本申請(qǐng)要求2014年10月22日提交的美國專利申請(qǐng)?zhí)?2/067172的優(yōu)先權(quán),其全部內(nèi)容通過引用納入本文。
背景
本說明書總體上涉及層壓玻璃制品,更具體而言,涉及具有能夠進(jìn)行離子交換的包層和不能進(jìn)行離子交換的芯體的層壓玻璃制品。
背景技術(shù):
便攜式電子裝置產(chǎn)業(yè),例如智能手機(jī)和平板電腦正不斷壯大。盡管使用了經(jīng)過化學(xué)強(qiáng)化的玻璃作為便攜裝置的蓋板玻璃,但是蓋板玻璃的破裂仍然是該產(chǎn)業(yè)中遇到的問題。利用諸如化學(xué)強(qiáng)化這樣的方法來增加玻璃強(qiáng)度可能導(dǎo)致當(dāng)層壓玻璃制品中的應(yīng)力變得過高時(shí),在這些層壓玻璃制品中產(chǎn)生易碎性問題。
所以,仍然需要具有增強(qiáng)的耐損壞性且不易碎的強(qiáng)化玻璃制品。
發(fā)明概述
一種實(shí)施方式涉及一種層壓玻璃制品,其包含芯體層和包層,所述芯體層包含不能進(jìn)行離子交換的玻璃,所述包層包含能夠進(jìn)行離子交換的玻璃。根據(jù)一些實(shí)施方式的層壓玻璃制品的包層中的最大壓縮應(yīng)力約為0.05gpa~約0.7gpa,且與芯體層直接相鄰的包層的內(nèi)表面處的壓縮應(yīng)力為該包層的外表面處的壓縮應(yīng)力的約20%~約45%。層壓玻璃制品的包層中的應(yīng)力曲線的斜率基本上呈線性。
第二種實(shí)施方式涉及一種層壓玻璃制品的制造方法,其包括用包層對(duì)芯體層進(jìn)行層壓,所述芯體層包含不能進(jìn)行離子交換的玻璃,所述包層包含能夠進(jìn)行離子交換的玻璃;以及對(duì)該層壓玻璃制品進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化。制造層壓玻璃制品以使包層中的最大壓縮應(yīng)力約為0.05gpa~約0.7gpa,且與芯體層直接相鄰的包層的內(nèi)表面處的壓縮應(yīng)力為該包層的與所述內(nèi)表面相反的外表面處的壓縮應(yīng)力的約20%~約45%。包層中的應(yīng)力曲線的斜率基本上呈線性。
在以下的詳細(xì)描述中給出了本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點(diǎn),通過所作的描述,其中的部分特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是顯而易見的,或者通過實(shí)施包括以下詳細(xì)描述、權(quán)利要求書以及附圖在內(nèi)的本文所描述的實(shí)施方式而被認(rèn)識(shí)。
應(yīng)理解,前面的一般性描述和以下的詳細(xì)描述都描述了各種實(shí)施方式且都旨在提供用于理解所要求保護(hù)的主題的性質(zhì)和特性的總體評(píng)述或框架。包括的附圖提供了對(duì)各種實(shí)施方式的進(jìn)一步理解,附圖并入本說明書中并構(gòu)成說明書的一部分。附圖例示了本文所描述的各種實(shí)施方式,且與描述一起用于解釋所要求保護(hù)的主題的原理和操作。
附圖的簡要說明
圖1示意性地描繪了一種根據(jù)本文所公開和描述的實(shí)施方式的具有三層的層壓玻璃制品;
圖2示意性地描繪了一種用于形成根據(jù)本文所公開和描述的實(shí)施方式的層壓玻璃制品的設(shè)備;
圖3示意性地描繪了一種用于形成根據(jù)本文所公開和描述的實(shí)施方式的具有三層的層壓玻璃制品的設(shè)備;
圖4示意性地描繪了具有厚度約為50μm的壓縮應(yīng)力層的玻璃制品的應(yīng)力曲線;
圖5示意性地描繪了具有厚度約為100μm的壓縮應(yīng)力層的玻璃制品的應(yīng)力曲線;以及
圖6是描繪利用常規(guī)離子交換工藝形成的層壓玻璃制品以及根據(jù)本文所公開和描述的實(shí)施方式形成的層壓玻璃制品的應(yīng)力曲線。
發(fā)明詳述
表面壓縮應(yīng)力和壓縮應(yīng)力層的深度(下文中稱為層深度或dol)常被用于表征經(jīng)過化學(xué)強(qiáng)化的玻璃。當(dāng)通過測量dol內(nèi)的壓縮應(yīng)力來計(jì)算上述壓縮曲線時(shí),以往認(rèn)為應(yīng)力曲線的形狀呈線性或補(bǔ)余誤差函數(shù)(complimentaryerrorfunction)。然而,通過按照本文所述對(duì)層壓玻璃制品進(jìn)行加工使得應(yīng)力曲線的形狀可控,并且能夠得到壓縮應(yīng)力延伸進(jìn)入制品深處(例如具有大dol)的層壓玻璃制品。
以往,為了提高強(qiáng)化玻璃的耐損壞性而進(jìn)行兩步離子交換工藝,但是兩步離子交換工藝通常包括離子交換浴濃度和溫度的復(fù)雜組合以避免不希望的表面張力。因此,兩步離子交換通常難以完美進(jìn)行且成本十分高昂。另外,也曾嘗試在低于玻璃的應(yīng)變點(diǎn)進(jìn)行熱處理來改善強(qiáng)化玻璃的耐損壞性,但是該附加的熱處理增加了形成玻璃的成本以及復(fù)雜性。
本文所述的實(shí)施方式通過形成包含能夠進(jìn)行離子交換處理的包層和不能進(jìn)行離子交換的芯體層的層壓玻璃制品來解決上述問題。另外,根據(jù)一些實(shí)施方式,進(jìn)行離子交換過程以使得高壓縮應(yīng)力的存在深入玻璃制品。
層壓玻璃制品通常包含兩個(gè)或更多個(gè)玻璃層,這些玻璃層熔合在一起以形成單一、統(tǒng)一的主體。在一些實(shí)施方式中,層壓玻璃制品包含玻璃板。該玻璃片可基本上是平面的(例如平坦的)或非平面的(例如彎曲的)。在另一些實(shí)施方式中,層壓玻璃制品包含具有三維(3d)形狀的經(jīng)過成形或塑形的玻璃制品。例如,經(jīng)過成形的玻璃制品可通過對(duì)玻璃片進(jìn)行模塑或塑形來提供所需的3d形狀。
根據(jù)一些實(shí)施方式的層壓玻璃制品的結(jié)構(gòu)示于圖1,圖1示意性地描繪了一種具有三層的層壓玻璃制品。在各種實(shí)施方式中,玻璃層可包含玻璃材料、玻璃陶瓷材料或它們的組合。在圖1所示的實(shí)施方式中,層壓玻璃制品100包含芯體層110以及包層121a和121b。在圖1所示的實(shí)施方式中,包層121a和121b具有基本上相同或相同的厚度。然而,應(yīng)當(dāng)理解的是,圖1中的芯體層110以及包層121a以及121b的尺寸僅是示例性的,在另一些實(shí)施方式中可使用各種厚度。在一些實(shí)施方式中,芯體層110包含基本上不能進(jìn)行離子交換或者不能進(jìn)行離子交換的玻璃(即非可離子交換玻璃),例如不含或基本上不含堿金屬的玻璃。例如,芯體層110的玻璃包含最多約1摩爾%、最多約0.5摩爾%、最多約0.2摩爾%、或最多約0.1摩爾%的堿金屬。例如,基本上不能進(jìn)行離子交換或不能進(jìn)行離子交換的玻璃包括eagle
在一些實(shí)施方式中,包層121a與芯體層110之間的界面和/或包層121b與芯體層110之間的界面(或者其它相鄰玻璃層之間的界面)不含任何粘合材料,例如粘合劑、涂層或任何被添加或配置以使各玻璃層彼此粘合的非玻璃材料。因此,包層121a和121b被直接熔合或施用在芯體層110上,或者與玻璃芯體層110直接相鄰。在一些實(shí)施方式中,層壓玻璃制品包含一個(gè)或多個(gè)配置在芯體層110與包層121a和121b之間的中間層。例如,中間層可包含(例如通過將玻璃芯體和包層的一種或多種組分?jǐn)U散入擴(kuò)散層中)在芯體層110與包層121a和121b的界面處形成的中間玻璃層和/或擴(kuò)散層。在一些實(shí)施方式中,層壓玻璃制品包含玻璃-玻璃層壓件(例如原位熔合的多層玻璃-玻璃層壓件),其中,直接相鄰的玻璃層之間的界面是玻璃-玻璃界面。
一些實(shí)施方式的層壓玻璃制品,例如上述的層壓玻璃制品100可通過使用溢流熔合法來形成,例如美國專利號(hào)4214886中所述的方法,上述文獻(xiàn)通過引用全文納入本文。
現(xiàn)在參考圖2和3,顯示了用于形成層壓玻璃的設(shè)備200的實(shí)施方式。設(shè)備200包括置于下分配器222正上方的上分配器212。上分配器212具有沿縱向形成的通道214,其沿縱向由側(cè)壁215限定,所述通道214包含沿縱向直線延伸且在它們的下端部218終止的上壩或上堰表面216和側(cè)壁表面217,所述下端部218與下分配器222隔開且位于后者的上方。通道214具有傾斜的底表面219,其從由玻璃遞送管道220供料的分配器入口端向上逐漸減小至位于該分配器相反端處的堰表面216。一對(duì)端壩221延伸通過通道214,對(duì)從通道214溢出的溢流的縱向范圍進(jìn)行限定。
下分配器222還具有向上開口且縱向延伸的溢流通道224,其由具有沿縱向延伸的直線上堰或壩表面226以及基本上垂直的外側(cè)壁227的側(cè)壁225限定。通道224具有傾斜的底表面229,其從由玻璃遞送管道230供料的入口端向上延伸至位于該分配器222相反端處的上堰表面226。一對(duì)延伸通過溢流通道224的端部的端壩231不僅限制了堰表面226上方的縱向流動(dòng),還在上分配器212的外側(cè)壁表面217的底部邊緣218與下分配器222的上堰或壩表面226之間提供了最小的空間,使得玻璃能夠從下分配器中溢出。對(duì)上分配器和下分配器進(jìn)行獨(dú)立供料,并可根據(jù)需要調(diào)整它們的相對(duì)位置。應(yīng)當(dāng)注意的是,上分配器212的側(cè)壁215的下邊緣218與下分配器222的上堰表面226基本上平行。
下分配器222具有形成部件232的楔形板玻璃,所述部件232具有一對(duì)向下會(huì)聚的成形表面224,所述成形表面224在它們的上端部處與外側(cè)壁表面227的下端部228交匯,并且在它們的根部或拉制線236中的下端部處會(huì)聚終止。
在圖2和3所示的設(shè)備的操作中,利用玻璃遞送管道230將熔融的芯體層玻璃110遞送至通道224的入口端。將芯體層玻璃110的有效落差保持在低位,從而熔融材料不會(huì)在洶涌或攪動(dòng)的狀態(tài)下流入通道224。熔融玻璃隨后向上涌出通道224的平行的上壩或上堰表面226,分流并向下流過各側(cè)壁225的外壁表面227,隨后沿著玻璃成形部232的相反設(shè)置的各會(huì)聚成形表面234向下流動(dòng)。同時(shí),利用玻璃遞送管道220將熔融的包層玻璃121遞送至通道214的入口端,其中,熔融材料涌出通道214的平行的上壩或上堰表面216,分流并沿著各側(cè)壁215的各外側(cè)壁表面217向下流至芯體層110的上表面上,并沿著芯體層110的外表面部分240向下流動(dòng)。在楔形板成形部件232的底部,分離的層壓流體重新會(huì)聚以形成單一的復(fù)合物或具有芯體層110以及在芯體層110的各個(gè)側(cè)面上的包層121a和121b的層壓板100。
層壓玻璃制品100一旦形成,就可通過諸如離子交換處理這樣的化學(xué)強(qiáng)化工藝在層壓玻璃制品100中引入壓縮應(yīng)力。在一些實(shí)施方式中,化學(xué)強(qiáng)化工藝包括離子交換處理,所述離子交換處理包括將層壓玻璃制品100浸入含有將要與玻璃基質(zhì)中的諸如na+或li+這樣的小離子進(jìn)行交換的諸如k+或na+這樣的大離子的熔融鹽浴中。如本文所用,“大離子”是指尺寸比玻璃基質(zhì)中原始存在的離子大的離子。例如,含有堿金屬的玻璃的離子交換可通過將層壓玻璃制品100浸入至少一種含有較大的堿金屬離子的諸如硝酸鹽、硫酸鹽和氯化物這樣的鹽的熔融鹽浴中來實(shí)現(xiàn)。在一些實(shí)施方式中,熔融鹽浴為熔融kno3、熔融nano3或它們的混合物。在一些實(shí)施方式中,熔融鹽浴的溫度約為380℃~約450℃,且浸沒時(shí)間約為2小時(shí)~約16小時(shí)。在另一些實(shí)施方式中,離子交換處理包括對(duì)層壓玻璃制品的一個(gè)或多個(gè)表面施用離子交換介質(zhì)。所述離子交換介質(zhì)包括溶液、糊料、凝膠或包含將要與玻璃基質(zhì)中的小離子進(jìn)行交換的大離子的其它合適介質(zhì)。通過在層壓玻璃表面處,用大離子交換玻璃基質(zhì)中的小離子,壓縮應(yīng)力隨著玻璃的冷卻而形成,且大離子被推擠至一起。這些壓縮表面導(dǎo)致了具有比非強(qiáng)化玻璃更高的耐損壞性的強(qiáng)化玻璃。
除了壓縮應(yīng)力值以外,dol也對(duì)層壓玻璃的強(qiáng)度具有影響。例如,部分或完全越過dol中(即更深入包層并比壓縮應(yīng)力層更接近芯體)的瑕疵或夾雜物不會(huì)處于壓縮應(yīng)力之下,并且可能導(dǎo)致玻璃制品中產(chǎn)生損傷裂紋。所以,可能希望具有大dol以使層壓玻璃制品的芯體附近的包層121a和121b中的瑕疵和夾雜物處于壓縮應(yīng)力之下,以使這些瑕疵較不容易導(dǎo)致玻璃制品中的損傷。因此,在一些實(shí)施方式中,dol與包層121a或121b的厚度相同或基本上相同。
在一些實(shí)施方式中,dol可約為8μm~約150μm,例如約10μm~約120μm。在另一些實(shí)施方式中,dol可約為15μm~約100μm,例如約20μm~約90μm。在另一些實(shí)施方式中,dol可約為25μm~約85μm,例如約30μm~約80μm。在另一些實(shí)施方式中,dol可約為35μm~約75μm,例如約40μm~約70μm。在一些實(shí)施方式中,dol約為45μm~約60μm。在一些實(shí)施方式中,dol可約為8μm~約80μm,例如約為10μm~約60μm,或甚至約為25μm~約50μm。
在一些實(shí)施方式中,包層121a和121b包含能夠進(jìn)行離子交換的玻璃,而芯體110則包含基本上不能進(jìn)行離子交換或不能進(jìn)行離子交換的玻璃。因此,來自于離子交換介質(zhì)的諸如k+和na+這樣的大離子會(huì)擴(kuò)散入包層121a和121b中,而基本上不會(huì)擴(kuò)散入芯體層110中。因?yàn)閬碜杂陔x子交換介質(zhì)的大離子基本上無法擴(kuò)散入芯體層110中,大離子會(huì)更加充分地填入包層121a和121b的玻璃基質(zhì)中,從而將高壓縮應(yīng)力形成入壓縮應(yīng)力層的深處。如本文所用,“進(jìn)入玻璃制品”、“進(jìn)入包層”或“進(jìn)入壓縮應(yīng)力層”是指從玻璃制品的外表面、包層或壓縮應(yīng)力層進(jìn)入玻璃制品的主體、包層或壓縮應(yīng)力層(即朝向包層的與芯體直接相鄰且與外表面相反的內(nèi)表面)的方向。
在一些實(shí)施方式中,層壓玻璃100的包層121a和121b的最大壓縮應(yīng)力可約為0.05gpa~約0.7gpa,例如約0.1gpa~約0.65gpa。在一些實(shí)施方式中,層壓玻璃的包層中的最大壓縮應(yīng)力可約為0.15gpa~約0.6gpa,例如約0.2gpa~約0.55gpa。在另一些實(shí)施方式中,層壓玻璃的包層中的最大壓縮應(yīng)力可約為0.25gpa~約0.5gpa,例如約0.3gpa~約0.45gpa。在另一些實(shí)施方式中,層壓玻璃的包層中的最大壓縮應(yīng)力可約為0.35gpa~約0.4gpa。
在上文所述的實(shí)施方式中,對(duì)層壓玻璃制品進(jìn)行離子交換過程以在層壓玻璃制品的包層121a和121b中形成壓縮應(yīng)力層。然而,對(duì)層壓玻璃制品進(jìn)行離子交換可能導(dǎo)致有關(guān)易碎特性的問題。無意受限于任何具體理論,認(rèn)為對(duì)層壓玻璃制品進(jìn)行離子交換過程會(huì)在包層表面造成高壓縮應(yīng)力值。包層表面的高壓縮應(yīng)力值與芯體層中的拉伸應(yīng)力的結(jié)合會(huì)導(dǎo)致芯體中出現(xiàn)高儲(chǔ)能。芯體內(nèi)的所述儲(chǔ)能會(huì)導(dǎo)致玻璃制品具有某些終端應(yīng)用可能無法接受的易碎特性。
易碎特性(本文中也稱為“易碎性”)是指玻璃的極端破碎行為,美國專利號(hào)8075999對(duì)其進(jìn)行了描述,該文獻(xiàn)通過引用全文納入本文。易碎特性是由層壓玻璃制品內(nèi)形成的多余的內(nèi)部張力或中心張力的結(jié)果,其使得層壓玻璃制品在破裂后產(chǎn)生強(qiáng)烈或劇烈的破碎。在經(jīng)過層壓或化學(xué)強(qiáng)化的玻璃制品中,當(dāng)層壓玻璃制品表面或外部區(qū)域中的壓縮應(yīng)力與層壓玻璃制品中心處的拉伸應(yīng)力的平衡提供足夠的能量導(dǎo)致多路裂紋分支化并且從制品射出或“投擲出”小的玻璃碎片和/或顆粒時(shí),就會(huì)發(fā)生易碎特性。上述射出的發(fā)生速度取決于層壓玻璃制品內(nèi)的作為中心張力儲(chǔ)存的多余能量。
玻璃制品的易碎性隨中心張力、dol和壓縮應(yīng)力而變化。具體而言,玻璃制品內(nèi)的中心張力可通過具有形狀是成補(bǔ)余誤差函數(shù)或形狀是線性的應(yīng)力曲線的玻璃的壓縮應(yīng)力來估計(jì)。在表面附近(即在100μm內(nèi))測量壓縮應(yīng)力,得到最大壓縮應(yīng)力值和測得的dol。壓縮應(yīng)力(cs)與中心張力(ct)的關(guān)系由式(1)給出:
ct≈(cs·dol)/(t-2dol)(1),
其中,t為玻璃制品的厚度。除非另有說明,否則本文中的中心張力ct和壓縮應(yīng)力cs以兆帕(mpa)表示,其中,厚度t和層深度dol以毫米表示。應(yīng)當(dāng)為玻璃制品中設(shè)計(jì)或提供的dol和壓縮應(yīng)力cs的最大值受到所述易碎特性的限制。因此,易碎特性是設(shè)計(jì)各種層壓玻璃制品時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的因素之一。
所以,在考慮壓縮應(yīng)力和dol這兩者的同時(shí),玻璃的中心張力可被設(shè)計(jì)成具有玻璃的臨界或閾值中心張力或更低以避免與另一個(gè)物體發(fā)生碰撞之后產(chǎn)生易碎性。閾值中心張力是基于通過試驗(yàn)觀察到的行為。閾值中心張力(tct)可以式(2)表示:
tct(mpa)=-38.7(mpa/mm)·ln(t)(mm)+48.2(mpa)(2)。
利用式(2),可對(duì)層壓玻璃制品的中心張力進(jìn)行控制,以使其不大于tct。
如式(1)所示,例如通過使用受污染的離子交換介質(zhì)降低壓縮應(yīng)力層中的壓縮應(yīng)力,這降低了層壓玻璃制品的中心張力。低于tct的中心張力將層壓玻璃制品的易碎性降至大多數(shù)用途可接受的點(diǎn)。在一些實(shí)施方式中,層壓玻璃制品的中心張力約為30mpa~約50mpa,例如約為35mpa~約45mpa。在其他實(shí)施方式中,層壓玻璃制品的中心張力約為40mpa。
如上所述,可通過限制壓縮應(yīng)力層中的壓縮應(yīng)力值以及/或者通過限制dol來控制玻璃制品的中心張力。然而,如式(1)所示,層壓玻璃制品的壓縮應(yīng)力值與中心張力之間存在直接關(guān)聯(lián),而層壓玻璃制品的dol與中心張力之間存在間接關(guān)聯(lián)。因此,在一些實(shí)施方式中,可能希望降低壓縮應(yīng)力值,以使層壓玻璃制品的中心張力小于tct。根據(jù)一些實(shí)施方式,實(shí)現(xiàn)較低的壓縮應(yīng)力值的一種方法是用受污染的離子交換介質(zhì)來進(jìn)行離子交換過程。
受污染的離子交換介質(zhì)是含有尺寸與層壓玻璃制品的玻璃基質(zhì)中的離子相同或更小的離子的離子交換介質(zhì)。例如,如果來自于離子交換介質(zhì)的k+離子將要與層壓玻璃制品中的na+離子交換,則受污染的離子交換介質(zhì)可含有l(wèi)i+、na+和k+離子。因?yàn)殡x子交換介質(zhì)中的k+離子的濃度低于其在未污染的離子交換介質(zhì)中的濃度,因此在受污染的離子交換介質(zhì)中存在較少的用于交換入玻璃介質(zhì)以與較小的na+離子進(jìn)行交換的大的k+離子。因此,壓縮應(yīng)力層的壓縮應(yīng)力值會(huì)隨著用于交換玻璃基質(zhì)中的na+離子的k+離子的數(shù)量的減少而降低。在一些實(shí)施方式中,受污染的離子交換介質(zhì)是通過對(duì)曾經(jīng)在離子交換過程中使用過的離子交換介質(zhì)進(jìn)行重新利用來得到的。例如,可最初先將純kno3的熔融浴用作離子交換介質(zhì),用于將來自于離子交換介質(zhì)的k+離子交換玻璃基質(zhì)中的na+離子。在該初始使用之后,該熔融鹽浴會(huì)受到污染,并且包含未在初始離子交換中使用的k+離子以及在初始離子交換過程中從玻璃基質(zhì)中除去的na+離子。因此,該使用過的受污染的離子交換介質(zhì)可被用作一些實(shí)施方式中的離子交換介質(zhì)。
或者,在另一些實(shí)施方式中,受污染的離子交換介質(zhì)可通過將不同的硝酸鹽、硫酸鹽或磷酸鹽混合在一起(例如kno3和nano3的混合物)來形成。受污染的離子交換浴中的組分的百分比可根據(jù)所需的壓縮應(yīng)力值而改變。離子交換介質(zhì)中的大離子的濃度越低,層壓玻璃制品的壓縮應(yīng)力層中的壓縮應(yīng)力值就越低。在一些實(shí)施方式中,離子交換介質(zhì)中的大離子(例如k+離子)的濃度可小于或等于約95%,例如小于或等于約90%。在另一些實(shí)施方式中,離子交換介質(zhì)中的大離子的濃度可小于或等于約85%,例如小于或等于約80%。在另一些實(shí)施方式中,離子交換介質(zhì)中的大離子的濃度可小于或等于約75%,例如小于或等于約70%。在一些實(shí)施方式中,離子交換介質(zhì)中的大離子的濃度可大于或等于約50%,例如大于或等于約55%。
還可考慮通過用于包層和芯體層的玻璃對(duì)的平均熱膨脹系數(shù)(cte)來對(duì)壓縮應(yīng)力層中的最大壓縮應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整。如本文所用,術(shù)語“平均熱膨脹系數(shù)”是指給定材料或?qū)釉?℃~300℃之間的平均熱膨脹系數(shù)。除非另有說明,否則如本文所用術(shù)語“熱膨脹系數(shù)”是指平均熱膨脹系數(shù)。例如,能夠進(jìn)行離子交換的玻璃的cte(例如約8ppm/℃)通常大于不能進(jìn)行離子交換的玻璃的cte(例如約3ppm/℃)。在熔合拉制法中,該cte的錯(cuò)配會(huì)導(dǎo)致具有壓縮應(yīng)力的芯體層和具有拉伸應(yīng)力的包層,這與一些實(shí)施方式中所希望的情況相反。然而,在一些實(shí)施方式中,在離子交換過程之前存在于包層中的少量拉伸應(yīng)力不成問題,并且可有益于降低包層中的壓縮應(yīng)力,這會(huì)降低層壓玻璃制品的中心張力。例如,如果包層包含少量拉伸應(yīng)力,則因離子交換而產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力可降低相應(yīng)的或基本上相應(yīng)的量。所以,在一些實(shí)施方式中,對(duì)芯體玻璃和包層玻璃進(jìn)行選擇,以使離子交換處理之前的芯體玻璃的cte與包層玻璃的cte相等或基本上相等。在另一些實(shí)施方式中,離子交換過程之前的芯體玻璃的cte略低于包層玻璃的cte。在一些實(shí)施方式中,芯體玻璃的cte可以比包層玻璃的cte低約0ppm/℃~約2ppm/℃,例如低約0.5ppm/℃~約1.5ppm/℃。
圖4圖示了使用補(bǔ)余誤差函數(shù)和線性誤差函數(shù)得到的經(jīng)過離子交換的玻璃的模擬應(yīng)力曲線、以及具有厚度為50μm的包層的層壓玻璃制品的應(yīng)力曲線。各應(yīng)力曲線代表從外表面測得的玻璃制品內(nèi)的應(yīng)力隨玻璃制品內(nèi)的深度的變化情況。應(yīng)當(dāng)注意的是,這里所示的應(yīng)力曲線包括一個(gè)壓縮應(yīng)力層(例如包層)和一部分拉伸應(yīng)力層(例如芯體層)。在一些實(shí)施方式中,玻璃制品包含與上述拉伸應(yīng)力層相反的另一個(gè)壓縮應(yīng)力層(例如另一個(gè)包層)。例如,玻璃制品的應(yīng)力曲線是對(duì)稱的。圖4中以實(shí)線描繪的應(yīng)力曲線1是使用補(bǔ)余誤差函數(shù)得到的具有約120μm的厚度和約50μm的dol的經(jīng)過離子交換的玻璃的應(yīng)力曲線。圖4中以正方形描繪的應(yīng)力曲線2是使用線性誤差函數(shù)得到的具有約120μm的厚度和約60μm的dol的經(jīng)過離子交換的玻璃的應(yīng)力曲線。這兩條應(yīng)力曲線中的每一條都是基于在熔融的kno3浴中在約430℃下進(jìn)行了約30分鐘的離子交換處理的能夠進(jìn)行離子交換的玻璃的曲線。如圖4所示,(從負(fù)數(shù)的大小可以看出)應(yīng)力曲線1和應(yīng)力曲線2在壓縮應(yīng)力層的表面處具有很高的壓縮應(yīng)力,該壓縮應(yīng)力快速降低至dol處(即對(duì)于曲線1而言約為50μm,對(duì)于曲線2而言約為60μm)的0壓縮應(yīng)力。例如,應(yīng)力曲線1在壓縮應(yīng)力層的表面具有約-0.95gpa的最大壓縮應(yīng)力。相似地,圖4中所示的應(yīng)力曲線2在壓縮應(yīng)力層的表面處具有約-0.95gpa的最大壓縮應(yīng)力。這些應(yīng)力曲線中的每一條都是基于數(shù)學(xué)建模。因此,預(yù)計(jì)經(jīng)過離子交換的玻璃制品的實(shí)際應(yīng)力曲線位于這兩條應(yīng)力曲線之間。
應(yīng)力曲線3是利用熔合拉制法形成的且未經(jīng)離子交換的以往市售可得的層壓玻璃制品,在圖4中以圓形描繪。應(yīng)力曲線3中表面處的壓縮應(yīng)力比經(jīng)過離子交換的應(yīng)力曲線1和應(yīng)力曲線2都低得多。然而,應(yīng)力曲線3包含平坦部分,在該平坦部分中,壓縮應(yīng)力層的表面處的壓縮應(yīng)力與dol處(即約50μm處)的壓縮應(yīng)力相等(約-0.22gpa)。另外,芯體中的應(yīng)力曲線是平坦的,這表示從芯體表面至芯體中心的拉伸應(yīng)力相等(即約0.02gpa)。應(yīng)力曲線3顯示了有益地在dol深處(例如在約40μm~約50μm的深度處)提供能夠使包層耐受深的瑕疵的壓縮應(yīng)力的玻璃制品。相比之下,應(yīng)力曲線1和2在dol深處提供更小的壓縮應(yīng)力。因此,具有與應(yīng)力曲線3相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力曲線的玻璃制品可在防止深層瑕疵導(dǎo)致玻璃制品發(fā)生損傷開裂上優(yōu)于具有與應(yīng)力曲線1或2相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力曲線的玻璃制品。然而,為了利用熔合拉制來制造具有與應(yīng)力曲線3相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力曲線的玻璃制品,與應(yīng)力曲線1和2相比,壓縮應(yīng)力層中的最大壓縮應(yīng)力被保持在低水平,且該應(yīng)力可能不足以防止相對(duì)較淺的瑕疵成為損傷裂紋。
應(yīng)力曲線4是經(jīng)歷過離子交換的層壓玻璃制品的假想的應(yīng)力曲線,其在圖4中以虛線描繪。假想的應(yīng)力曲線4代表理想的應(yīng)力曲線,該應(yīng)力曲線具有與應(yīng)力曲線1和2的儲(chǔ)能基本上匹配的儲(chǔ)能,因此,具有應(yīng)力曲線4的玻璃具有與具有應(yīng)力曲線1或2的玻璃大致相同的易碎性。例如,應(yīng)力曲線4在其壓縮應(yīng)力區(qū)域內(nèi)具有與應(yīng)力曲線1和2相同的線下面積,因此,應(yīng)力曲線4的儲(chǔ)能和中心張力與未層壓的經(jīng)過離子交換的玻璃的儲(chǔ)能和中心張力大致相同。然而,不同于應(yīng)力曲線1和2,應(yīng)力曲線4在壓縮應(yīng)力區(qū)域內(nèi)具有平坦部分,這顯示深入壓縮應(yīng)力層的壓縮應(yīng)力。另外,應(yīng)力曲線4具有比相似形狀的應(yīng)力曲線3更高的壓縮應(yīng)力。例如,應(yīng)力曲線4中的壓縮應(yīng)力層表面處的壓縮應(yīng)力約為-0.45gpa,該壓縮應(yīng)力在整個(gè)dol中恒定。如同應(yīng)力曲線3,應(yīng)力曲線4提供了深入玻璃制品的壓縮應(yīng)力,該壓縮應(yīng)力能夠幫助防止玻璃中這些深度處的瑕疵形成會(huì)導(dǎo)致玻璃制品產(chǎn)生不可接受的損傷的裂紋。然而,使用常規(guī)成形方法可能難以生產(chǎn)具有應(yīng)力曲線4的層壓玻璃制品,因?yàn)檫@需要在芯體玻璃與包層玻璃之間具有相對(duì)較高的cte錯(cuò)配,例如大于10ppm/℃。
應(yīng)力曲線5是根據(jù)本文所述的實(shí)施方式的層壓玻璃制品的應(yīng)力曲線,其在圖4中以三角形描繪。如關(guān)于應(yīng)力曲線1~4的討論所述,希望例如通過得到具有與假想的應(yīng)力曲線4相似的應(yīng)力曲線的玻璃,來形成具有在壓縮應(yīng)力層的外表面和壓縮應(yīng)力層的內(nèi)表面都具有相對(duì)較高的壓縮應(yīng)力的應(yīng)力曲線的玻璃制品。應(yīng)力曲線5的玻璃通過以下方法來實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo):對(duì)具有包含能夠進(jìn)行離子交換的玻璃的包層和包含不能進(jìn)行離子交換的玻璃的芯體層的層壓玻璃制品進(jìn)行離子交換,并且進(jìn)行用大離子填充或基本上填充該層壓玻璃制品的包層的離子交換過程。然而,如應(yīng)力曲線1和2所示,離子交換過程不產(chǎn)生所希望的平坦的應(yīng)力曲線,但是產(chǎn)生壓縮應(yīng)力在壓縮應(yīng)力層的表面附近快速降低的應(yīng)力曲線。因此,如應(yīng)力曲線5的玻璃不具有如應(yīng)力曲線3和4所示的平坦的應(yīng)力曲線。而是使應(yīng)力曲線5在表面處的高壓縮應(yīng)力與平坦的壓縮應(yīng)力曲線之間進(jìn)行折衷。所得到的應(yīng)力曲線5的斜率基本上呈線性,或者其在其壓縮應(yīng)力層(即包層)中呈線性,并且在其芯體層中具有平坦的拉伸應(yīng)力。應(yīng)力曲線5并不提供具有與應(yīng)力曲線1和2中的壓縮應(yīng)力一樣高的表面壓縮應(yīng)力,但是應(yīng)力曲線5中壓縮應(yīng)力層內(nèi)表面處的壓縮應(yīng)力高于應(yīng)力曲線1和2中壓縮應(yīng)力層深處的壓縮應(yīng)力。另外,應(yīng)力曲線5中在壓縮應(yīng)力層表面處存在比應(yīng)力曲線3中更多的壓縮應(yīng)力。因此,具有應(yīng)力曲線5的玻璃能夠幫助防止瑕疵在包層的外表面處和包層的內(nèi)表面處成為層壓玻璃制品的包層中的損傷裂紋。
圖5圖示了使用補(bǔ)余誤差函數(shù)和線性誤差函數(shù)得到的經(jīng)過離子交換的玻璃的模擬應(yīng)力曲線,以及具有厚度為100μm的包層的層壓玻璃制品的應(yīng)力曲線。與應(yīng)力曲線1相似的且在圖5中以實(shí)線描繪的應(yīng)力曲線6是使用補(bǔ)余誤差函數(shù)得到的具有約120μm的厚度和約50μm的dol的經(jīng)過離子交換的玻璃的應(yīng)力曲線。與應(yīng)力曲線2相似的且在圖5中以正方形描繪的應(yīng)力曲線7是使用線性誤差函數(shù)得到的具有約120μm的厚度和約60μm的dol的經(jīng)過離子交換的玻璃的應(yīng)力曲線。這兩條應(yīng)力曲線中的每一條都是基于在熔融的kno3浴中在約430℃下進(jìn)行了約30分鐘的離子交換過程的能夠進(jìn)行離子交換的玻璃的曲線。如圖5所示,(從負(fù)數(shù)的大小可以看出)應(yīng)力曲線6和應(yīng)力曲線7在壓縮應(yīng)力層的表面處具有很高的壓縮應(yīng)力,該壓縮應(yīng)力快速降低至dol處的0壓縮應(yīng)力。例如,應(yīng)力曲線6和7在壓縮應(yīng)力層的表面具有約-0.95gpa的最大壓縮應(yīng)力。這些應(yīng)力曲線中的每一條都是基于數(shù)學(xué)建模。因此,預(yù)計(jì)經(jīng)過離子交換的玻璃制品的實(shí)際應(yīng)力曲線位于這兩條應(yīng)力曲線之間。
應(yīng)力曲線8是利用熔合拉制法形成的且未經(jīng)離子交換的以往市售可得的層壓玻璃制品,在圖5中以圓形描繪。應(yīng)力曲線8中表面處的壓縮應(yīng)力比經(jīng)過離子交換的應(yīng)力曲線6和應(yīng)力曲線7都低得多。然而,應(yīng)力曲線8包含平坦部分,在該平坦部分中,壓縮應(yīng)力層的表面處的壓縮應(yīng)力與壓縮應(yīng)力層內(nèi)表面處(即約100μm處)的壓縮應(yīng)力相等(約-0.12gpa)。另外,芯體中的應(yīng)力曲線是平坦的,這表示從芯體表面至芯體中心的拉伸應(yīng)力相等(即約0.02gpa)。應(yīng)力曲線8顯示了有益地在dol深處提供能夠使包層耐受深層瑕疵的壓縮應(yīng)力的玻璃制品。相比之下,應(yīng)力曲線6和7在dol深處提供相對(duì)更低的壓縮應(yīng)力。因此,相比于具有與應(yīng)力曲線6或7相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力曲線的玻璃制品,具有與應(yīng)力曲線8相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力曲線的玻璃制品可更好地防止深層瑕疵導(dǎo)致玻璃制品發(fā)生損傷開裂。然而,為了利用熔合拉制來制造具有與應(yīng)力曲線8相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力曲線的玻璃制品,與應(yīng)力曲線6和7相比,壓縮應(yīng)力層中的壓縮應(yīng)力被保持在較低水平,且該應(yīng)力可能不足以防止相對(duì)較淺的瑕疵成為損傷裂紋。
應(yīng)力曲線9是經(jīng)歷過離子交換的層壓玻璃制品的假想的應(yīng)力曲線,其在圖5中以虛線描繪。假想的應(yīng)力曲線9代表具有與應(yīng)力曲線6和7的儲(chǔ)能基本上匹配的儲(chǔ)能的理想應(yīng)力曲線。因此,具有應(yīng)力曲線9的玻璃的易碎性與具有應(yīng)力曲線6或7的玻璃大致相同。例如,應(yīng)力曲線9在其壓縮應(yīng)力區(qū)域內(nèi)具有與應(yīng)力曲線6和7相同的線下面積。因此,應(yīng)力曲線9的儲(chǔ)能和中心張力與未層壓的經(jīng)過離子交換的玻璃的儲(chǔ)能和中心張力大致相同。然而,不同于應(yīng)力曲線6和7,應(yīng)力曲線9在壓縮應(yīng)力區(qū)域內(nèi)具有平坦部分,這顯示深入壓縮應(yīng)力層的壓縮應(yīng)力。另外,應(yīng)力曲線9具有比相似形狀的應(yīng)力曲線8更高的壓縮應(yīng)力。例如,應(yīng)力曲線9中的壓縮應(yīng)力層表面處的壓縮應(yīng)力約為-0.22gpa,該壓縮應(yīng)力在整個(gè)dol中恒定。如同應(yīng)力曲線8,應(yīng)力曲線9提供了深入玻璃制品的壓縮應(yīng)力,該壓縮應(yīng)力會(huì)防止玻璃中這些深度處的瑕疵形成會(huì)導(dǎo)致玻璃制品產(chǎn)生不可接受的損傷的裂紋。然而,如同上述應(yīng)力曲線4,使用常規(guī)的成形方法可能難以形成具有應(yīng)力曲線9的層壓玻璃制品。
應(yīng)力曲線10是根據(jù)本文所述的實(shí)施方式的層壓玻璃制品的應(yīng)力曲線,其在圖5中以三角形描繪。如關(guān)于應(yīng)力曲線6~9的討論所述,希望例如通過得到具有與假想的應(yīng)力曲線9相似的應(yīng)力曲線的玻璃,來形成具有在壓縮應(yīng)力層的外表面以及在壓縮應(yīng)力層的與芯體層相鄰且與外表面相反的內(nèi)表面處具有相對(duì)較高的壓縮應(yīng)力的應(yīng)力曲線的玻璃制品。應(yīng)力曲線10的玻璃通過以下方法來實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo):對(duì)具有包含能夠進(jìn)行離子交換的玻璃的包層和包含不能進(jìn)行離子交換的玻璃的芯體層的層壓玻璃制品進(jìn)行離子交換,并且離子交換過程的進(jìn)行使得大離子填充或基本上填充該層壓玻璃制品的包層。然而,如應(yīng)力曲線6和7所示,離子交換處理不產(chǎn)生所希望的平坦的應(yīng)力曲線,但是產(chǎn)生壓縮應(yīng)力在壓縮應(yīng)力層的表面附近快速降低的應(yīng)力曲線。因此,如應(yīng)力曲線10的玻璃不具有如應(yīng)力曲線8和9所示的平坦的應(yīng)力曲線。而是使應(yīng)力曲線10在表面處的高壓縮應(yīng)力與平坦的壓縮應(yīng)力曲線之間進(jìn)行折衷。所得到的應(yīng)力曲線10的斜率基本上呈線性,或者其在其壓縮應(yīng)力層(即包層)中呈線性,并且在其芯體層中具有平坦的拉伸應(yīng)力。應(yīng)力曲線10并不提供具有與應(yīng)力曲線6和7中的壓縮應(yīng)力一樣高的表面壓縮應(yīng)力,但是應(yīng)力曲線10中的壓縮應(yīng)力在玻璃制品在更深入玻璃制品處保持高于應(yīng)力曲線6和7中的壓縮應(yīng)力。另外,應(yīng)力曲線10中在壓縮應(yīng)力層外表面處存在比應(yīng)力曲線8中更多的壓縮應(yīng)力。因此,具有應(yīng)力曲線10的玻璃可防止瑕疵在包層的表面和深入玻璃制品處成為層壓玻璃制品的包層中的損傷裂紋。
圖6圖示了根據(jù)本文所述的實(shí)施方式的層壓玻璃制品與按照常規(guī)方法進(jìn)行了離子交換的層壓玻璃制品之間的比較。在常規(guī)方法中,可利用純的離子交換介質(zhì)對(duì)例如利用芯體層與包層之間的cte錯(cuò)配而進(jìn)行了機(jī)械強(qiáng)化的層壓玻璃制品進(jìn)行短時(shí)間的離子交換過程。該離子交換過程在包層的表面附近引入了高壓縮應(yīng)力,并且?guī)缀跷磳⒒蛘呶磳嚎s應(yīng)力引入包層深處。經(jīng)過離子交換的常規(guī)層壓制品的應(yīng)力曲線在圖6中以虛線顯示。如圖6所示,常規(guī)層壓玻璃制品的包層中的應(yīng)力曲線是與圖4和5中的實(shí)施例1、2、6和7的離子交換應(yīng)力曲線相似的曲線,其中,高壓縮應(yīng)力存在于壓縮應(yīng)力層的表面處,并且該壓縮應(yīng)力快速降低,使得不存在或基本上不存在更深入包層的壓縮應(yīng)力。該應(yīng)力曲線的形狀表明了對(duì)與化學(xué)強(qiáng)化相結(jié)合的機(jī)械強(qiáng)化的依賴性。例如,進(jìn)行諸如離子交換這樣的化學(xué)強(qiáng)化以增加包層表面處的壓縮應(yīng)力。然而,通常提供比化學(xué)強(qiáng)化低的應(yīng)力的機(jī)械強(qiáng)化則依賴于在包層深入引入應(yīng)力。因此,利用常規(guī)方法產(chǎn)生的應(yīng)力曲線在包層表面處具有大的壓縮應(yīng)力,其通過利用純的離子交換介質(zhì)進(jìn)行短時(shí)間的離子交換過程來提供,該壓縮應(yīng)力快速降低至包層的一部分,在所述部分中,幾乎沒有或沒有發(fā)生離子交換,且應(yīng)力是由諸如cte錯(cuò)配這樣的機(jī)械強(qiáng)化提供的。
相反,如圖6中的實(shí)線所示,按照本文所述的實(shí)施方式形成的層壓玻璃制品的應(yīng)力曲線在壓縮應(yīng)力層表面具有比通過常規(guī)方法制得的經(jīng)過層壓和離子交換的玻璃制品低的壓縮應(yīng)力,但其在玻璃制品的更深處具有比通過常規(guī)方法制得的經(jīng)過層壓和離子交換的玻璃制品更高的壓縮應(yīng)力。根據(jù)圖6中所示的實(shí)施方式的層壓玻璃制品的應(yīng)力曲線是能夠?qū)崿F(xiàn)的,因?yàn)槠洳⒎莾H僅依賴于層壓玻璃制品的機(jī)械強(qiáng)化,例如cte錯(cuò)配。而包層中所提供的應(yīng)力是通過相對(duì)較長時(shí)間的且利用受污染的離子交換介質(zhì)進(jìn)行的離子交換過程提供的。該過程允許對(duì)整個(gè)包層進(jìn)行更徹底的離子交換,這導(dǎo)致壓縮應(yīng)力從包層表面穿過整個(gè)包層緩慢地減小。不能進(jìn)行離子交換的芯體提供了對(duì)離子交換的屏障,并且允許例如通過如上所述地控制壓縮應(yīng)力和dol來控制層壓玻璃制品的中心張力。
如上所述,本文所述的層壓玻璃制品的實(shí)施方式提供了深入壓縮應(yīng)力層的相對(duì)較高的壓縮應(yīng)力。如圖4~6所示,根據(jù)一些實(shí)施方式的層壓玻璃制品的應(yīng)力曲線的斜率呈線性或基本上線性。如本文所用,“基本上線性”表示包層中的應(yīng)力曲線的斜率接近恒定。在一些實(shí)施方式中,包層中的應(yīng)力曲線的任意區(qū)域的斜率相對(duì)于該包層中的應(yīng)力曲線的平均斜率的偏差可小于約20%,例如可小于約15%。在另一些實(shí)施方式中,包層中的應(yīng)力曲線在任意區(qū)域的斜率相對(duì)于該包層中的應(yīng)力曲線的平均斜率的偏差可小于約10%,例如可小于約5%。例如,在一些實(shí)施方式中,玻璃制品外表面處的壓縮應(yīng)力與壓縮應(yīng)力層(例如包層)內(nèi)表面處的壓縮應(yīng)力之間的應(yīng)力曲線為直線。附加地或替代地,壓縮應(yīng)力層中所有點(diǎn)處的應(yīng)力曲線都在位于玻璃制品外表面處的壓縮應(yīng)力與壓縮應(yīng)力層內(nèi)表面處的壓縮應(yīng)力之間的直線的約10%內(nèi)、約5%內(nèi)、或約2%內(nèi)。
壓縮應(yīng)力從包層外表面向壓縮應(yīng)力層內(nèi)表面(即包層的最大厚度)減小。然而,為了向壓縮應(yīng)力層深處提供足夠的壓縮應(yīng)力,壓縮應(yīng)力在包層中的減小在一些實(shí)施方式中受到限制。在一些實(shí)施方式中,包層的最大厚度處的壓縮應(yīng)力為包層表面處的壓縮應(yīng)力的約20%~約45%,例如為包層表面處的壓縮應(yīng)力的約25%~約40%。在另一些實(shí)施方式中,包層的最大厚度處的壓縮應(yīng)力為包層表面處的壓縮應(yīng)力的約30%~約35%,例如為包層表面處的壓縮應(yīng)力的約33%。
本文所描述的玻璃制品可用于各種應(yīng)用,包括例如用于消費(fèi)或商用電子設(shè)備包括例如lcd、led、oled和量子點(diǎn)顯示器、計(jì)算機(jī)顯示器和自動(dòng)柜員機(jī)(atm)中的蓋板玻璃或玻璃背板;用于觸摸屏或觸摸傳感器應(yīng)用;用于包括例如移動(dòng)電話、個(gè)人媒體播放器和平板電腦的便攜式電子設(shè)備;用于包括例如半導(dǎo)體晶片的集成電路應(yīng)用;用于光伏應(yīng)用;用于建筑玻璃應(yīng)用;用于汽車或車輛玻璃應(yīng)用;用于商用或家用電器應(yīng)用;用于照明設(shè)備或引導(dǎo)標(biāo)示(例如靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的引導(dǎo)標(biāo)識(shí))應(yīng)用;或者用于包括例如鐵路和航空的交通運(yùn)輸應(yīng)用。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是,可以在不偏離要求專利權(quán)的主題的精神和范圍的情況下,對(duì)本文所述的實(shí)施方式進(jìn)行各種修改和變動(dòng)。因此,本說明書旨在涵蓋本文所述的各種實(shí)施方式的修改和變化形式,且這些修改和變化形式落入所附權(quán)利要求及其等同內(nèi)容的范圍之內(nèi)。