％、2摩尔％、2.5摩尔％、3摩尔％、3.5摩尔％、4摩尔％的ZrO₂，或者具有本文公开的端点的任何范围或数值。

碱金属氧化物(R₂O，其是Na₂O、K₂O、Li₂O、Rb₂O和/或Cs₂O的总和)用作实现低熔化温度和低液相线温度的助剂，并且/或者有助于改进生物活性(如果需要)，并且/或者影响热膨胀系数，尤其是在低温时。在一些实例中，所述组合物可以包含0摩尔％至25摩尔％的R₂O。在一些实例中，所述组合物可以包含0摩尔％至22摩尔％的R₂O。在一些实例中，所述组合物可以包含0摩尔％至22摩尔％的Na₂O和Li₂O的组合。在一些实例中，所述组合物可以包含1摩尔％至20摩尔％，或3摩尔％至17摩尔％，或4摩尔％至16摩尔％，或4.5摩尔％至15.5摩尔％，或5摩尔％至15摩尔％，或0摩尔％至15摩尔％的R₂O，或者本文公开的任何数值或范围。在一些实例中，所述组合物可以包含0摩尔％至15摩尔％的Na₂O，或0摩尔％至12.5摩尔％的Na₂O，0摩尔％至10.5摩尔％的Na₂O，或者本文公开的任何数值或范围。在一些实例中，所述组合物可以包含0摩尔％至15摩尔％的Li₂O，或0摩尔％至12.5摩尔％的Li₂O，0摩尔％至11.5摩尔％的Li₂O，或者本文公开的任何数值或范围。在一些实例中，所述组合物包含0、>0、1摩尔％、2摩尔％、3摩尔％、4摩尔％、5摩尔％、6摩尔％、7摩尔％、8摩尔％、9摩尔％、10摩尔％、11摩尔％、12摩尔％、13摩尔％、14摩尔％、15摩尔％、16摩尔％、17摩尔％、18摩尔％、19摩尔％、20摩尔％、21摩尔％、22摩尔％、23摩尔％、24摩尔％、25摩尔％的R₂O(例如，Na₂O、K₂O、Li₂O、Rb₂O、Cs₂O、或其组合)，或者具有本文公开的端点的任何范围或数值。

氧化钇(Y₂O₃)有利地促进了组合物的机械强度增加。本文公开的组合物由于其高的Y₂O₃含量而独特。与氧化铝一起，氧化钇的其中最重要的影响在于其增加了玻璃或玻璃陶瓷组合物的弹性模量E(GPa)。至少由于氧化钇的浓度，获得了具有高杨氏模量值的玻璃组合物和玻璃陶瓷组合物(杨氏模量分别为107-126GPa和119-177GPa)。另外，玻璃陶瓷组合物还具有高的断裂韧度(0.99-3.2MPa*√m)和高的维氏(Vickers)硬度(868-1192kgf/mm²)。

对于玻璃组合物，这些性质可以是由于这些玻璃中的网络改性剂的高场强所致。由于高场强，出现了密堆叠结构，并且使得具有高模量，以及高密度和折射率。对于玻璃陶瓷组合物，相对于它们的前体玻璃，各种结晶相增加了本体材料的机械性质(例如，如下文实施例4中所解释)。对这种机械性质的增加贡献最大的相是Y₂Ti₂O₇、Y₂Si₂O₇和Y₃Al₅O₁₂(钇铝石榴石，YAG)。杨氏模量的增加在仅含Li的组合物中达到最大，但是杨氏模量的增加对于仅含Na的玻璃陶瓷也仍是显著的。

在一些实例中，所述组合物可以包含5摩尔％至25摩尔％的Y₂O₃。在一些实例中，所述组合物可以包含8摩尔％至14摩尔％的Y₂O₃。在一些实例中，所述组合物可以包含10摩尔％至15摩尔％的Y₂O₃。在一些实例中，所述组合物可以包含7摩尔％至23摩尔％的Y₂O₃或10摩尔％至20摩尔％的Y₂O₃，或者本文公开的任何数值或范围。在一些实例中，所述组合物包含5摩尔％、6摩尔％、7摩尔％、8摩尔％、9摩尔％、10摩尔％、11摩尔％、12摩尔％、13摩尔％、14摩尔％、15摩尔％、16摩尔％、17摩尔％、18摩尔％、19摩尔％、20摩尔％、21摩尔％、22摩尔％、23摩尔％、24摩尔％、25摩尔％的Y₂O₃，或者具有本文公开的端点的任何范围或数值。

三氧化二硼(B₂O₃)帮助降低液相线温度并增加玻璃陶瓷组合物中的残余玻璃的量。目前，本文公开的组合物的液相线温度显著低于具有可比的高杨氏模量的其他玻璃陶瓷(例如顽火辉石玻璃陶瓷)所实现的液相线温度。在一些实例中，所述组合物可以包含0摩尔％至5摩尔％的B₂O₃。在一些实例中，所述组合物可以包含0摩尔％至2.5摩尔％的B₂O₃。在一些实例中，所述组合物可以包含0摩尔％至1摩尔％的B₂O₃。在一些实例中，所述组合物可以包含0摩尔％至4摩尔％的B₂O₃，或0.5摩尔％至3.5摩尔％的B₂O₃，或1摩尔％至3摩尔％的B₂O₃，或者本文公开的任何数值或范围。在一些实例中，所述组合物包含0、>0、0.5摩尔％、1摩尔％、1.5摩尔％、2摩尔％、2.5摩尔％、3摩尔％、3.5摩尔％、4摩尔％、4.5摩尔％、5摩尔％的B₂O₃，或者具有本文公开的端点的任何范围或数值。

二氧化钛(TiO₂)起到成核剂的作用，其促进内部成核，是结晶中的重要的第一步。在一些实例中，所述组合物可以包含0摩尔％至20摩尔％的TiO₂。在一些实例中，所述组合物可以包含5摩尔％至20摩尔％的TiO₂。在一些实例中，所述组合物可以包含4摩尔％至14摩尔％的TiO₂。在一些实例中，所述组合物可以包含4摩尔％至18摩尔％的TiO₂，或6摩尔％至18摩尔％的TiO₂，或6摩尔％至16摩尔％的TiO₂，或8摩尔％至16摩尔％的TiO₂，或8摩尔％至14摩尔％的TiO₂，或者本文公开的任何数值或范围。在一些实例中，所述组合物包含5摩尔％、6摩尔％、7摩尔％、8摩尔％、9摩尔％、10摩尔％、11摩尔％、12摩尔％、13摩尔％、14摩尔％、15摩尔％、16摩尔％、17摩尔％、18摩尔％、19摩尔％、20摩尔％的TiO₂,，或者具有本文公开的端点的任何范围或数值。

其他组合物可以包括五氧化二磷(P₂O₅)，网络改性剂碱土金属氧化物(MgO、CaO、SrO和/或BaO)和氧化锌(ZnO)。五氧化二磷(P₂O₅)也可以用作网络形成剂，以及帮助增加组合物粘度，进而扩大操作温度的范围，因此对玻璃和/或玻璃陶瓷组合物的制造和形成是有利的。碱土金属氧化物可以在材料中改进期望的性质，包括增加杨氏模量和热膨胀系数。在一些实例中，氧化锌(ZnO)可以起到类似于碱土金属氧化物(例如MgO)的作用。

另外的组分可被包含到组合物中以提供另外的益处，或者可以作为通常见于商业制备的组合物中的污染物被包含到其中。例如，另外的组分可以作为着色剂或澄清剂(例如，为了促进从用于生产组合物的熔化批料中移除气态包含物)和/或用于其他目的来添加。在一些实例中，所述组合物可以包含用作紫外辐射吸收剂的一种或多种化合物。在一些实例中，所述组合物可包含CeO、MnO、Nb₂O₅、MoO₃、Ta₂O₅、WO₃、SnO₂、Fe₂O₃、As₂O₃、Sb₂O₃、Cl、Br或其组合。根据一些实例，所述组合物还可包含与批料材料相关的和/或因生产所述组合物所用的熔化、澄清和/或成形设备而引入到组合物中的各种污染物。例如，在一些实施方式中，所述组合物可包含SnO₂或Fe₂O₃，或其组合。

在一些实例中，所述组合物包含SiO₂、Al₂O₃、Y₂O₃和TiO₂的组合。例如，所述组合物包含30摩尔％至40摩尔％的SiO₂，25摩尔％至35摩尔％的Al₂O₃，8摩尔％至14摩尔％的Y₂O₃，和4摩尔％至18摩尔％的TiO₂。在一些实例中，所述组合物进一步包含Li₂O、Na₂O和B₂O₃。例如，所述组合物包含0摩尔％至12.5摩尔％的Li₂O，0摩尔％至10.5摩尔％的Na₂O，以及0摩尔％至2.5摩尔％的B₂O₃。

在一些实例中，所述组合物包含SiO₂、Al₂O₃、R₂O、Y₂O₃和TiO₂的组合。例如，所述组合物包含30摩尔％至50摩尔％的SiO₂、18摩尔％至30摩尔％的Al₂O₃、0摩尔％至22摩尔％的R₂O、10摩尔％至15摩尔％的Y₂O₃以及4摩尔％至14摩尔％的TiO₂。在一些实例中，所述组合物进一步包含ZrO₂，其中，R₂O包含Li₂O和Na₂O。例如，所述组合物包含0摩尔％至4摩尔％的ZrO₂，0摩尔％至11.5摩尔％的Li₂O以及0摩尔％至10.5摩尔％的Na₂O。

实施例

通过以下实施例进一步阐述本文所述的实施方式。

实施例1——前体玻璃组合物形成

具有表1所列氧化物含量的玻璃可通过传统方法来制造。在一些实例中，前体玻璃可通过使必需的批料彻底混合(例如，使用管式混合机)以确保得到均匀的熔体，并随后放置到二氧化硅和/或铂坩埚中来形成。可将坩埚放置到炉中并使玻璃批料熔化且在1100℃至1400℃的温度下保持约6小时至24小时的时间。随后可将熔体倒到钢模中以得到玻璃板坯。随后，可将这些板坯立即传递到在约400℃至700℃下运行的退火炉，在此处将玻璃保持在温度下约0.5小时至3小时，随后冷却过夜。在另一个非限制性实例中，通过将适当的氧化物和矿物源干混足以使各成分彻底混合的时间来制备前体玻璃。在约1100℃至约1400℃的温度下在铂坩埚中熔化玻璃并在温度下保持约6小时至16小时。得到的玻璃熔体接着被倒到钢台上以进行冷却。随后使前体玻璃在适当的温度下退火。

具体实施的玻璃组合物可通过空气喷射碾磨被研磨成1-10微米(μm)的细颗粒，或者可研磨成短纤维。对玻璃料采用磨碎或球磨，粒度可在1-100μm的范围内变化。另外，可使用不同的方法将这些玻璃加工成短纤维、珠、片或三维支架。短纤维通过熔融纺丝或电纺丝制造；珠可通过使玻璃颗粒流动通过立式热炉或焰炬生产；片材可使用薄轧制、浮法或熔合拉制过程来制造；并且支架可使用快速原型技术、聚合物泡沫复制和颗粒烧结来生产。

使用本领域已知的过程可由要求保护的组合物轻易拉制连续纤维。例如，使用直接加热(电流从中直接通过)的铂套筒，可形成纤维。将碎玻璃装载到套筒中，加热直到玻璃可熔化。对温度进行设置以实现期望的玻璃粘度(通常<1000泊)，从而允许在套筒中的孔口上形成滴出物(对套筒尺寸进行选择以产生影响可能的纤维直径范围的限制)。用手拉动滴出物以开始形成纤维。一旦产生纤维，则将其连接到旋转的牵拉/收集筒，从而以一致的速度延续牵拉过程。利用筒速度(或者每分钟转数RPM)和玻璃粘度可操纵纤维直径——一般而言，牵拉速度越快，纤维直径越小。可由玻璃熔体连续拉制出直径在1-100μm范围内的玻璃纤维。也可使用上拉过程产生纤维。在该过程中，从位于箱式炉中的玻璃熔体表面牵拉纤维。通过控制玻璃的粘度，使用石英棒从熔体表面牵拉玻璃，以形成纤维。可向上持续牵拉纤维以增加纤维长度。拉起棒的速度以及玻璃粘度决定了纤维厚度。

实施例2——前体玻璃组合物

表1列出了用于形成前体玻璃的氧化物的量的非限制性实例。

表1

表1续

TiO₂与Y₂O₃的比值，TiO₂与Y₂O₃和Al₂O₃的总和的比值，以及TiO₂与SiO₂的比值代表了分配到成核微晶中的氧化物组分(TiO₂)与(A)含Ti相中的另一种氧化物(Y₂O₃)；(B)在前体玻璃中相似配位的两种组分(Y₂O₃和Al₂O₃)；和(C)玻璃网络形成剂(SiO₂)的比值。这些比值是重要的，因为它们描述了成核相与其他结晶相之间的平衡。假定所有R⁺首先去电荷平衡Al³⁺，则R₂O与Al₂O₃的比值对于确定前体玻璃的电荷平衡是重要的。换言之，R₂O与Al₂O₃的比值对于玻璃组合物设计是重要的，因为其代表了组合物的电荷平衡，该描述对组合物结构有重大影响，并因此对组合物性质有重大影响。电荷平衡对于决定形成玻璃的容易程度也是重要的。Al₂O₃与Y₂O₃的比值对于确定可被分配到钇铝石榴石(YAG)相中的潜在组分是重要的，所述YAG相是进行结晶的一个相。

本文公开的玻璃组合物可以为任何形式，例如，颗粒、粉末、微球、纤维、片、珠、支架、织造纤维。

实施例3——前体玻璃组合物性质

杨氏模量、剪切模量和泊松比均在相同时间使用共振超声光谱法测量，所述方法如ASTM E1875-00e1中所阐述进行。另外，在450℃下，在100％NaNO₃中进行玻璃的离子交换性质。离子交换过程在玻璃材料中赋予了压缩应力层，其增加了对该压缩应力层中的瑕疵的抗损伤性。所述测试以及测试条件是为了证明这些玻璃材料是可离子交换的。

表2

表2中的数据说明了前体玻璃具有极高的杨氏模量值。相比之下，普通的玻璃组合物的杨氏模量值仅为约75GPa。离子交换后的低重量变化是表示离子交换成功进行的一种方式。

实施例4——玻璃陶瓷组合物性质

在形成并测试了如实施例1-3所述的前体玻璃后，使前体玻璃经受下述热处理(即，陶瓷化)：(a)以5℃/分钟从室温(RT)至成核步骤温度的第一升温；(b)在成核步骤温度下进行第一等温保持，持续第一预定时间；(c)以5℃/分钟从成核步骤温度到结晶步骤温度的第二升温；(d)在结晶步骤温度下进行第二等温保持，持续第二预定时间；以及(e)在炉内以自然冷却速率从结晶步骤温度最后冷却到室温。

表3-6示出了由于陶瓷化处理所形成的玻璃陶瓷的性质。如上文实施例3中所述进行玻璃陶瓷的表征——杨氏模量、剪切模量、泊松比和离子交换能力。根据ASTM C1421-10，使用本领域已知的方法测量断裂韧度，例如，使用v形切槽、短棒、切槽梁等来测量。如本公开所述，断裂韧度值(K_1C)是指通过v形切槽短棒(CNSB)方法测量的值。维氏硬度通过维氏压头和200g载荷来测量。

表3

表4

表5

表6

实施例5——背散射扫描电子显微技术

图1A至图1I例示了仅含Li的玻璃陶瓷微结构的背散射扫描电子显微技术(SEM)图像，其概括于下表7。

表7

随着本体组合物中的成核剂(TiO₂)的量增加，成核和得到的结晶变得更均匀(即，结晶——及得到的微结构——在样品材料的测试区域上一致)。例如，图1B不如图1C那么均匀。例如，在对图1A和图1C进行比较时(二者均保持850℃的成核温度2小时，以及保持950℃的结晶温度4小时)，即使样品A和D均具有相似的杨氏模量(A:159.8GPa；D:157.3GPa)和断裂韧度(A:2.07MPa*√m；D:2.03MPa*√m)，每一者的微结构是独特且不同的。样品A的大的针状和球状结构可能促进具有极高的断裂韧度值。样品A包含的TiO₂成核剂的量是样品D的一半。换言之，样品A(图1A)显示出的结构具有许多随机的，带交叉阴影的结构，该结构快速生长，并且鉴于其在材料中的随机位置，成核得不好。相较之下，样品D(图1D)的TiO₂成核剂的量是样品A的两倍，由于成核增加，其具有更细、更一致且均匀的结构。在对图1B和图1D进行比较时观察到了相似的趋势(二者均保持850℃的成核温度2小时，以及保持1050℃的结晶温度4小时)。

图2A和2B例示了仅含Na的玻璃陶瓷微结构的背散射SEM图像，其概括在下表8中。

表8

相比于仅含Li的组合物(例如，表7中的那些)，样品E的微结构是独特的。对于仅含Na的玻璃陶瓷微结构，由于结晶温度从图2A增加到2B而导致的结构差异不像仅含Li的玻璃陶瓷微结构那么大。例如，850℃成核/2小时及950℃结晶/4小时的陶瓷化方案的杨氏模量为119GPa，对比当在850℃成核/2小时及1050℃结晶/4小时的陶瓷化时的134GPa，仅增加了约13％。这可能是由于两相结晶(不那么强)和较弱的微结构所致。

图3A和3B例示了含有混合碱金属(例如，含Li且含Na)的玻璃陶瓷微结构的背散射SEM图像，如下表9中总结的。图3A的微结构比图3B的微结构尺寸细得多。

表9

如所预计的，测得的强度性质介于仅含Li的组合物与仅含Na的组合物之间：样品D(仅含Li)的杨氏模量：157.3GPa至174GPa，样品E(仅含Na)：119GPa至134GPa，并且样品I(含Li且含Na)：142GPa至148GPa。然而，微结构显著不同于仅含Li的组合物和仅含Na的组合物中的任一种。

图4例示了含有高SiO₂(50.0摩尔％)、低Al₂O₃(18.0摩尔％)和低ZrO₂(4.0摩尔％)的玻璃陶瓷微结构的背散射SEM图像。具体地，图4示出了样品J，其在850℃的成核温度下/2小时以及在950℃的结晶温度下/4小时进行陶瓷化。样品J的微结构与图1A-3B中所述的微结构明显不同，因为其具有显著更多的球状和针状。

因此，如本文所述，公开了具有可预测、优异机械性质的新型玻璃和玻璃陶瓷组合物。本文公开的玻璃组合物的机械和弹性属性优于许多商购玻璃组合物。例如，手持式装置、存储磁盘和纤维应用中常用的组合物的杨氏模量为约65GPa至75GPa，而本文公开的玻璃组合物的杨氏模量范围显著更高，其在107GPa至126GPa之间。这些值足够得高，使得所公开的玻璃陶瓷的前体玻璃与许多透明玻璃陶瓷具有竞争性，这对于完全无定形材料而言是一项显著的成就。另外，本申请的前体玻璃组合物可以经过化学强化(如初步的增重数据所指示)，同时还具有高的断裂韧度和硬度。

在热处理后，玻璃组合物变得不透明，形成了在机械学上比前体玻璃甚至更有利(即，具有更高的模量值)的白色玻璃陶瓷。取决于组成和陶瓷化方案，玻璃陶瓷的杨氏模量值范围为119GPa至177GPa。断裂韧度通常与杨氏模量成比例，这提示这些材料也具有高的断裂韧度，因此，相比于断裂韧度值较低的材料(例如，更为普通的玻璃)，其对给定的瑕疵尺寸规模具有改进的强度。最后，这些材料的硬度也高——维氏硬度范围从868kgf/mm²至1192kgf/mm²。相比之下，普通玻璃的维氏硬度在550kgf/mm²至700kgf/mm²的范围内。

此外，本文提供的玻璃陶瓷可经过化学强化，这使失效前表面瑕疵可穿透的深度增加。在450℃(对于玻璃陶瓷是低温)下仅4小时和8小时后，重量增加0.07％-0.29％至0.09％-0.38％。在更高的温度和更长的时间下将发生更多的离子交换，从而得到甚至更高的表面压缩应力，并因此使得具有更高的抗损伤性。该抗损伤性对于采用玻璃/玻璃陶瓷保护盖板的手持式装置应用来说是至关重要。

文中所用的术语“和/或”在用于两项或更多项的罗列时，表示所列项中的任何一项可以单独使用，或者可以使用所列项中的两项或更多项的任意组合。例如，如果描述一种组合物含有组分A、B和/或C，则该组合物可只含有A；只含有B；只含有C；含有A和B的组合；含有A和C的组合；含有B和C的组合；或含有A、B和C的组合。

本文提及的元件位置(例如，“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”、“第一”、“第二”等)仅用于描述附图中各个元件的取向。应注意的是，各个元件的取向可以根据其他示例性实施方式而有所不同，并且这种改变旨在涵盖在本公开的范围内。另外，这些相对的术语仅用于区分一个实体或行为与另一个实体或行为，而非必须要求或暗示这些实体或行为之间的任何实际的这种关系或顺序。

本领域技术人员和作出或使用本公开的技术人员能够对本公开进行修改。因此，应理解，附图所示和上文所述的实施方式仅用于例示的目的，并且不旨在限制本公开的范围，根据专利法的原则(包括等同原则)所解释的，本公开的范围由所附权利要求限定。

本领域普通技术人员应理解，所述公开和其他部件的构造不限于任何特定材料。除非本文有另外说明，否则本文所公开的本公开的其他示例性实施方式可以由各种材料形成。

如本文所使用的，术语“大约”、“约”、“基本上”和类似术语旨在具有与本公开主题所涉及的领域中的普通技术人员通常可接受的用法相一致的广泛含义。审阅本公开的本领域技术人员应当理解，这些术语旨在允许对所述及要求保护的某些特征进行描述而不是将这些特征的范围限制于所提供的精确数值范围。因此，这些术语应被解释为表示所述及要求保护的主题的非实质性或微小的修改或变更被认为是在所附权利要求书中所述的本发明的范围内。换言之，术语“约”、“大约”等意味着量、尺寸、公式、参数和其他数量和特征不是精确的且无需精确的，但可按照要求是大致的和/或更大或者更小，如反映公差、转化因子、四舍五入、测量误差等，以及本领域技术人员所知的其他因子。

因此，“不含”或“基本不含”某组分的玻璃是指不向该玻璃中主动添加或配入该组分，但其可作为污染物以极少的量[例如百万份分之500份(500ppm)、400ppm、300ppm、200ppm或100ppm或更低]存在的玻璃。

如本文中所使用的，“任选的”或“任选地”等旨在表示随后描述的事件或情况可能发生或者可能不发生，并且该描述包括所述事件或情况发生的实例及不发生的实例。除非另外说明，否则，本文所用的修饰语“一个”、“一种”及其相应的修饰语“该(所述)”意为“至少一(个/种)”或者“一(个/种)或多(个/种)”。

对于本文中使用的基本上任何的复数和/或单数术语，本领域技术人员可以适当地从复数转换为单数形式和/或从单数转换为复数形式，只要其适用于上下文和/或应用。为了清楚起见，可以在本文中明确说明各种单数/复数排列。

除非另有说明，否则所有组合物都以配料时的摩尔百分数(摩尔％)表示。本领域普通技术人员应理解，各种熔化成分(例如，硅、基于碱金属或碱土金属的、硼等)在成分熔化期间可能受到不同程度的挥发(例如，根据蒸气压、熔化时间和/或熔化温度而变化)。因此，相对于这些成分使用的配料时的摩尔百分比值旨在涵盖最终、熔化时的制品中的这些成分±0.5重量％以内的值。出于上述考虑，预计最终制品和配料时的组合物之间的组成基本等同。例如，预计前体玻璃与热处理(陶瓷化)步骤后的玻璃陶瓷之间的组成基本等同。

对本领域的技术人员显而易见的是，可以在不偏离所要求保护的主题的精神或范围的情况下进行各种修改和变动。因此，所要求保护的主题不受所附权利要求书及其等同形式以外的任何内容所限。