改善玻璃制品強度的方法
【專利摘要】一種改善化學強化玻璃制品強度的方法，所述方法包括把玻璃制品的目標表面暴露于離子交換強化過程，該離子交換強化過程在玻璃制品中產生化學誘導壓縮層。然后，執(zhí)行用剪切的磁流變流體動態(tài)界面化玻璃制品的目標表面，以從玻璃制品除去至少一部分的化學誘導壓縮層，其中用剪切的磁流變流體動態(tài)界面化玻璃制品的參數(shù)是這樣的：化學誘導壓縮層的除去部分的厚度小于約20％的所述化學誘導壓縮層。
【專利說明】改善玻璃制品強度的方法
[0001] 本申請根據(jù)35USC119要求于2011年11月28日提交的美國專利申請序列 No. 61/563, 910的優(yōu)先權，本文以該申請為基礎并將其全文通過引用結合于此。 背景
[0002] 本發(fā)明涉及改善玻璃制品強度的方法。 簡述
[0003] 強化玻璃可用于許多應用，包括例如大尺寸顯示器、手持顯示器、觸摸屏顯示器 等。強化后，玻璃是相對強的。但是，在某些情況下，甚至在強化后，制造、加工和處理玻璃可 產生影響性能的小的表面瑕疵。根據(jù)本發(fā)明的主題內容，描述了改善玻璃制品強度的方法， 其中通過除去一定量的玻璃材料，以把任何表面缺陷施加到玻璃制品的至少一種表面上的 數(shù)量和影響降到最小。
[0004] 根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，描述了一種改善化學強化玻璃制品的強度的方法， 所述方法包括：把玻璃制品的目標表面暴露于離子交換強化過程，所述離子交換強化過程 在玻璃制品中產生化學誘導壓縮層；以及用剪切的磁流變流體動態(tài)界面化玻璃制品的目標 表面，以從該玻璃制品除去至少部分的化學誘導壓縮層，其中用該剪切的磁流變流體動態(tài) 界面化所述玻璃制品的參數(shù)是這樣的：化學誘導壓縮層的除去部分的厚度小于約20%的 化學誘導壓縮層。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式，描述了一種改善熱學強化玻璃制品的強度的方 法，所述方法包括：把玻璃制品的目標表面暴露于非化學強化過程，所述強化過程在玻璃制 品中產生熱學誘導壓縮層；以及用剪切的磁流變流體動態(tài)界面化玻璃制品的目標表面，以 從該玻璃制品除去至少部分的熱學誘導壓縮層，其中用該剪切的磁流變流體動態(tài)界面化所 述玻璃制品的參數(shù)是這樣的：熱學誘導壓縮層的除去部分的厚度小于約20%的熱學誘導 壓縮層。
[0006] 還根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式，描述了一種改善玻璃制品的強度的方法，所述 方法包括：確定具有至少一種可檢測的缺陷的所述玻璃制品的目標表面；以及，用剪切的 磁流變流體動態(tài)界面化所述目標表面，以從所述玻璃制品除去至少一部分的目標表面和至 少一部分的所述至少一種可檢測的缺陷，其中用所述剪切的磁流變流體動態(tài)界面化所述玻 璃制品的參數(shù)是這樣的：從該目標表面除去約1微米的厚度。 附圖的一些方面的簡要說明
[0007] 結合下述附圖閱讀以下關于【具體實施方式】的詳述，可以最好地理解本發(fā)明：
[0008] 圖1是改善化學強化玻璃制品的強度的方法的示意圖。 詳細描述
[0009] 本發(fā)明介紹了改善玻璃制品強度的方法。總體來說，設想的方法包括強化過程和 磁流變流體（MRF)加工步驟。如下文所進一步描述，一實施方式描述了一種方法，其中所述 強化過程可包括在玻璃制品中提供壓縮層（或多層壓縮層）的非化學過程。在另一種實施 方式中，所述強化過程可包括在玻璃制品中提供壓縮層（或多層壓縮層）的化學過程。為了 清楚和統(tǒng)一，通過其中一種方法賦予到玻璃制品上的壓縮層分別稱為熱學誘導壓縮層（非 化學強化）或者化學誘導壓縮層（化學強化）。還進一步設想的實施方式更總體地涉及玻 璃制品，而不管所述一種或更多種玻璃制品已被化學強化或者熱學強化。
[0010] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的、改善化學強化玻璃制品的強度的方法的示意圖。圖1的示 意圖僅作為說明性目的，而不應理解為限制本發(fā)明設想的加工參數(shù)的變化。設想的化學強 化玻璃制品的方法包括，但不限于：離子交換強化過程和磁流變流體（MRF)加工步驟。 [0011] 一般地，離子交換是一種化學強化方法，其中用在鹽浴溶液中提供的更大的堿金 屬離子交換目標表面上的堿金屬離子。大離子"填充"進入目標表面區(qū)域，構建壓縮狀態(tài)。 這里，把玻璃置于約300°C溫度下的熱熔鹽浴中。玻璃中更小的鈉離子遷移進入離子化的 溶液，且鹽浴中更大的鉀離子遷移進入玻璃并取代鈉離子。如圖1所示，這些更大的鉀離子 占據(jù)更多的空間，且當玻璃冷卻時這些鉀離子擠壓在一起，在玻璃制品10的表面產生壓縮 層16并在玻璃的次表層（subsurface)中產生拉伸層18,該拉伸層在壓縮層16上施加向 外的偏置力。這種壓縮構建了具有增加強度的表面。一種可替換的化學強化方法包括于約 450°C下在鈉鹽浴中用鈉離子飽和玻璃制品，然后進行如上所述的離子交換過程。
[0012] 本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)壓縮層16通常會包括瑕疵、碎屑、斷裂、裂紋、刮擦、缺陷或 其組合，這些可在成形、加工和/或中間強化過程中產生。為了解決這些潛在的失效來源， 參考圖1，用剪切的磁流變流體（MRF)動態(tài)界面化（dynamically interface)玻璃制品的目 標表面12, 14,以從玻璃制品10上除去至少一部分的化學誘導壓縮層16。對于大多數(shù)形式 的玻璃制品而言，用剪切的磁流變流體動態(tài)界面化所述玻璃制品的參數(shù)是這樣的：化學誘 導壓縮層16的除去部分的厚度小于約20%的壓縮層16。
[0013] 或者，設想了可把玻璃制品的一種或更多種目標表面暴露于非化學過程，通常是 以基于熱處理的形式，例如回火（tempering)。在另一種實施例中，與圖1所述類似，例如通 過把玻璃制品10暴露于加熱的堿金屬鹽浴20,來把玻璃制品10的一種或更多種目標表面 12和/或14暴露于離子交換強化過程，從而在玻璃制品10中形成一種或更多種化學誘導 壓縮層16。離子交換強化過程和熱強化過程的具體參數(shù)超越了本發(fā)明的范圍，且可從與該 主題相關的多種易于獲得的教導中收集?；蛘?，可使用商業(yè)上可獲得的離子交換強化或熱 強化過程。
[0014] 設想了后續(xù)地可在壓力下用剪切的MRF界面化玻璃制品10的目標表面12和/或 14,以從玻璃制品10除去至少一部分的化學誘導壓縮層16,而不管該壓縮層是化學引入的 還是非化學引入的。設想了"剪切"的MRF是在施加了磁場名下的任意MRF，其大小和構造 將根據(jù)玻璃制品10、MRF和相關的操作部件的特定構造和性質而變化。
[0015] 在操作中和根據(jù)所述實施方式，一種或更多種方法使用磁流變精磨設備40,并在 那里用MRF界面化玻璃制品10。例如，設想了 MRF設備40可包括可編程的硬件，并可編程 為放置玻璃制品并響應手動或自動的命令，提供玻璃制品和MRF設備40的精磨頭的相對運 動（如旋轉或者光柵運動）。例如，該設備可包括選定的旋轉球或輪子、以及設置在輪子表 面下方的電磁鐵。電磁鐵提供不同程度的場梯度。響應施加的場，MRF的磨粒在位于或接 近MRF的表面處濃縮，并物理性地與目標表面接觸，以除去或修飾玻璃制品10上存在的缺 陷。MRF可包括多種磨粒，一些示例包括基于金剛石的流體或者基于氧化鋪的流體。
[0016] 在許多實施方式中，選定用剪切MRF的動態(tài)界面化玻璃制品的參數(shù)，以優(yōu)化從玻 璃制品10中修飾和/或除去缺陷。此外，可進行修飾和/或除去缺陷，但不在一種或更多 種目標表面上引入或賦予任何額外的一種或更多種缺陷。這種參數(shù)包括：除去部分的化學 誘導壓縮層16的厚度大于約0. 1微米。還在設想的另一實施方式中，除去部分的化學誘導 壓縮層16的厚度在約1微米的量級，或者具體來說，在約0. 5微米和約1微米之間。在其 他實施方式中，設想了可除去最高達約1. 5微米的化學誘導壓縮層16的厚度。
[0017] 構思了通過增加的除去深度，可增強改善的表面強度。還構思了可根據(jù)用于循環(huán) 時間的一種或更多種公差（tolerance)和總體改善時間標準，來取得更大的除去深度。假 定玻璃制品的厚度為X，構思了將除去小于1%的玻璃制品的總平均厚度。根據(jù)與現(xiàn)有機械 設備集成的可用系統(tǒng)，一種或更多種修飾和/或除去步驟可以是自動的或者程序化的。所 述一或更多步驟的方法和/或結果可以是一樣的，需要時產生增加的幾何精確性。
[0018] 可執(zhí)行本發(fā)明的強化方法來改善化學強化玻璃制品的強度，而不使用任何化學蝕 刻步驟，且剪切MRF可以是完全非酸性的。
[0019] 本發(fā)明的強化方法非常適于下述：玻璃制品包括基本上平坦的顯示平面，在該情 況下亦是用剪切MRF動態(tài)界面化玻璃制品的參數(shù)。
[0020] 根據(jù)另一種實施方式，與熱處理的原則和上述提供的步驟相一致，一種改善熱學 強化玻璃制品的強度的方法包括：(a)把玻璃制品的目標表面暴露于熱學強化過程，所述 熱學強化過程在玻璃制品中產生熱學誘導壓縮層；以及（b)用剪切的磁流變流體動態(tài)界面 化玻璃制品的目標表面，以從該玻璃制品除去至少部分的熱學誘導壓縮層，其中用該剪切 的磁流變流體動態(tài)界面化所述玻璃制品的參數(shù)，即熱學誘導壓縮層的除去部分的厚度小于 約20 %的熱學誘導壓縮層。
[0021] 根據(jù)另一種實施方式，與上述的總體原則一致，一種改善玻璃制品中強度的方法 包括：(a)確定具有至少一種可檢測的缺陷的玻璃制品的目標表面，以及（b)在壓力下用剪 切的磁流變流體動態(tài)界面化所述目標表面，以從所述玻璃制品除去至少部分的目標表面和 至少部分的所述至少一種可檢測的缺陷。
[0022] 具體來說，設想了改善的玻璃制品可用作用于電子器件（包括電視、計算機顯示 器、移動電話）的顯示器，以及這些器件的互動界面，包括用于顯示器、電話和客服一體機 或終端的觸摸屏顯示器，只列舉了一些示例。
[0023] 設想了根據(jù)本發(fā)明的玻璃制品可包括多種材料和可用于多種應用。例如但不限 于，玻璃制品可包括下述非窮指的組合物，例如基于二氧化硅的玻璃、鈉鈣玻璃、聚合物玻 璃，包括基于玻璃陶瓷、丙烯酸、聚碳酸酯和聚乙烯的材料，以及金屬合金、離子熔體和分子 液體。此外，本文設想的玻璃制品可包括通常應用于平面玻璃、容器玻璃、一或更多網(wǎng)絡玻 璃、電解質和無定形金屬的材料。具體來說，玻璃制品可包括玻璃增強的材料（一種或更多 種塑料或者混凝土）、熱絕緣體、光學器件、光電子器件和玻璃藝術品。
[0024] 還設想了具有通過本文所述的方法及其變體賦予的改善的表面強度的物體的其 它示例可通用于下述領域：半導體制造、陶瓷制造和/或其它目前已知的材料制造或加工 方法，包括用于材料特征通常為硬和脆的應用。設想了把具有微米和納米結構尺寸、易于微 米和/或納米除去和/或修飾的材料和制品，作為適于所述一或更多方法及其變體的備選 者。
[0025] 在下述比較例中，制備的玻璃制品樣品具有50毫米x50毫米的尺寸和均勻的正方 形幾何結構。把修飾和/或除去的目標區(qū)域在正方形樣品上居中，且應用到包括30毫米 x30毫米的區(qū)域。除去的目標深度為1.5微米-2. 0微米。制備數(shù)量足夠多的樣品，以允許 進行本【技術領域】所公知和理解的環(huán)疊環(huán)測試（ring-on-ring test)和落球測試（ball drop test)。 實施例1-比較例的環(huán)疊環(huán)測試數(shù)據(jù)
[0026] 進行了 3種形式的表面強化，并通過環(huán)疊環(huán)方法測試了最大負載強度。組1是通 過離子交換（IX)過程強化的玻璃制品。組2是通過組合離子交換（IX)過程和應用磁流變 流體（MRF)強化的玻璃制品。對于組2, IX+MRF處理除去了深度為約1. 5微米-2. 0微米的 一層玻璃。組3是通過組合離子交換（IX)過程和應用氫氟酸（HF)蝕刻強化的玻璃制品。 表1-環(huán)疊環(huán)測試數(shù)據(jù)
【權利要求】
1. 一種改善化學強化玻璃制品強度的方法，所述方法包括： 把所述玻璃制品的目標表面暴露于離子交換強化過程，該離子交換強化過程在所述玻 璃制品中產生化學誘導壓縮層；以及 用剪切的磁流變流體動態(tài)界面化所述玻璃制品的目標表面，以從所述玻璃制品除去至 少一部分的化學誘導壓縮層，其中用所述剪切的磁流變流體動態(tài)界面化所述玻璃制品的參 數(shù)是這樣的：化學誘導壓縮層的除去部分的厚度小于約20%的所述化學誘導壓縮層。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，用所述剪切的磁流變流體動態(tài)界面化所述 玻璃制品的參數(shù)是這樣的：化學誘導壓縮層的除去部分的厚度在約1微米的量級。
3. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，用所述剪切的磁流變流體動態(tài)界面化所述 玻璃制品的參數(shù)是這樣的：除去約〇. 5微米和約1微米之間厚度的化學誘導壓縮層。
4. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，用所述剪切的磁流變流體動態(tài)界面化所述 玻璃制品的參數(shù)是這樣的：化學誘導壓縮層的除去部分的厚度最高達約1. 5微米。
5. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，用所述剪切的磁流變流體動態(tài)界面化所述 玻璃制品的參數(shù)是這樣的：除去所述玻璃制品的小于1%的總平均厚度。
6. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，改善化學強化玻璃制品強度的方法基本上 不含任何化學蝕刻步驟。
7. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述剪切的磁流變流體是非酸性的。
8. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述層包括瑕疵、碎屑、斷裂、裂紋、刮擦、缺 陷或其組合。
9. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述離子交換過程包括把所述玻璃制品暴 露于加熱的堿金屬鹽浴，從而在所述玻璃制品中形成化學誘導壓縮層。
10. 如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述加熱的堿金屬鹽浴包括鉀，且所述玻 璃制品包括納。
11. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述離子交換過程的特征是鈉和鉀的交 換。
12. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括： 把所述玻璃制品的多個目標表面暴露于離子交換強化過程；以及 用剪切的磁流變流體動態(tài)界面化所述玻璃制品的目標表面，以從所述玻璃制品除去至 少一部分的化學誘導壓縮層。
13. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃制品包括基本上平坦的顯示表 面。
14. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃制品分別在該玻璃制品的主表面 上包括壓縮層和在該玻璃制品的次表層中包括拉伸層，所述拉伸層施加力來平衡通過該壓 縮層施加的力。
15. 如權利要求1所述的方法，其特征在于： 用所述剪切的磁流變流體動態(tài)界面化所述玻璃制品的參數(shù)是這樣的：除去約〇. 5微米 和約1微米之間厚度的化學誘導壓縮層； 所述玻璃制品基本上不含任何化學蝕刻；以及 所述剪切的磁流變流體是非酸性的。
16. -種改善熱學強化玻璃制品強度的方法，所述方法包括： 把所述玻璃制品的目標表面暴露于非化學強化過程，所述強化過程在所述玻璃制品中 產生熱學誘導壓縮層；以及 用剪切的磁流變流體動態(tài)界面化所述玻璃制品的目標表面，以從所述玻璃制品除去至 少一部分的熱學誘導壓縮層，其中用所述剪切的磁流變流體動態(tài)界面化所述玻璃制品的參 數(shù)是這樣的：熱學誘導壓縮層的除去部分的厚度小于約20%的所述熱學誘導壓縮層。
17. 如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述非化學強化過程包括回火過程。
18. -種改善玻璃制品強度的方法，所述方法包括： 確定具有至少一種可檢測的缺陷的所述玻璃制品的目標表面； 用剪切的磁流變流體動態(tài)界面化所述目標表面，以從所述玻璃制品除去至少一部分的 目標表面和至少一部分的所述至少一種可檢測的缺陷，其中用所述剪切的磁流變流體動態(tài) 界面化所述玻璃制品的參數(shù)是這樣的：從該目標表面除去約1微米的厚度。
19. 如權利要求18所述的方法，其特征在于，從所述目標表面除去約0. 5微米和約1微 米之間的厚度。
【文檔編號】C01B33/38GK104144877SQ201280057470
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2012年11月20日 優(yōu)先權日:2011年11月28日
【發(fā)明者】G·S·格萊澤曼, A·B·肖瑞, D·D·斯特朗, D·A·特瑪羅 申請人:康寧股份有限公司