CN104144877A - 改善玻璃制品强度的方法 - Google Patents

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Abstract

一种改善化学强化玻璃制品强度的方法，所述方法包括把玻璃制品的目标表面暴露于离子交换强化过程，该离子交换强化过程在玻璃制品中产生化学诱导压缩层。然后，执行用剪切的磁流变流体动态界面化玻璃制品的目标表面，以从玻璃制品除去至少一部分的化学诱导压缩层，其中用剪切的磁流变流体动态界面化玻璃制品的参数是这样的：化学诱导压缩层的除去部分的厚度小于约20％的所述化学诱导压缩层。

Description

改善玻璃制品强度的方法
本申请根据35USC119要求于2011年11月28日提交的美国专利申请序列No.61/563,910的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
背景
本发明涉及改善玻璃制品强度的方法。
简述
强化玻璃可用于许多应用，包括例如大尺寸显示器、手持显示器、触摸屏显示器等。强化后，玻璃是相对强的。但是，在某些情况下，甚至在强化后，制造、加工和处理玻璃可产生影响性能的小的表面瑕疵。根据本发明的主题内容，描述了改善玻璃制品强度的方法，其中通过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种表面上的数量和影响降到最小。
根据本发明的一种实施方式，描述了一种改善化学强化玻璃制品的强度的方法，所述方法包括：把玻璃制品的目标表面暴露于离子交换强化过程，所述离子交换强化过程在玻璃制品中产生化学诱导压缩层；以及用剪切的磁流变流体动态界面化玻璃制品的目标表面，以从该玻璃制品除去至少部分的化学诱导压缩层，其中用该剪切的磁流变流体动态界面化所述玻璃制品的参数是这样的：化学诱导压缩层的除去部分的厚度小于约20％的化学诱导压缩层。
根据本发明的另一种实施方式，描述了一种改善热学强化玻璃制品的强度的方法，所述方法包括：把玻璃制品的目标表面暴露于非化学强化过程，所述强化过程在玻璃制品中产生热学诱导压缩层；以及用剪切的磁流变流体动态界面化玻璃制品的目标表面，以从该玻璃制品除去至少部分的热学诱导压缩层，其中用该剪切的磁流变流体动态界面化所述玻璃制品的参数是这样的：热学诱导压缩层的除去部分的厚度小于约20％的热学诱导压缩层。
还根据本发明的另一种实施方式，描述了一种改善玻璃制品的强度的方法，所述方法包括：确定具有至少一种可检测的缺陷的所述玻璃制品的目标表面；以及，用剪切的磁流变流体动态界面化所述目标表面，以从所述玻璃制品除去至少一部分的目标表面和至少一部分的所述至少一种可检测的缺陷，其中用所述剪切的磁流变流体动态界面化所述玻璃制品的参数是这样的：从该目标表面除去约1微米的厚度。
附图的一些方面的简要说明
结合下述附图阅读以下关于具体实施方式的详述，可以最好地理解本发明：
图1是改善化学强化玻璃制品的强度的方法的示意图。
详细描述
本发明介绍了改善玻璃制品强度的方法。总体来说，设想的方法包括强化过程和磁流变流体(MRF)加工步骤。如下文所进一步描述，一实施方式描述了一种方法，其中所述强化过程可包括在玻璃制品中提供压缩层(或多层压缩层)的非化学过程。在另一种实施方式中，所述强化过程可包括在玻璃制品中提供压缩层(或多层压缩层)的化学过程。为了清楚和统一，通过其中一种方法赋予到玻璃制品上的压缩层分别称为热学诱导压缩层(非化学强化)或者化学诱导压缩层(化学强化)。还进一步设想的实施方式更总体地涉及玻璃制品，而不管所述一种或更多种玻璃制品已被化学强化或者热学强化。
图1是根据本发明的、改善化学强化玻璃制品的强度的方法的示意图。图1的示意图仅作为说明性目的，而不应理解为限制本发明设想的加工参数的变化。设想的化学强化玻璃制品的方法包括，但不限于：离子交换强化过程和磁流变流体(MRF)加工步骤。
一般地，离子交换是一种化学强化方法，其中用在盐浴溶液中提供的更大的碱金属离子交换目标表面上的碱金属离子。大离子“填充”进入目标表面区域，构建压缩状态。这里，把玻璃置于约300℃温度下的热熔盐浴中。玻璃中更小的钠离子迁移进入离子化的溶液，且盐浴中更大的钾离子迁移进入玻璃并取代钠离子。如图1所示，这些更大的钾离子占据更多的空间，且当玻璃冷却时这些钾离子挤压在一起，在玻璃制品10的表面产生压缩层16并在玻璃的次表层(subsurface)中产生拉伸层18，该拉伸层在压缩层16上施加向外的偏置力。这种压缩构建了具有增加强度的表面。一种可替换的化学强化方法包括于约450℃下在钠盐浴中用钠离子饱和玻璃制品，然后进行如上所述的离子交换过程。
本发明的发明人发现压缩层16通常会包括瑕疵、碎屑、断裂、裂纹、刮擦、缺陷或其组合，这些可在成形、加工和/或中间强化过程中产生。为了解决这些潜在的失效来源，参考图1，用剪切的磁流变流体(MRF)动态界面化(dynamically interface)玻璃制品的目标表面12,14，以从玻璃制品10上除去至少一部分的化学诱导压缩层16。对于大多数形式的玻璃制品而言，用剪切的磁流变流体动态界面化所述玻璃制品的参数是这样的：化学诱导压缩层16的除去部分的厚度小于约20％的压缩层16。
或者，设想了可把玻璃制品的一种或更多种目标表面暴露于非化学过程，通常是以基于热处理的形式，例如回火(tempering)。在另一种实施例中，与图1所述类似，例如通过把玻璃制品10暴露于加热的碱金属盐浴20，来把玻璃制品10的一种或更多种目标表面12和/或14暴露于离子交换强化过程，从而在玻璃制品10中形成一种或更多种化学诱导压缩层16。离子交换强化过程和热强化过程的具体参数超越了本发明的范围，且可从与该主题相关的多种易于获得的教导中收集。或者，可使用商业上可获得的离子交换强化或热强化过程。
设想了后续地可在压力下用剪切的MRF界面化玻璃制品10的目标表面12和/或14，以从玻璃制品10除去至少一部分的化学诱导压缩层16，而不管该压缩层是化学引入的还是非化学引入的。设想了“剪切”的MRF是在施加了磁场下的任意MRF，其大小和构造将根据玻璃制品10、MRF和相关的操作部件的特定构造和性质而变化。
在操作中和根据所述实施方式，一种或更多种方法使用磁流变精磨设备40，并在那里用MRF界面化玻璃制品10。例如，设想了MRF设备40可包括可编程的硬件，并可编程为放置玻璃制品并响应手动或自动的命令，提供玻璃制品和MRF设备40的精磨头的相对运动(如旋转或者光栅运动)。例如，该设备可包括选定的旋转球或轮子、以及设置在轮子表面下方的电磁铁。电磁铁提供不同程度的场梯度。响应施加的场，MRF的磨粒在位于或接近MRF的表面处浓缩，并物理性地与目标表面接触，以除去或修饰玻璃制品10上存在的缺陷。MRF可包括多种磨粒，一些示例包括基于金刚石的流体或者基于氧化铈的流体。
在许多实施方式中，选定用剪切MRF的动态界面化玻璃制品的参数，以优化从玻璃制品10中修饰和/或除去缺陷。此外，可进行修饰和/或除去缺陷，但不在一种或更多种目标表面上引入或赋予任何额外的一种或更多种缺陷。这种参数包括：除去部分的化学诱导压缩层16的厚度大于约0.1微米。还在设想的另一实施方式中，除去部分的化学诱导压缩层16的厚度在约1微米的量级，或者具体来说，在约0.5微米和约1微米之间。在其他实施方式中，设想了可除去最高达约1.5微米的化学诱导压缩层16的厚度。
构思了通过增加的除去深度，可增强改善的表面强度。还构思了可根据用于循环时间的一种或更多种公差(tolerance)和总体改善时间标准，来取得更大的除去深度。假定玻璃制品的厚度为x，构思了将除去小于1％的玻璃制品的总平均厚度。根据与现有机械设备集成的可用系统，一种或更多种修饰和/或除去步骤可以是自动的或者程序化的。所述一或更多步骤的方法和/或结果可以是一样的，需要时产生增加的几何精确性。
可执行本发明的强化方法来改善化学强化玻璃制品的强度，而不使用任何化学蚀刻步骤，且剪切MRF可以是完全非酸性的。
本发明的强化方法非常适于下述：玻璃制品包括基本上平坦的显示平面，在该情况下亦是用剪切MRF动态界面化玻璃制品的参数。
根据另一种实施方式，与热处理的原则和上述提供的步骤相一致，一种改善热学强化玻璃制品的强度的方法包括：(a)把玻璃制品的目标表面暴露于热学强化过程，所述热学强化过程在玻璃制品中产生热学诱导压缩层；以及(b)用剪切的磁流变流体动态界面化玻璃制品的目标表面，以从该玻璃制品除去至少部分的热学诱导压缩层，其中用该剪切的磁流变流体动态界面化所述玻璃制品的参数，即热学诱导压缩层的除去部分的厚度小于约20％的热学诱导压缩层。
根据另一种实施方式，与上述的总体原则一致，一种改善玻璃制品中强度的方法包括：(a)确定具有至少一种可检测的缺陷的玻璃制品的目标表面，以及(b)在压力下用剪切的磁流变流体动态界面化所述目标表面，以从所述玻璃制品除去至少部分的目标表面和至少部分的所述至少一种可检测的缺陷。
具体来说，设想了改善的玻璃制品可用作用于电子器件(包括电视、计算机显示器、移动电话)的显示器，以及这些器件的互动界面，包括用于显示器、电话和客服一体机或终端的触摸屏显示器，只列举了一些示例。
设想了根据本发明的玻璃制品可包括多种材料和可用于多种应用。例如但不限于，玻璃制品可包括下述非穷指的组合物，例如基于二氧化硅的玻璃、钠钙玻璃、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，以及金属合金、离子熔体和分子液体。此外，本文设想的玻璃制品可包括通常应用于平面玻璃、容器玻璃、一或更多网络玻璃、电解质和无定形金属的材料。具体来说，玻璃制品可包括玻璃增强的材料(一种或更多种塑料或者混凝土)、热绝缘体、光学器件、光电子器件和玻璃艺术品。
还设想了具有通过本文所述的方法及其变体赋予的改善的表面强度的物体的其它示例可通用于下述领域：半导体制造、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为硬和脆的应用。设想了把具有微米和纳米结构尺寸、易于微米和/或纳米除去和/或修饰的材料和制品，作为适于所述一或更多方法及其变体的备选者。
在下述比较例中，制备的玻璃制品样品具有50毫米x50毫米的尺寸和均匀的正方形几何结构。把修饰和/或除去的目标区域在正方形样品上居中，且应用到包括30毫米x30毫米的区域。除去的目标深度为1.5微米-2.0微米。制备数量足够多的样品，以允许进行本技术领域所公知和理解的环叠环测试(ring-on-ring test)和落球测试(ball drop test)。
实施例1-比较例的环叠环测试数据
进行了3种形式的表面强化，并通过环叠环方法测试了最大负载强度。组1是通过离子交换(IX)过程强化的玻璃制品。组2是通过组合离子交换(IX)过程和应用磁流变流体(MRF)强化的玻璃制品。对于组2，IX+MRF处理除去了深度为约1.5微米-2.0微米的一层玻璃。组3是通过组合离子交换(IX)过程和应用氢氟酸(HF)蚀刻强化的玻璃制品。
表1-环叠环测试数据
从数据可知，只有IX处理提供的平均最大负载容量小于可通过IX+HF酸化学蚀刻组合实现的容量值的一半。重要的是，IX+MRF组合非常接近IX+HF酸处理的平均最大负载容量。可预期增加通过IX+MRF从玻璃制品除去的层深度，将进一步优化平均最大负载容量，且更加接近通过IX+HF酸处理组合提供的平均值。
实施例2-比较例-落球测试数据和分析
表2-落球测试数据
表2显示了已经进行了各种强化过程(例如上文表1所述的那些)的多种玻璃制品的5轮测试。落球测试只是把钢球从一特定高度落下以测定阀值失效值的过程。各测试组数据包括4种强化过程：只有IX；IX+HF(组1)；IX+MRF；以及IX+HF(组2)，以比较不同的强化过程。改变用于IX+HF组1和2的过程，限制组2中的暴露时间，这产生更不优化的落球失效高度和降低的结构完整性。因此，只有IX过程产生最低的落球高度阀值，表明相对更低的强化和更低的耐破坏性。IX+MRF应用从玻璃制品的表面除去约1.5微米-2.0微米的材料。落球测试数据表明IX+MRF处理一致地落在IX+HF酸处理(组1和组2)之间的范围之内。如上所述，预期增加IX+MRF处理中的除去深度，将影响落球阀值的向上趋势，并接近优化的落球数据和与该数据相关的相应的强度和抗性。这表明IX+MRF处理可具有约等于IX+HF酸处理的强度，后者通常用于增强玻璃和其它物体。
出于描述和限定本发明的目的，应当指出，词语“约”、“相对”和“基本上”在本文中用来表示可归于任何定量比较、数值、测量或其他表达的固有不确定程度。词语“约”、“相对”和“基本上”在本文中还用来表示数量的表达值与所述的参比值的偏离程度，这种偏离不会导致所讨论的主题的基本功能发生改变。
以上结合具体实施方式详细描述了本发明,显而易见的是，在不背离所附权利要求书限定的本发明范围的前提下可以有一些改良和变化。更具体来说,尽管本发明的一些方面被认为是优选的或者特别有益的,但是考虑本发明不一定限于本发明的这些优选的方面。
需要注意，本文中“构建”成特定的方式是表示特定的性质、或者以特定的方式发挥功能，是结构性描述，而不是对预期的用途进行限制。更具体来说，本文所述的对部件进行构建摂的方式表示该部件现有的物理条件，因此可以将其看作该部件的结构特征的限定性描述。
应当指出，本文所用的诸如“优选”、“常用”和“通常”之类的词语不是用来限制本发明要求保护的范围，也不表示某些特征对本发明要求保护的结构或者功能来说是重要的、关键的、或者甚至是必不可少的。相反地，这些术语仅仅用来表示本发明实施方式的特定方面，或者强调可以或者不可以用于本发明特定实施方式的替代的或附加的特征。
在结合具体实施方式详细描述了本发明的主题之后，应当指出，本文披露的各种细节不应理解为暗示着这些细节涉及属于本文所述各种实施方式的实质性组成的要素，即便在本文所附的每幅图中都示出了特定要素的情况下也是如此。相反，本文所附权利要求书应理解为唯一表达了本发明的广度和本文所述各项发明的相应范围。此外，在不背离所附权利要求书所限定的本发明范围的前提下，显然可以作出各种改变和变化。更具体的，尽管本发明的一些方面在本文中被认为是优选的或者特别有益的，但应考虑到本发明不一定限于这些方面。
应注意，以下权利要求书中的一项或多项权利要求使用术语“其特征在于”作为过渡语。出于限定本发明的目的，应当指出，在权利要求中用该术语作为开放式过渡短语来引出对一系列结构特征的描述，应当对其作出与更常用的开放式引导语“包括”类似的解释。
应理解，本申请的实施方式和权利要求不限于说明书中详细描述和/或附图或数据(如果提供)所列的组件的构建和排布细节。相反，说明书、任何附图或示意图和/或数据，提供设想的实施方式的示例，但该权利要求不限于在说明书中公开和/或确定的任何具体的实施方式或优选的实施方式。可能提供的任何附图，仅作说明性目的，且只提供本文所述的发明的实际示例。因此，任何附图都不应视为把权利要求的范围限定到该附图所示的内容。
本文所述的实施方式和权利要求可以是其它实施方式，且可以各种方式来实现和实施，包括上述的步骤和/或特征的各种组合和子组合，但它们可能没有在特定组合和子组合中明确地公开。因此，本领域普通技术人员将理解，实施方式和权利要求所基于的概念可方便地用作设计其它结构、方法和系统的基础。此外，应理解本文所用的词语和术语是为了描述，而不是限制性权利要求。

Claims (19)

1.一种改善化学强化玻璃制品强度的方法，所述方法包括：
把所述玻璃制品的目标表面暴露于离子交换强化过程，该离子交换强化过程在所述玻璃制品中产生化学诱导压缩层；以及
用剪切的磁流变流体动态界面化所述玻璃制品的目标表面，以从所述玻璃制品除去至少一部分的化学诱导压缩层，其中用所述剪切的磁流变流体动态界面化所述玻璃制品的参数是这样的：化学诱导压缩层的除去部分的厚度小于约20％的所述化学诱导压缩层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用所述剪切的磁流变流体动态界面化所述玻璃制品的参数是这样的：化学诱导压缩层的除去部分的厚度在约1微米的量级。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用所述剪切的磁流变流体动态界面化所述玻璃制品的参数是这样的：除去约0.5微米和约1微米之间厚度的化学诱导压缩层。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用所述剪切的磁流变流体动态界面化所述玻璃制品的参数是这样的：化学诱导压缩层的除去部分的厚度最高达约1.5微米。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用所述剪切的磁流变流体动态界面化所述玻璃制品的参数是这样的：除去所述玻璃制品的小于1％的总平均厚度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，改善化学强化玻璃制品强度的方法基本上不含任何化学蚀刻步骤。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述剪切的磁流变流体是非酸性的。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述层包括瑕疵、碎屑、断裂、裂纹、刮擦、缺陷或其组合。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子交换过程包括把所述玻璃制品暴露于加热的碱金属盐浴，从而在所述玻璃制品中形成化学诱导压缩层。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述加热的碱金属盐浴包括钾，且所述玻璃制品包括钠。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子交换过程的特征是钠和钾的交换。
12.如权利要求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个目标表面暴露于离子交换强化过程；以及
用剪切的磁流变流体动态界面化所述玻璃制品的目标表面，以从所述玻璃制品除去至少一部分的化学诱导压缩层。
13.如权利要求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显示表面。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃制品分别在该玻璃制品的主表面上包括压缩层和在该玻璃制品的次表层中包括拉伸层，所述拉伸层施加力来平衡通过该压缩层施加的力。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
用所述剪切的磁流变流体动态界面化所述玻璃制品的参数是这样的：除去约0.5微米和约1微米之间厚度的化学诱导压缩层；
所述玻璃制品基本上不含任何化学蚀刻；以及
所述剪切的磁流变流体是非酸性的。
16.一种改善热学强化玻璃制品强度的方法，所述方法包括：
把所述玻璃制品的目标表面暴露于非化学强化过程，所述强化过程在所述玻璃制品中产生热学诱导压缩层；以及
用剪切的磁流变流体动态界面化所述玻璃制品的目标表面，以从所述玻璃制品除去至少一部分的热学诱导压缩层，其中用所述剪切的磁流变流体动态界面化所述玻璃制品的参数是这样的：热学诱导压缩层的除去部分的厚度小于约20％的所述热学诱导压缩层。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述非化学强化过程包括回火过程。
18.一种改善玻璃制品强度的方法，所述方法包括：
确定具有至少一种可检测的缺陷的所述玻璃制品的目标表面；
用剪切的磁流变流体动态界面化所述目标表面，以从所述玻璃制品除去至少一部分的目标表面和至少一部分的所述至少一种可检测的缺陷，其中用所述剪切的磁流变流体动态界面化所述玻璃制品的参数是这样的：从该目标表面除去约1微米的厚度。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，从所述目标表面除去约0.5微米和约1微米之间的厚度。
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