CN105705467B - 用于化学强化的玻璃的局部退火的方法 - Google Patents

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Abstract

一种为玻璃制品提供局部退火区域的方法，所述方法包括：(a)提供强化的玻璃制品，其具有第一表面压缩应力和第一压缩应力层深度；(b)在该玻璃制品的第一侧面上选择玻璃制品的第一部分作为目标；(c)将选择作为目标的第一部分退火到第二表面压缩应力和第二压缩应力层深度；和(d)重复步骤(b)和(c)以在该玻璃制品的第一侧面上形成玻璃制品的退火部分的图案。选择目标的退火可通过例如聚焦激光或使用微波能量或感应源来进行。一种用于制备层压件结构的方法，该层压件结构包含第一玻璃层(12)、第二玻璃层(16)和在第一玻璃层和第二玻璃层中间的至少一种聚合物中间层(14)。第一玻璃层(12)可包含强化的玻璃，该强化的玻璃包括具有第一表面压缩应力和第一压缩应力层深度的第一部分以及具有第二表面压缩应力和第二压缩应力层深度的第二部分。在其它实施方式中,第二玻璃层(16)可包含强化的玻璃，该强化的玻璃包括具有第三表面压缩应力和第三压缩应力层深度的第三部分以及具有第四表面压缩应力和第四压缩应力层深度的第四部分。

Description

用于化学强化的玻璃的局部退火的方法
本申请要求2013年08月26日提交的美国临时申请号61/869962的优先权，其全文通过引用结合于此。
背景
玻璃层压件可用作建筑和汽车或运输应用中的窗户和窗格玻璃，包括汽车、轨道车辆、机车和飞机。玻璃层压件还可用作栏杆和阶梯中的玻璃面板，作为用于墙壁、柱子、电梯桥厢、厨房应用和其它应用的装饰性面板或盖板。如本文所使用，窗格玻璃或层压玻璃结构可为窗户、面板、墙壁、箱体、信息板(sign)或其他结构的透明的、半-透明的、半透明的或不透明的零件。用于建筑和/或汽车应用的常见类型的窗用玻璃包括透明和有色层压的玻璃结构。
常规的汽车窗格玻璃构造包括具有聚乙烯醇缩丁醛(PVB)中间层的两个2mm钠钙玻璃的板层。这些层压件构造具有一些优势，包括低成本、足以应用于汽车和其它应用的抗冲性。然而，因为它们的有限的抗冲性和更大的重量，这些层压件呈现低劣的性能特征，包括当受到路边碎片撞击、故意破坏(vandal)和/或其它物体冲击时更高的破碎概率，以及对于个别车辆的更低的燃料效率。
在其中强度很重要的应用中(例如如上所述的汽车应用中)，可通过多种方法来提高常规玻璃的强度，包括涂覆、热学钢化和化学强化(离子交换)。热学钢化常规地用于具有厚的整体件玻璃板的那些应用，并具有形成穿过整个玻璃表面的厚压缩层的优势，通常到达总体玻璃厚度的20％-25％。然而，压缩应力的大小通常较低，通常小于100MPa。此外，对于较薄的玻璃(例如小于约2mm)，热学钢化变得越来越低效。
相反，离子交换(IX)技术可在处理的玻璃中形成高水平的压缩应力,在表面处高达约1000MPa，且适于非常薄的玻璃。然而，离子交换技术可受限于较浅的压缩层，通常在几十微米的量级。这种高压缩应力可得到非常高的钝物冲击耐受性，其可能不能通过用于汽车应用的特定的安全性标准，例如ECE(联合国欧盟经济委员会)R43头模冲击测试，其中要求玻璃在一定冲击负载下破碎以防止受伤。常规的研究和开发努力聚焦于车辆层压件的受控的和优先的破碎，代价是牺牲其自身的抗冲性。
对于有些汽车窗格玻璃或层压件例如挡风玻璃等而言，其中使用的材料必须通过多个安全标准，例如ECER43头模冲击测试。如果在该测试限定的条件下，该产品没有破碎，则因为安全性原因该产品是不可接受的。这就是为什么挡风玻璃常规地由层压的退火玻璃而不是钢化玻璃制成的原因之一。
钢化的玻璃(热学钢化的和化学钢化的)具有更高耐受破碎的优势，这对提高层压的汽车窗格玻璃的可靠性可为理想的。具体来说，薄的、化学-钢化的玻璃可理想地用于制造高强度的、轻量汽车窗格玻璃。然而，使用这种钢化的玻璃制备的常规层压的玻璃不能满足头部冲击安全性要求。形成符合安全性要求的薄的、化学-钢化的玻璃的方法之一可为在玻璃进行化学钢化之后进行热退火过程。这具有降低玻璃的压缩应力的效果，由此减少导致玻璃破碎所需的应力。该方法的不足在于压缩应力的下降发生在玻璃产品的所有区域而不是只发生在最有可能发生头部冲击的玻璃的区域。
因此，本领域需要在玻璃的受控的区域实审局部化的退火，由此所得产品将在例如靠近该产品的边缘处的关键区域保留其强度，并在对于乘员安全性而言重要的区域进行弱化。
概述
本发明的实施方式总体涉及用于生产离子交换的玻璃的方法,例如具有中等压缩应力、高压缩层深度和/或所需的中央张力的特征的玻璃。其它的实施方式提供具有层压的、钢化的玻璃的汽车窗格玻璃或层压件。
根据本发明的一种或多种实施方式,方法和设备提供用于薄的玻璃制品，其具有来自离子交换技术的表面压缩层，其实现耐刮擦性和抗冲击性。该玻璃制品还可呈现较高的压缩层深度(DOL),使它能耐受环境损坏。应指出，在某些区域中玻璃表面处的压缩应力(CS)可低于传统的离子交换的玻璃,其使得玻璃通过汽车冲击安全性标准(例如ECER43头模冲击测试)，并因此适用于汽车窗格玻璃应用。
其它实施方式提供导致直接的热退火的示例性方法，并由此使得热学钢化或化学-钢化的玻璃制品局部弱化。一种示例性实施方式将激光用于这直接的热退火，由此激光将玻璃局部地加热到足以形成热退火，但控制暴露于激光的过程以限制对玻璃造成断裂或其它物理损坏。其它示例性实施方式包含引导的微波或感应加热以形成所需的局部化的热退火。
本发明的一些实施方式提供用于为玻璃制品提供局部退火区域的方法。该方法包含提供具有第一表面压缩应力和第一压缩应力层深度的强化的玻璃制品，以及在玻璃制品的第一侧面上选择玻璃制品的第一部分作为目标。该方法还包含将选择作为目标的第一部分退火到第二表面压缩应力和第二压缩应力层深度，重复选择目标和退火步骤以在玻璃制品的第一侧面上形成玻璃制品的退火部分的图案。
本发明的其它施方式提供层压件结构，其具有第一玻璃层,第二玻璃层,和在第一玻璃层和第二玻璃层中间的至少一种聚合物中间层。第一玻璃层可包含强化的玻璃，该强化的玻璃包括具有第一表面压缩应力和第一压缩应力层深度第一部分以及具有第二表面压缩应力和第二压缩应力层深度的第二部分。
本发明的其它施方式提供层压件结构，其具有第一玻璃层,第二玻璃层,和在第一玻璃层和第二玻璃层中间的至少一种聚合物中间层。第一玻璃层可包含强化的玻璃，该强化的玻璃包括具有第一表面压缩应力和第一压缩应力层深度第一部分以及具有第二表面压缩应力和第二压缩应力层深度的第二部分。第二玻璃层可包含强化的玻璃，该强化的玻璃包括具有第三表面压缩应力和第三压缩应力层深度的第三部分以及具有第四表面压缩应力和第四压缩应力层深度的第四部分。
应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述给出了本发明的实施方式，用来提供理解要求保护的本发明主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明了本文所述的各种实施方式，并与说明书一起用来解释要求保护的主题的原理和操作。
附图简要说明
为说明之目的，在附图中示出优选形式，但应理解，本发明所批露和所述的实施方式不限于所示的精确配置和手段。
图1是流程图，其显示本发明的一些实施方式。
图2是流程图，其显示本发明的另外一些实施方式。
图3是本发明的一些实施方式的横截面显示。
图4是本发明的另外一些实施方式的透视图。
图5是图3和4的另一透视图，显示其中需要减少的强度和全部强度的区域。
图6是包括局部退火部分的阵列的玻璃制品的透视图。
具体描述
在下面的描述中，在图中所示的多个视图中，类似的附图标记表示类似或对应的部分。还应理解，除非另外指出，术语如“顶部”，“底部”，“向外”，“向内”等是常用词语，不构成对术语的限制。此外，应理解，描述一个基团包含一些元素中的至少一种和及其组合时，该基团可以单独或相互组合的形式包含任意数量所列元素，或者以单独或相互组合的形式由任意数量所列元素组成，或者以单独或相互组合的形式主要由任意数量所列元素组成。
类似的，每当将一个组描述为由一组要素中的至少一个要素或它们的组合组成时，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量的这些所列要素组成。除非另外说明，否则，列举的数值范围同时包括所述范围的上限和下限。除非另外说明，否则，本文所用的不定冠词“一个”和“一种”及其相应的定冠词“该”表示至少一(个/种)，或者一(个/种)或多(个/种)。
提供以下对本发明的描述，作为按其最佳的目前已知的实施方式来揭示本发明的内容。相关领域的技术人员将会认识到，可以对所描述的实施方式做出许多改变，而还能获得本发明的有益的结果。还显而易见的是，本发明所需的有益结果中的一部分可以通过选择本发明的一些特征而不利用其他的特征来获得。因此，本领域普通技术人员会认识到，对本发明的许多更改和修改都是可能的，在某些情况下甚至是理想的，并且是本发明的一部分。因此，提供以下描述作为对本发明原理的说明，不构成对本发明的限制。
本领域普通技术人员将理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可对本文所述的示例性实施方式进行许多修改。因此，该说明书无意于也不应受限于所给出的实施例，但应赋予通过所附权利要求及其等同体所提供的全部的保护范围。此外，还可使用本发明的一些特征，而相应地不使用其它特征。因此，提供示例或示意实施方式的上述说明，来显示本发明的主题内容的原理，而不对其构成限制，且可包括对本发明的修改和置换。
图1是流程图，其显示本发明的一些实施方式。参考图1,一些实施方式包含应用一种或多种方法来生产具有某些特征的较薄的玻璃板(在约2mm或更小的量级),例如较中等的压缩应力(CS),较高的压缩层深度(DOL),和/或中等中央张力(CT)。该方法包含制备能进行离子交换的玻璃板(步骤100)。然后，可使玻璃板经受离子交换过程(步骤102),然后可使玻璃板经受退火过程(步骤104)。
离子交换过程102可涉及将玻璃板暴露于包含KNO3(优选地较纯的KNO3)的熔盐浴中，并保持在约400-500℃的一个或多个第一温度和/或保持约1-24小时例如但不限于约8小时的第一时间段。应指出，可使用其它的盐浴组成，且本领域普通技术人员能考虑这种替代方式。因此,批露KNO3不应限制所附权利要求的范围。这种示例性离子交换过程可在玻璃板的表面产生初始压缩应力(iCS),产生进入玻璃板中初始压缩层深度(iDOL),和在玻璃板之内产生初始中央张力(iCT)。
一般来说,在示例性离子交换过程之后,初始压缩应力(iCS)可超过预定的(或所需的)数值,例如等于或大于约500MPa,在有些玻璃中和在有些加工历程下通常可达到600MPa或更高,或甚至达到1000MPa或更高。或者,在示例性离子交换过程之后,初始压缩层深度(iDOL)可低于预定的(或所需的)数值,例如等于或小于约75微米，或者在有些玻璃中和在有些加工历程下甚至更低。或者,在示例性离子交换过程之后,初始中央张力(iCT)可超过预定的(或所需的)数值,例如大于预定的玻璃板的脆性极限,其可大于或等于约40MPa,或具体来说，在有些玻璃中大于或等于约48MPa。
如果初始压缩应力(iCS)超过所需的数值,初始压缩层深度(iDOL)低于所需的数值,和/或初始中央张力(iCT)超过所需的数值,则会在使用各玻璃板制备的最终产品中形成不利的特征。例如,如果初始压缩应力(iCS)超过所需的数值(达到例如,1000MPa),那么在某些情况下的玻璃的断裂可能不会发生。尽管这可能与直觉相反，但在一些情况下，玻璃板应能破碎，例如在汽车玻璃应用中，其中在某些冲击负载下玻璃必须破碎以防止受伤。
此外，如果初始压缩层深度(iDOL)低于所需的数值,那么在一些情况下玻璃板可出乎意料之外地破碎并处于不利的情况下。典型的离子交换过程可得到不大于约40-60微米的初始压缩层深度(iDOL),其可小于在使用过程中在玻璃板中形成的刮痕、凹陷等的深度。例如,已发现安装的汽车窗格玻璃(使用离子交换的玻璃)可形成因暴露于例如在使用玻璃板的环境之内的石英砂、飞起的碎片等的磨料而造成的深达约75微米或更大的外部刮痕。该深度可超过典型的压缩层深度,这可导致玻璃在使用过程中发生意料之外的断裂。
最后，如果初始中央张力(iCT)超过所需的数值,例如达到或超过选定的玻璃的脆性极限，那么玻璃板可能会意料之外地破碎并处于不利的情况下。例如,已发现4英寸x4英寸x0.7mm片材康宁(Corning)玻璃呈现性能特征，其中当在纯KNO3中实施长的单一步骤离子交换过程(475℃下8小时)时，发生不利的断裂(破碎时剧烈地损坏成较大数目的小片)。尽管获得约101微米的DOL,但得到65MPa的较高的CT，这高于所讨论的玻璃板的选定的脆性极限(48MPa)。
然而,根据一种或多种实施方式,在玻璃板已进行离子交换之后,可通过将玻璃板升高到一种或多种第二温度并保持第二时间段，来使玻璃板经受退火过程104。例如,可在空气环境中实施退火过程104,可在约400-500℃之内的第二温度下实施,且可在约4-24小时之内例如但不限于约8小时的第二时间段中实施。因此，退火过程104可使初始压缩应力(iCS)、初始压缩层深度(iDOL)和初始中央张力(iCT)中的至少一种发生改变。
例如,在退火过程104之后,可将初始压缩应力(iCS)降低到小于或等于预定的数值的最终压缩应力(fCS)。例如，初始压缩应力(iCS)可等于或大于约500MPa,但最终压缩应力(fCS)可等于或小于约400MPa,350MPa,或300MPa。应指出，最终压缩应力(fCS)的目标可随玻璃厚度而变化，因为在较厚的玻璃中可能需要更低的fCS，且在较薄的玻璃中可容忍更高的fCS。
此外，在退火过程104之后,可将初始压缩层深度(iDOL)增加到大于或等于预定的数值的最终压缩层深度(fDOL)。例如，初始压缩层深度(iDOL)可等于或小于约75微米,最终压缩层深度(fDOL)可大于或等于约80微米或90微米,例如100微米或更大。
或者,在退火过程104之后,可将初始中央张力(iCT)降低到等于或小于预定的数值的最终中央张力(fCT)。例如,初始中央张力(iCT)可等于或大于选定的玻璃板的脆性极限(例如约40-48MPa),且最终中央张力(fCT)可小于选定的玻璃板的脆性极限。用于形成示例性可离子交换的玻璃结构的其它实施例参见2012年09月26日提交的共同待审的美国专利申请号13/626,958和2013年06月25日提交的美国申请13/926,461，以上各文的全部内容通过引用纳入本文。
如上所述，可调节离子交换步骤和退火步骤的条件以获得所需的在玻璃表面处的压缩应力(CS),压缩层深度(DOL),和中央张力(CT)。可通过下述方式来实施离子交换步骤：将玻璃板在熔盐浴中浸没一段预定的时间，其中玻璃板之内或其表面上或者表面附近的离子与例如来自盐浴的较大金属离子发生交换。例如，熔盐浴可包括KNO3,熔盐浴的温度可为约400-500℃,预定的时间段可为约1-24小时,和优选地为约2-8小时。较大离子结合到玻璃中，在近表面区域产生压缩应力，从而强化玻璃板。可在玻璃片中心区域内产生相应的拉伸应力，以平衡所述压缩应力。
还例如，玻璃板中的钠离子可以被来自熔盐浴中的钾离子替换，但是具有较大原子半径的其他碱金属离子(例如铷或铯)也可以替换玻璃中的较小的碱金属离子。根据一些实施方式，玻璃板中较小的碱金属离子可被Ag+置换。类似的，其它的碱金属盐，例如但不限于硫酸盐、卤化物等，可以用于所述离子交换过程。
在低于能导致玻璃网络松弛的温度的温度下用较大的离子置换较小的离子，在整个玻璃板的表面产生离子分布，其产生应力曲线。进入的离子的较大的体积在表面上产生压缩应力(CS)，在玻璃中心区域内产生张力(中心张力，或者CT)。压缩应力与中心张力的关系大致如下式所示:
其中t表示玻璃板的总厚度，DOL表示交换深度，也称为压缩层深度。
制备玻璃板时可使用任意数目的具体玻璃组合物。例如，适用于本文所述的实施方式的可离子交换的玻璃包括碱性铝硅酸盐玻璃或者碱性铝硼硅酸盐玻璃，但是也考虑其他玻璃组成。本文所用的“可离子交换”是指玻璃能够通过尺寸更大或更小的同价态阳离子交换位于玻璃表面处或表面附近的阳离子。
例如，一种合适的玻璃组成包括SiO2、B2O3和Na2O,其中(SiO2+B2O3)≥66摩尔％,和Na2O≥9摩尔％。在一个实施方式中，玻璃板包含至少6重量％的氧化铝。在其它实施方式中,玻璃板包含一种或多种碱土金属氧化物,从而碱土金属氧化物的含量是至少5重量％。在一些实施方式中,合适的玻璃组合物还包括K2O、MgO和CaO中的至少一种。在具体实施方式中,玻璃可包含61-75摩尔％SiO2；7-15摩尔％Al2O3；0-12摩尔％B2O3；9-21摩尔％Na2O；0-4摩尔％K2O；0-7摩尔％MgO；和0-3摩尔％CaO。
在其他实施方式中，适于形成混合玻璃层压件的玻璃组成还包含：60-70摩尔％SiO2；6-14摩尔％Al2O3；0-15摩尔％B2O3；0-15摩尔％Li2O；0-20摩尔％Na2O；0-10摩尔％K2O；0-8摩尔％MgO；0-10摩尔％CaO；0-5摩尔％ZrO2；0-1摩尔％SnO2；0-1摩尔％CeO2；小于50ppmAs2O3；和小于50ppmSb2O3；其中12摩尔％≤(Li2O+Na2O+K2O)≤20摩尔％和0摩尔％≤(MgO+CaO)≤10摩尔％。
又一其它示例玻璃组成包括：63.5-66.5摩尔％SiO2；8-12摩尔％Al2O3；0-3摩尔％B2O3；0-5摩尔％Li2O；8-18摩尔％Na2O；0-5摩尔％K2O；1-7摩尔％MgO；0-2.5摩尔％CaO；0-3摩尔％ZrO2；0.05-0.25摩尔％SnO2；0.05-0.5摩尔％CeO2；小于50ppmAs2O3；和小于50ppmSb2O3；其中14摩尔％≤(Li2O+Na2O+K2O)≤18摩尔％和2摩尔％≤(MgO+CaO)≤7摩尔％。
在另一个实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含以下成分、主要由以下成分组成或由以下成分组成：61-75摩尔％SiO2；7-15摩尔％Al2O3；0-12摩尔％B2O3；9-21摩尔％Na2O；0-4摩尔％K2O；0-7摩尔％MgO；和0-3摩尔％CaO。
在一个具体实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含氧化铝、至少一种碱金属以及在一些实施方式中大于50摩尔％的SiO2，在另一些实施方式中至少为58摩尔％的SiO2，以及在其他实施方式中至少为60摩尔％的SiO2，其中满足比例其中该比例中的组分以摩尔％计，改性剂选自碱金属氧化物。在一个特定的实施方式中，该玻璃包含以下成分、主要由以下成分组成或由以下成分组成：58-72摩尔％SiO2；9-17摩尔％Al2O3；2-12摩尔％B2O3；8-16摩尔％Na2O；和0-4摩尔％K2O,其中满足比例又在另一个实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃基材包含以下成分、主要由以下成分组成或由以下成分组成：60-70摩尔％SiO2；6-14摩尔％Al2O3；0-15摩尔％B2O3；0-15摩尔％Li2O；0-20摩尔％Na2O；0-10摩尔％K2O；0-8摩尔％MgO；0-10摩尔％CaO；0-5摩尔％ZrO2；0-1摩尔％SnO2；0-1摩尔％CeO2；小于50ppmAs2O3；和小于50ppmSb2O3；其中12摩尔％≤Li2O+Na2O+K2O≤20摩尔％和0摩尔％≤MgO+CaO≤10摩尔％。
又在另一个实施方式中，碱性铝硅酸盐玻璃包含以下成分、主要由以下成分组成或由以下成分组成：64-68摩尔％SiO2；12-16摩尔％Na2O；8-12摩尔％Al2O3；0-3摩尔％B2O3；2-5摩尔％K2O；4-6摩尔％MgO；和0-5摩尔％CaO,其中：66摩尔％≤SiO2+B2O3+CaO≤69摩尔％；Na2O+K2O+B2O3+MgO+CaO+SrO>10摩尔％；5摩尔％≤MgO+CaO+SrO≤8摩尔％；(Na2O+B2O3)≤Al2O3≤2摩尔％；2摩尔％≤Na2O≤Al2O3≤6摩尔％；和4摩尔％≤(Na2O+K2O)≤Al2O3≤10摩尔％。其它的示例性玻璃结构的组成参见2012年09月26日提交的共同待审的美国专利申请号13/626,958和2013年06月25日提交的美国13/926,461，以上各文的全部内容通过引用纳入本文。
图2是流程图，其显示本发明的另外的实施方式。参考图2,这些实施方式可包含在步骤200中提供玻璃制品，该玻璃制品已如上所述进行化学强化。然后，可将该制品移动到另一工作站或保持在相同的工作阶段，由此可在步骤202中，通过移动激光器或使用透镜-阵列来将目标从一个位置改变到下一个位置，来使合适的激光器或其它系统(例如,微波、感应能等)瞄准到制品的预定位置上。示例性激光器因此可将能量赋予到制品上的目标,加热玻璃和通过在目标区域中的退火作用导致压缩应力下降。在一些实施方式中,可调节激光器的设定和各暴露时间来在目标区域中形成全部或部分退火效果。一旦在一个目标位置获得所需的效果之后,可在步骤204中将激光器重新瞄准到一个新的位置，并重复该过程来实现玻璃制品的图案化。虽然本文描述了使用一台激光器，但所附权利要求不应受限于此，因为可使用单个地或单独地进行控制的激光器的阵列来形成所需的退火的图案或在制品上的预定的区域中提供退火。
适用于本发明的实施方式的激光器包括但不限于CO2激光器系统,Nd:YAG系统等。这种激光器具有优势，即来自各CO2激光器的激光能量可被玻璃强烈地吸收，从而可在玻璃的表面层(即,其中钢化的玻璃的压缩应力被局部化的位置)之内浓缩激光的能量。CO2激光可通常渗透进入示例性玻璃表面内约10微米或更多微米；然而,在本发明的一些实施方式中，可控制其功率来获得所需的退火深度。这种实施方式可提供激光能量的表面特殊的吸收，可将退火局部化到只在示例性钢化的玻璃制品的一个表面上的区域,而相反的钢化的表面是非退火的。
在本发明的另一种实施方式中,可在玻璃制品或层压件结构的两侧之上实现局部化退火，以获得在制品的多个钢化表面上的所需的和/或局部化的退火。通过例如控制能量密度、停留时间和/或用激光器加热玻璃的速率，可用示例性激光技术或设备来获得这种局部化退火，从而避免给玻璃表面或玻璃表面的一些部分造成损坏。在另外的实施方式中,可调节激光的光斑尺寸来管理能量密度以及优化受到影响的玻璃区域的量(即，尽可能缩短加工循环时间)。本发明的实施方式设想了许多退火图案的变体。例如,有些实施方式可使用激光技术来以小点或点的栅格图案来退火玻璃产品，由此点的面积是约1cm2且相邻的点之间的距离是约1cm。该栅格图案将有效地满足用于头部冲击的安全性要求，同时在激光图案的区域中保留显著量的玻璃的原始的未退火的强度。
虽然已基于激光技术来描述本发明的实施方式,但本文所附权利要求不应受限于此，因为可使用替代的方法来构建退火的玻璃的图案。例如,在本发明的替代实施方式中可使用微波系统来实现玻璃的选择性加热。使用微波系统,例如,微波能量对玻璃制品进行的图案化的退火可使用屏蔽材料来实现，该屏蔽材料具有设计的孔等的图案且设置在制品和微波能量源之间。在另一种实施方式中,可使用感应加热来对玻璃制品进行局部化退火。用感应加热系统对制品进行的图案化的退火可使用在玻璃制品表面上印刷的设计图案(放置的或印刷的)来实现。该印刷的设计图案可因此优先吸收或阻挡来自感应源的能量，由此得到在所需的位置进行局部化退火的玻璃制品。
在本发明的实施方式中，对于化学-钢化的玻璃，可使用时间和温度的不同组合来获得50MPa或更多的应力的局部化下降(即,退火)，如下文的表1所示。
表1
应指出，表1所示的数值只是示例性的且不应限制本文所附权利要求的范围，因为还设想了更高和不同的温度和/或时间。此外，如果通过激光能量源实现高于425℃的局部化加热，那么退火各目标所需的时间可能短得多。本文所述的方法可适用于许多应用。一种特别感兴趣的应用是用于汽车窗格玻璃应用，由此该方法实现制备可通过汽车冲击安全性标准的玻璃。本领域普通技术人员可确定其它应用。
图3是本发明的一些实施方式的横截面显示。图4是本发明的其它实施方式的透视图。参考图3和4,示例性实施方式可包含2层化学强化的玻璃，例如玻璃，其可如上所述地进行热处理、离子交换和退火。示例性实施方式可具有约300MPa的表面压缩或压缩应力和大于约60微米的DOL。在优选的实施方式中,层压件10可包含玻璃的外层12，其具有小于或等于1.0mm的厚度，并包括具有大于60微米的DOL的约250MPa-约350MPa的残留表面CS水平。在另一种实施方式中，外层12的CS水平优选地是约300MPa。层压件10还包含聚合物中间层14和玻璃的内层16，该玻璃的内层16也具有小于或等于1.0mm的厚度并包括具有大于60微米的DOL的约250MPa-约350MPa的残留表面CS水平。在另一种实施方式中，内层16的CS水平优选地是约300MPa。在一种实施方式中,中间层14可具有约0.8mm的厚度。示例性中间层14可包括但不限于聚乙烯醇缩丁醛或其它合适的聚合物材料。在其它实施方式中，外层和/或内层12,16的表面中的任一种可进行酸蚀刻，以改善对外部冲击事件的耐久性。例如,在一种实施方式中,外层12的第一表面13进行酸蚀刻和/或内层的另一表面17进行酸蚀刻。在另一种实施方式中,外层的第一表面15进行酸蚀刻和/或内层的另一表面19进行酸蚀刻。这种实施方式因此可提供比常规层压件结构轻得多且符合规定的冲击要求的层压件构造。
在本发明的另一种实施方式中,可使用至少一层薄的但高强度的玻璃来建造示例性层压件结构。在这种实施方式中,化学强化的玻璃例如玻璃可用于示例性层压件10的玻璃的外层12和/或内层16。在另一种实施方式中,玻璃的内层16可为常规的钠钙玻璃、退火的玻璃等。外层和/或内层12,16的示例性厚度可为以下厚度：从0.55mm到1.5mm到2.0mm或更大。此外，在层压件结构10中，外层和内层12,16的厚度可不同。示例性玻璃层可通过熔合拉制来制备，如美国专利号7,666,511,4,483,700和5,674,790所述，以上各文的全部内容通过引用纳入本文，然后化学强化这种拉制的玻璃。示例性玻璃层12,16因此可具有深的CS的DOL，并可具有高挠曲强度、耐刮擦性和抗冲击性。示例性实施方式还可包含酸蚀刻的或闪耀的表面以通过减少在这些表面上的瑕疵的尺寸和严重性，来增加抗冲击性和增加这种表面的强度。如果在蚀刻之后立刻进行层压，可在结合到中间层的表面上保持蚀刻或闪耀(flaring)的强化益处。
本发明的一实施方式涉及层压件结构，其具有第一玻璃层,第二玻璃层,和在第一玻璃层和第二玻璃层中间的至少一种聚合物中间层。第一玻璃层可包含薄的化学强化的玻璃，其具有约250MPa-约350MPa的表面压缩应力和大于约60微米的CS的层深度(DOL)。在另一种实施方式中,第二玻璃层可包含薄的化学强化的玻璃，其具有约250MPa-约350MPa的表面压缩应力和大于约60微米的CS的层深度(DOL)。第一和/或第二玻璃层的优选的表面压缩应力可为约300MPa。在一些实施方式中,第一玻璃层和/或第二玻璃层的厚度可为不超过1.5mm的厚度,不超过1.0mm的厚度,不超过0.7mm的厚度,不超过0.5mm的厚度,在约0.5mm-约1.0mm之内的厚度,约0.5mm-约0.7mm的厚度。当然，第一玻璃层和第二玻璃层的厚度和/或组成可彼此不同。此外，与中间层相反的第一玻璃层的表面可进行酸蚀刻,与中间层相邻的第二玻璃层的表面可进行酸蚀刻。示例性聚合物中间层包含以下材料：例如但不限于聚乙烯醇缩丁醛(PVB),聚碳酸酯,声学PVB,乙烯乙酸乙烯酯(EVA),热塑性聚氨酯(TPU),离聚物,热塑性材料,及其组合。
本发明的另一实施方式涉及层压件结构，其具有第一玻璃层,第二玻璃层,和在第一玻璃层和第二玻璃层中间的至少一种聚合物中间层。第一玻璃层和第二玻璃层可包含薄的化学强化的玻璃，其具有约250MPa-约350MPa的表面压缩应力和大于约60微米的压缩层深度(DOL)。第一和/或第二玻璃层的优选的表面压缩应力可为约300MPa。在一些实施方式中,第一玻璃层和/或第二玻璃层的厚度可为不超过1.5mm的厚度,不超过1.0mm的厚度,不超过0.7mm的厚度,不超过0.5mm的厚度,在约0.5mm-约1.0mm之内的厚度,约0.5mm-约0.7mm的厚度。当然，第一玻璃层和第二玻璃层的厚度可彼此不同。此外，与中间层相反的第一玻璃层的表面可进行酸蚀刻,与中间层相邻的第二玻璃层的表面可进行酸蚀刻。在另一种实施方式中,接触中间层的第一玻璃层的表面可进行酸蚀刻,与中间层相反的第二玻璃层的表面可进行酸蚀刻。示例性聚合物中间层包含以下材料：例如但不限于聚乙烯醇缩丁醛(PVB),聚碳酸酯,声学PVB,乙烯乙酸乙烯酯(EVA),热塑性聚氨酯(TPU),离聚物,热塑性材料,及其组合。第一玻璃层或第二玻璃层可具有小于预定的脆性极限的中央张力(CT)。
对汽车乘员的冲击伤害的损伤水平相关的关注要求汽车窗格玻璃较易于破碎。例如，在ECE R43第2版中存在以下要求：当由内部物体(在碰撞过程中乘员的头)冲击层压件时，层压件应断裂从而耗散在该事件中的能量并尽可能降低乘员受伤的风险。这个要求总体上阻止直接使用高强度玻璃作为层压件结构的两板层。通过大量的头模测试，已发现根据本发明的实施方式的示例性层压件结构具有一或更多层化学强化的玻璃，其具有约250MPa-约350MPa、优选约300MPa的残留表面压缩应力水平，且各层的玻璃厚度是约0.7mm，一致地符合这些测试要求。
继续参考图4,显示另一示例性层压件结构10实施方式，其具有玻璃的外层12，聚合物中间层14,和玻璃的内层16，该玻璃的外层12具有小于或等于1.0mm的厚度和包括具有大于60微米的DOL的约250MPa-约350MPa的残留表面CS水平,且该玻璃的内层16也具有小于或等于1.0mm的厚度和包括具有大于60微米的DOL的约250MPa-约350MPa的残留表面CS水平。如图所示，层压件结构10可为平坦的或通过将形成的玻璃弯曲成汽车中所用的挡风玻璃或其它玻璃结构来形成为三维形状。
图5是图3和4的另一透视图，显示其中需要减少的强度和全部强度的区域。图6是包括局部化退火部分的阵列的玻璃制品的透视图。参考图5和6,玻璃制品或层压件结构可为但不限于如上所述的挡风玻璃或其它合适的玻璃制品。玻璃制品的第一区域504可进行局部地退火以满足头模测试或其它标准，但挡风玻璃或其它制品的第二区域502(例如边缘部分)可保持其原始的强度和特征(参见例如,图3和4)。可通过移动激光器或使用透镜-阵列以将目标从一个位置改变到第二个位置，来瞄准第一区域504。示例性激光器可用来将能量赋予到制品上的目标,加热玻璃和通过在目标区域中的退火作用导致压缩应力下降。如上所述,还可使用感应加热和/或微波加热机械装置，因此本文所附权利要求不应仅限于通过激光技术进行局部化退火。一旦在一个目标位置获得所需的全部或部分退火之后,可将激光器重新瞄准到一个新的位置，并重复该过程来实现玻璃制品的图案化604。这种实施方式可提供表面特殊的激光能量吸收，由此可将退火局部化到示例性玻璃制品的一个表面上的预定的区域604,而使玻璃制品的其它区域602(包含相反的表面,未显示)没有进行局部地退火。当然，可在玻璃制品或层压件结构的两个侧面上实现局部化退火，以在制品的多个钢化的表面上获得所需的和/或局部化的退火，由此在单一玻璃制品中获得多种不同的表面压缩应力和压缩应力层深度。此外，设想了可在第一区域504中在相继的点或斑点之间改变通过各激光(或微波或感应源)赋予的退火的水平，从而形成多个点或斑点或它们的组，并在第一区域504中具有不同的退火水平(并因此在第一区域504中在斑点或点之间具有不同的表面压缩应力水平和压缩应力的层深度)。
通过例如控制能量密度、停留时间和/或用激光器加热玻璃的速率，可用示例性激光技术或设备来获得这种局部化退火，从而避免给玻璃表面或玻璃表面的部分造成损坏。在其它实施方式中,可调节激光的光斑尺寸来管理能量密度以及优化受到影响的玻璃区域的量(即，尽可能缩短加工循环时间)。本发明的实施方式设想了许多退火图案变体，因此图6所示的点或小点的阵列不应限制本文所附权利要求的范围。例如,有些实施方式可使用激光器,微波或感应技术来以下述形式退火玻璃产品：成排的图案、卵形、点或在单个的目标区域之间具有不同距离的其它几何形貌图形或阵列。无论如何，由这种几何形貌形成的栅格图案将有效地满足用于头部冲击的安全性要求，同时在激光图案的区域中保留显著量的玻璃的原始的未退火的强度。
本发明的实施方式提供在玻璃制品的特殊区域中降低玻璃的强度的能力,从而使制品符合安全性标准(例如头部冲击)同时在制品的其它区域(例如,靠近制品边缘的区域)保持玻璃的全部强度。在使用激光器的非限制性实施方式中,激光器设备可进行编程来暴光某些区域和不暴光其它区域,由此无需额外的加工来形成退火的玻璃的图案。在这些实施方式中,退火的量可方便地通过改变激光参数例如增加或降低激光的功率来调节。通过构建退火的玻璃的图案,而不是对玻璃较大的连续区域进行退货,根据本发明的实施方式的玻璃制品可更多地保留其原始的强度，同时进行局部退火的区域在冲击事件(例如头部冲击)的应力下可为失效的来源。其它实施方式还提供在玻璃制品的一个或两个表面上进行局部化退火的优势。
本发明的一些实施方式提供用于为玻璃制品提供局部地退火的区域的方法。该方法包含提供具有第一表面压缩应力和第一压缩应力层深度的强化的玻璃制品，以及在玻璃制品的第一侧面上选择玻璃制品的第一部分作为目标。该方法还包含将选择作为目标的第一部分退火到第二表面压缩应力和第二压缩应力层深度，重复所述选择目标和退火步骤以在玻璃制品的第一侧面上形成玻璃制品的退火部分的图案。在其它实施方式中,第二表面压缩应力和第二压缩应力层深度分别小于第一表面压缩应力和第一压缩应力层深度。退火的步骤还可包含在选择作为目标的第一部分上聚焦激光并保持预定的能量密度和停留时间，以避免对玻璃制品造成损坏。示例性激光包括但不限于CO2激光或Nd:YAG激光。当然，可使用局部化退火的其它方法例如但不限于，使用微波能量选择性地加热选择作为目标的第一部分或使用感应源选择性地加热选择作为目标的第一部分。当适用时，这些其它方法中的任一种还可利用使用屏蔽材料来屏蔽玻璃制品的非选作目标的部分或优先地吸收或阻断来自感应源的能量。在其它实施方式中,该方法包含在玻璃制品的第二侧面上选择玻璃制品的第三部分作为目标,将该选择作为目标的第三部分退火到第三表面压缩应力和第三压缩应力层深度,以及重复这些额外的选择目标和退火步骤以在玻璃制品的第二侧面上形成玻璃制品的退火部分的图案。在一些实施方式中,第二表面压缩应力和第三表面压缩应力是不同的。在其它实施方式中,第二压缩应力层深度和第三压缩应力层深度是不同的。示例性强化的玻璃制品可包含一种或多种玻璃层和中间层。此外,示例性强化的玻璃制品可包含化学强化的玻璃层,热学强化的玻璃层,或其组合。
本发明的其它施方式提供层压件结构，其具有第一玻璃层,第二玻璃层,和在第一玻璃层和第二玻璃层中间的至少一种聚合物中间层。第一玻璃层可包含强化的玻璃，该强化的玻璃包括具有第一表面压缩应力和第一压缩应力层深度的第一部分，以及具有第二表面压缩应力和第二压缩应力层深度的第二部分。第一层和/或第二层的强化玻璃可为化学强化的玻璃或热学强化的玻璃。在一种实施方式中,第一表面压缩应力可为约250MPa-约350MPa，第一压缩应力层深度可大于约60微米。在另一种实施方式中,第二表面压缩应力可小于第一表面压缩应力，第二压缩应力层深度可小于第一压缩应力层深度。在一些实施方式中,第二玻璃层可包含强化的玻璃，该强化的玻璃包括具有第三表面压缩应力和第三压缩应力层深度的第三部分以及具有第四表面压缩应力和第四压缩应力层深度的第四部分。在另一种实施方式中,第三表面压缩应力可为约250MPa-约350MPa，第三压缩应力的层深度可大于约60微米。在其它实施方式中,第四表面压缩应力可小于第三表面压缩应力，第四压缩应力层深度可小于第三压缩应力层深度。当然，第一表面压缩应力和第三表面压缩应力可不同,第一压缩应力的层深度和第三压缩应力的层深度可不同。第一玻璃层和第二玻璃层的示例性厚度可为但不限于不超过1.5mm的厚度,不超过1.0mm的厚度,不超过0.7mm的厚度,不超过0.5mm的厚度,约0.5mm-约1.0mm之内的厚度,约0.5mm-约0.7mm的厚度。在一些实施方式中，第一玻璃层和第二玻璃层的厚度和/或组成可不同。示例性聚合物中间层可为但不限于聚乙烯醇缩丁醛(PVB),聚碳酸酯,声学PVB,乙烯乙酸乙烯酯(EVA),热塑性聚氨酯(TPU),离聚物,热塑性材料,及其组合。中间层的示例性、非限制性厚度可为约0.8mm。
本发明的其它施方式提供层压件结构，其具有第一玻璃层,第二玻璃层,和在第一玻璃层和第二玻璃层中间的至少一种聚合物中间层。第一玻璃层可包含强化的玻璃，该强化的玻璃包括具有第一表面压缩应力和第一压缩应力层深度第一部分以及具有第二表面压缩应力和第二压缩应力层深度的第二部分。第二玻璃层可包含强化的玻璃，该强化的玻璃包括具有第三表面压缩应力和第三压缩应力层深度的第三部分以及具有第四表面压缩应力和第四压缩应力层深度的第四部分。第一层和/或第二层的强化的玻璃可为化学强化的玻璃或热学强化的玻璃。在一种实施方式中,第一表面压缩应力可为约250MPa-约350MPa，第一压缩应力层深度可大于约60微米。在另一种实施方式中,第二表面压缩应力可小于第一表面压缩应力，第二压缩应力层深度可小于第一压缩应力层深度。在另一种实施方式中,第三表面压缩应力可为约250MPa-约350MPa，第三压缩应力的层深度可大于约60微米。在其它实施方式中,第四表面压缩应力可小于第三表面压缩应力，第四压缩应力层深度可小于第三压缩应力层深度。当然，第一表面压缩应力和第三表面压缩应力可不同,第一压缩应力层深度和第三压缩应力层深度可不同。第一玻璃层和第二玻璃层的示例性厚度可为但不限于不超过1.5mm的厚度,不超过1.0mm的厚度,不超过0.7mm的厚度,不超过0.5mm的厚度,约0.5mm-约1.0mm之内的厚度,约0.5mm-约0.7mm的厚度。在一些实施方式中，第一玻璃层和第二玻璃层的厚度和/或组成可不同。示例性聚合物中间层可为但不限于聚乙烯醇缩丁醛(PVB),聚碳酸酯,声学PVB,乙烯乙酸乙烯酯(EVA),热塑性聚氨酯(TPU),离聚物,热塑性材料,及其组合。中间层的示例性、非限制性厚度可为约0.8mm.
虽然本说明书可包括许多细节，但这些细节不应构成其范围的限制，相反这些特征的描述可对于特定实施方式而所特有的。在本说明书的单独的实施方式中描述的某些特征也可以组合起来在单个实施方式中实现。反之，在单一实施方式的内容中描述的各种特征也可以在多个实施方式中独立地或者以任何适当次级组合的形式实现。而且，虽然上述特征被描述成以某些组合的形式起作用，而且甚至最初也是这样要求权利的，但所要求权利的组合中的一种或多种特征在一些情况下可以从该组合中去除，所要求权利的组合可以针对次级组合或者次级组合的变化。
类似地，虽然在附图中以特定的顺序显示操作，但这不应理解为要求这些操作按照所示的特定顺序或按照先后顺序来实施，或者实施所有所示的操作来获得所需的结果。在一些实施方式中，多任务和平行的加工可为优选的。
如通过图1-6中所述的各种构造和实施方式所示，描述了用于化学强化玻璃的局部退火的方法的各种实施方式。
虽然已描述了本发明的优选的实施方式，但应理解所述的实施方式只是说明性的，本发明的范围仅仅由所附权利要求来限定，当给予全范围的等同体时，本领域普通技术人员自然地可进行许多修改和变化。

Claims (34)

1.一种为玻璃制品提供局部退火区域的方法，所述方法包括：
(a)提供强化的玻璃制品，其具有第一表面压缩应力和第一压缩应力层深度；
(b)在该玻璃制品的第一侧面上选择玻璃制品的第一部分作为目标；
(c)将选择作为目标的第一部分退火到第二表面压缩应力和第二压缩应力层深度；和
(d)重复步骤(b)和(c)以在该玻璃制品的第一侧面上形成玻璃制品的退火部分的图案，
其中所述强化的玻璃制品包含一种或多种玻璃层，并且还包含中间层，
其中第一表面压缩应力是250MPa-350MPa。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第二表面压缩应力和第二压缩应力层深度分别小于第一表面压缩应力和第一压缩应力层深度。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火步骤还包含在选择作为目标的第一部分上聚焦激光并保持预定的能量密度和停留时间，以避免对玻璃制品造成损坏。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述激光是CO2激光或Nd:YAG激光。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述退火的步骤还包含使用微波能量选择性地加热所述选择作为目标的第一部分。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，选择性地加热的步骤还包括用屏蔽材料屏蔽该玻璃制品的非选作目标的部分。
7.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述退火的步骤还包含使用感应源选择性地加热所述选择作为目标的第一部分。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，选择性地加热的步骤还包括优先地吸收或阻断来自该感应源的能量。
9.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：
(i)在该玻璃制品的第二侧面上选择玻璃制品的第三部分作为目标；
(ii)将选择作为目标的第三部分退火到第三表面压缩应力和第三压缩应力层深度；和
(iii)重复步骤(i)和(ii)以在该玻璃制品的第二侧面上形成玻璃制品的退火部分的图案。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，第二表面压缩应力和第三表面压缩应力是不同的。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，第二压缩应力层深度和第三压缩应力层深度是不同的。
12.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述强化的玻璃制品包含化学强化的玻璃层、热学强化的玻璃层或其组合。
13.一种层压件结构，其包括：
第一玻璃层；
第二玻璃层；和
在第一玻璃层和第二玻璃层中间的至少一种聚合物中间层,
其中第一玻璃层包含强化的玻璃，该强化的玻璃包括具有第一表面压缩应力和第一压缩应力层深度的第一部分以及具有第二表面压缩应力和第二压缩应力层深度的第二部分；
其中第一玻璃层和第二玻璃层中的一种或两种包括退火部分的图案，
其中第一表面压缩应力是250MPa-350MPa。
14.如权利要求13所述的层压件结构，其特征在于，第一层的强化的玻璃是化学强化的玻璃或热学强化的玻璃。
15.如权利要求13或14所述的层压件结构，其特征在于，第一压缩应力层深度大于60微米。
16.如权利要求15所述的层压件结构，其特征在于，第二表面压缩应力小于第一表面压缩应力，第二压缩应力层深度小于第一压缩应力层深度。
17.如权利要求13或14所述的层压件结构，其特征在于，第二玻璃层包含强化的玻璃，该强化的玻璃包括具有第三表面压缩应力和第三压缩应力层深度的第三部分以及具有第四表面压缩应力和第四压缩应力层深度的第四部分。
18.如权利要求17所述的层压件结构，其特征在于，第二层的强化的玻璃是化学强化的玻璃或热学强化的玻璃。
19.如权利要求17所述的层压件结构，其特征在于，第三表面压缩应力是250MPa-350MPa，第三压缩应力层深度大于60微米。
20.如权利要求17所述的层压件结构，其特征在于，第四表面压缩应力小于第三表面压缩应力，第四压缩应力层深度小于第三压缩应力层深度。
21.如权利要求17所述的层压件结构，其特征在于，第一表面压缩应力和第三表面压缩应力是不同的。
22.如权利要求17所述的层压件结构，其特征在于，第一压缩应力层深度和第三压缩应力的层深度是不同的。
23.如权利要求13或14所述的层压件结构，其特征在于，第一玻璃层和第二玻璃层的厚度不超过1.5mm。
24.如权利要求13或14所述的层压件结构，其特征在于，第一玻璃层和第二玻璃层的厚度不超过1.0mm。
25.如权利要求13或14所述的层压件结构，其特征在于，第一玻璃层和第二玻璃层的厚度不超过0.7mm。
26.如权利要求13或14所述的层压件结构，其特征在于，第一玻璃层和第二玻璃层的厚度不超过0.5mm。
27.如权利要求13或14所述的层压件结构，其特征在于，第一玻璃层和第二玻璃层的厚度在0.5mm-1.0mm的范围内。
28.如权利要求13或14所述的层压件结构，其特征在于，第一玻璃层和第二玻璃层的厚度在0.5mm-0.7mm的范围内。
29.如权利要求13或14所述的层压件结构，其特征在于，第一玻璃层和第二玻璃层的厚度是不同的。
30.如权利要求13或14所述的层压件结构，其特征在于，第一玻璃层和第二玻璃层的组成是不同的。
31.如权利要求13或14所述的层压件结构，其特征在于，所述聚合物中间层包含热塑性材料。
32.如权利要求13或14所述的层压件结构，其特征在于，所述聚合物中间层包含选自下组的材料：聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚碳酸酯、乙烯乙酸乙烯酯(EVA)、热塑性聚氨酯(TPU)、离聚物及其组合。
33.如权利要求13或14所述的层压件结构，其特征在于，所述聚合物中间层包含声学聚乙烯醇缩丁醛(PVB)。
34.如权利要求13或14所述的层压件结构，其特征在于，所述中间层的厚度是0.8mm。
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