CN109836032B - 制备成型玻璃制品的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制备成型玻璃制品的方法和设备。具体涉及一种用于制备三维成型玻璃制品的设备，所述设备包含：具有成型表面的模具，所述成型表面具有用于所述成型玻璃制品的所需表面轮廓并且包括平面区域和弯曲区域；具有对应于模具平面区域的成型表面并被设置在模具平面区域上方的平面区域柱塞；具有对应于模具弯曲区域的成型表面并被设置在模具弯曲区域上方的弯曲区域柱塞；和用来加热玻璃板的区域并被设置在模具弯曲区域上方的加热器，其中，平面区域柱塞和弯曲区域柱塞彼此相对移动，和其中所述模具、所述平面区域柱塞和所述弯曲区域柱塞是多孔的。

Description

制备成型玻璃制品的方法和设备
本申请是国际申请号为PCT/US2014/036512，国际申请日为2014年2月2日的PCT国际申请进入中国国家阶段后的申请，申请号为201480038898.X，发明名称为“制备成型玻璃制品的方法和设备”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉参考
本申请根据美国法典第35卷第119条要求在2013年5月7日提交的美国临时申请61/820,363和在2014年3月12日提交的美国临时申请61/951,585的优先权，其内容通过引用完整结合于此。
技术领域
本发明涉及制备成型玻璃制品，例如移动或掌上电子设备的外壳。
背景技术
掌上设备的外壳在具有功能性的同时也被要求具有美观性。拥有三维形状，其中一部分是平面的，而另一部分经过成形，比如有一定的弯度或者弧度，这样的外壳逐渐成为一种潮流。玻璃是能用来制成这种外壳的材料之一；但是制备具有平面区域和弯曲区域的成型玻璃制品需要一定的方法和设备。本公开涉及制备成型玻璃制品的方法和设备，所述成型玻璃制品具有能够使它们可用作外壳玻璃的有用特性。
发明内容
第一个方面包括制备一种三维成型玻璃制品，它包括在成型工具中放置一块玻璃板，其中该成型工具包括模具、平面区域柱塞和弯曲区域柱塞，其中所述模具具有成型表面，该成型表面具有适用于成型玻璃制品的所需表面轮廓，包括平面区域和弯曲区域；所述平面区域柱塞具有与模具的平面区域对应的成型表面；所述弯曲区域柱塞具有与模具的弯曲区域对应的成型表面。该方法还包括将平面区域柱塞移向玻璃板以压缩玻璃板；将对应于模具弯曲区域上方区域的玻璃板部分加热到成型温度以上的温度；将弯曲区域柱塞移向被加热的玻璃板以压缩被加热的玻璃板，从而形成具有平面区域和弯曲区域的成型玻璃制品。当用弯曲区域柱塞来压缩加热过的玻璃板时，所述的模具弯曲区域上方区域的玻璃板部分的温度比模具平面区域上方区域的玻璃板部分的温度要高。
在一些实施方式中，模具、平面区域柱塞和弯曲区域柱塞是多孔的。在一些实施方式中，气体流过多孔模具，平面区域柱塞和弯曲区域柱塞在玻璃板上方和下方形成压缩气体层。在一些实施方式中，弯曲区域柱塞为加热对应于模具弯曲区域上方区域的玻璃板部分提供热量。在一些实施方式中，一个辐射加热器为加热对应于模具弯曲区域上方区域的玻璃板部分提供热量。
在一些实施方式中，模具的弯曲区域包含第一弯曲区域和第二弯曲区域。在一些实施方式中，弯曲区域柱塞是安置在模具第一弯曲区域上方的第一弯曲区域柱塞，其中成型工具还包含安置在模具第二弯曲区域上方的第二弯曲区域柱塞。在一些实施方式中，模具的平面区域包含第一平面区域和第二平面区域。在一些实施方式中，平面区域柱塞是安置在模具第一平面区域上方的第一平面区域柱塞，而且成型工具还包含安置在模具第二平面区域上方的第二平面区域柱塞。
在一些实施方式中，被压缩在平面区域柱塞和模具之间的玻璃板部分的黏度保持在1012P～1013.7P之间。在一些实施方式中，平面区域柱塞和模具之间的玻璃板部分所受的压强在10kPa～1MPa之间。在一些实施方式中，被压缩在弯曲区域柱塞和模具之间的玻璃板部分的黏度保持在109.6P～1011P之间。在一些实施方式中，弯曲区域柱塞和模具之间的玻璃板部分所受的压强在10kPa～1MPa之间。
第二个方面包括一种用于制作三维成型玻璃制品的设备，其包含：
具有成型表面的模具，该成型表面具有适用于成型玻璃制品的所需表面轮廓，包含平面区域和弯曲区域；具有对应于模具平面区域的成型表面且被设置在模具平面区域上方的平面区域柱塞；具有对应于模具弯曲区域的成型表面且被设置在模具弯曲区域上方的弯曲区域柱塞；以及用来加热玻璃板位于模具弯曲区域上方的区域的加热器，其中，平面区域柱塞和弯曲区域柱塞彼此相对移动。
在一些实施方式中，模具、平面区域柱塞和弯曲区域柱塞是多孔的。在一些实施方式中，气体源与多孔的模具、平面区域柱塞和弯曲区域柱塞连接，以便气体能够流过多孔模具、平面区域柱塞和弯曲区域柱塞，在玻璃板上方和下方形成一个压缩气体层。在一些实施方式中，加热器结合在弯曲区域柱塞内。在一些实施方式中，加热器是设置在弯曲区域柱塞附近的辐射加热器。
在一些实施方式中，模具弯曲区域包含第一弯曲区域和第二弯曲区域。在一些实施方式中，弯曲区域柱塞是安置在模具第一个弯曲区域上方的第一弯曲区域柱塞，其中所述设备还包含安置在模具第二个弯曲区域上方的第二弯曲柱塞。在一些实施方式中，模具的平面区域包含第一平面区域和第二平面区域。在一些实施方式中，平面区域柱塞是安置在模具第一平面区域上方的第一平面区域柱塞，而且所述设备还包含安置在模具第二平面区域上方的第二平面区域柱塞。
第三个方面包括一种由上面描述的方法制成的3D玻璃结构。
应当理解的是，前面的概要描述和接下来的详细描述是示例性的，意在为理解本公开内容提供概览或框架。附图包含在本公开内容中，用于提供更好的理解，并且结合在本说明书中构成说明书的一部分。
附图说明
下面是对附图的描述。为了清楚和简明起见，附图不一定按比例绘制，所示的附图的某些特征和某些视图可能按比例放大显示或以示意性方式显示。
图1A-1B分别展示了碟子形状和雪橇形状的外壳玻璃的示例。
图2A-2B展示了典型地用于消费者电子设备的具有样条(spline)半径的成型玻璃制品的示例性横向剖面图，其中玻璃的曲率半径沿着边缘方向减小。
图3A-3C分别展示了三个通过双模压制、真空弯垂和机械加工制成的在栅格上的三维成型玻璃板。栅格的阴影展示了由于在通过双模压制、单模真空弯垂和机械加工制备三维部件时的固有工艺问题，玻璃表面是如何扭曲光的透射的。
图4A-4D展示了在传统的双模压制工艺中由于玻璃板的弯折(图4A-4B)和平面区域拉伸至一个拐角(图4C-4D)引起的光学畸变。
图5展示了在传统的双模压制工艺中玻璃板在一个拐角区域中与理想形状的偏差。
图6A-6D展示了在只使用真空或使用真空和压力成型的单模工艺中由于玻璃板弯折产生的力学变形。
图7A-7E展示了使用三件套模具的弯曲压制工艺的示例性示图。
图8是三件套模具的示例性横向剖视图。
图9形象地描述了玻璃和底模之间的空隙，用来：(1)避免玻璃弯曲区域产生过度压制造成的痕迹，(2)防止缺陷很难被磨光的弯曲部凹面在美观方面受到损害，以及(3)补偿玻璃在相对于模具被压制之后最开始的较快收缩。
图10A-10E是使用多孔的三件套模具的弯曲压制工艺的示例性示图。
图11是传统等温压制和三件套模具弯曲压制之间的热循环比较图表。
图12A-12D是使用多孔两件套模具的弯曲压制工艺的示例性示图。
图13是显示使用两件套模具弯曲压制工艺在玻璃的整个宽度上的压力分布的图。
图14是显示使用三件套模具弯曲压制工艺在玻璃的整个宽度上的压力分布的图。
具体实施方式
在接下来的详细描述中，将陈述众多的具体细节，用来提供对本文所述的具体实施方式的透彻理解。然而，本领域技术人员清楚在什么时候可以在缺少部分或全部这些具体细节的情况下将实施方式付诸实施。另外，相似或相同的附图标记可以用来标示共同或相似的元素。
本文公开了材料、化合物、组成和组分，它们可用于本文所公开的方法和组合物，可与所述方法和组合物结合使用，可用于准备所述方法和制备所述组合物，或者是所述方法和组合物的具体实施方式。这些和其他的材料在此被公开；应当理解，当这些材料的组合、子集、交互作用、组等等被公开，而没有明确公开对这些化合物的个别和整体组合及其变体的具体描述时，每一种情况都在本文的具体构思和描述之列。
本文所用的术语“大约”意味着数量、大小、配方、参数及其他数量和特征不是或者不必是精确的，而是可以根据需要是大致的和/或更大一些或更小一些，反映出为本领域技术人员所知的容差、转换因子、取整、测量误差等，以及其他因素。大体上来说，数量、大小、配方、参数或者其他的数量或特征是“大约”或者“大致”的，不管是否这样明确表述。
本文所用的术语“或者”是包罗性的。更具体地说，短语“A或B”意味着“A、B或者A和B”。排他性的“或者”在本文中用诸如“A或B”和“A或B之一”的术语指明。
不定冠词“一个”和“一种”是用来描述具体实施方式的元素和组分的。这些冠词的使用意味着这些元素或者组分中的一个或者至少一个是存在的。虽然这些冠词通常用来表示所修饰的名词是单数名词，但本文所用的“一个”和“一种”也包括复数，除非在一些特殊情况下另有说明。类似地，本文所用的定冠词“该”也表示所修饰的名词可以是单数或复数，同样除非在一些特殊情况下另有说明。
值得注意的是，当在本文中使用像“优选地”、“通常地”、“典型地”这类词语时，它们不是用来限制范围或者暗示某些特征对本公开的结构或功能是关键的、本质的甚至是重要的。相反，这些术语仅仅是用来表明一个实施方式的特定方面，或者强调可用于也可不用于本公开的一个特定实施方式的可选择的或附加的特征。
值得注意的是，一个或多个权利要求会使用词语“其特征在于”作为过渡语。为了本公开的目的，值得注意的是，这个词语作为开放式过渡语被引入权利要求，用来引入对一系列结构特征的叙述，并且应该以类似于更常用的开放式前序词“包含”的方式予以解释。
Figure BDA0002002216640000051
玻璃由于其杰出的机械性能被用作消费者电子设备的外壳玻璃。
Figure BDA0002002216640000052
玻璃的高强度和耐损害能力对消费者电子设备是有益的，特别是手持式和触屏应用，因为当这些设备在日常使用中掉落或者受到机械冲击时，它们具有耐刮擦和损害能力。在大多数应用中，玻璃外壳是二维的(即平面的)。但是在工业设计的推动下，顾客对手机前壳和后盖的三维成型玻璃有很大的拉动力。比如，整合了具有大平面区域和弯曲部的玻璃形状的触摸屏和显示器是最能引起人们兴趣的，所述弯曲部环绕设备边缘。图1A描述了一个具有碟子形状的示例性成型外壳玻璃100a，其顶表面具有位于中央的平面(或近似平面)区域102a，被四个弯曲/弧形侧边104a包围。图1B描述了另一个具有雪橇形状的示例性成型外壳玻璃100b，其顶表面具有位于中央的平面(或近似平面)区域102b，被四条侧边包围，其中相对的两条侧边104b是弯曲/弧形的。
图2A是根据本文所述的方法制成的成型玻璃制品200的示例性横向剖面图，该制品具有可基本上为平面的正面或反面外壳玻璃部分202和外壳玻璃侧面部分204。成型外壳玻璃100a,100b的平面区域102a，102b可以用作正面或反面外壳玻璃部分202，而成型外壳玻璃100a,100b的弯曲/弧形侧面104a，104b可以用作外壳玻璃侧面部分204。对外壳玻璃侧面部分204来说，小弯曲半径(0.5-5mm)有利于使外壳玻璃的显示区域最大化，同时仍然获得包绕形状。朝向边缘减小的弯曲半径还有利于在玻璃和企口之间获得无缝过渡。在图2B所例示，弯曲半径R1，R2，R3沿着从平坦的正面或反面外壳玻璃部分202到弧形/弯曲的外壳玻璃侧面部分204的过渡部减小，其中R1离正面或反面外壳玻璃部分202最近，R3离弧形/弯曲的外壳玻璃侧面部分204的边缘206最近，而R2在R1和R3之间。在一些实施方式中，R3大约可以在0.5-5mm之间。
上面结合图1A-2B描述的形状很难用热成型法或玻璃机械加工法形成。热成型法可以包括加热平面的二维玻璃板，然后(1)在两个形状互补的模具之间压制玻璃(“两件套模压法”)或者(2)抽真空，使玻璃适应于模具的形状[“真空弯垂法”(vacuum sagging)]。两件套模压法或真空弯垂法的共同缺陷是玻璃中的光学畸变，这可以从图3A(两件套模压法)和图3B(真空弯垂法)所示的栅格反射观察出来。另外，如图3C所示，玻璃机械加工法也会导致光学畸变。当抛光这种玻璃形状的凹面时，不可能完全消除角落和急弯部位的机械加工痕迹，而且在弧形部分获得没有光学畸变的均匀抛光是很难的。
例如，如图4A-4D所示，来自两件套模压法的光学畸变可能是由成型过程中发生的翘曲造成的。图4A描述了加热和施压前位于两个压模之间的玻璃板。图4B描述了在加热和压制过程中玻璃上本应是平面的部分发生翘曲。图4C所示俯视图是模拟测量平面区域的翘曲效应，并且测量了玻璃板与理想形状之间的偏差，单位是毫米。图4D所示的沿图4C中线A-A的横向剖面图是测量偏离所需形状的翘曲效应，单位是毫米。同样，在两件套模压过程中角落会变薄，因为玻璃伸展形成角落的形状。这示于例如图5，该图所示为模拟测量成型玻璃制品在角落区域相对于所需形状的偏差，单位是毫米。
真空弯垂中的光学畸变也可由成型过程中的翘曲造成，例如，如图6A-6C所示，它们描述了该过程中不同时点的玻璃形状。从图6C可以看到，翘曲在弧形/弯曲区域发生。这也示于图6D，该图在沿成型玻璃制品长度方向的四个位置，测量了在沿成型玻璃制品宽度方向的不同位置，成型玻璃制品与所需形状之间的偏差。y轴表示的是偏差，单位为毫米；x轴表示沿成型玻璃制品宽度方向离中心(在x轴上是0)的距离。箭头指向成型玻璃制品上对应于最大偏差的区域。
当形成三维成型玻璃制品时，本文所描述的方法和设备解决了平面区域的美观和扭曲问题，而且能够形成精确的急弯半径和复杂的样条。比如，用于成型玻璃的具有三件套模具的成型工具的使用可以克服或者最小化上面讨论过的问题。三件套模具可以包括具有成型表面的底模，该成型表面对应于成型玻璃制品的所需表面轮廓，包括平面区域和弯曲区域的；具有成型表面的平面区域柱塞，该成型表面对应于模具的平面区域，位于模具的平面区域上方并与之对齐；具有成型表面的弯曲区域柱塞，该成型表面对应于模具的弯曲区域，位于模具的弯曲区域上方并与之对齐。三件套模具的构造使得在成型过程中能够将玻璃的不同部分加热到不同的温度和/或对玻璃的不同部分施加不同的压力。所以，三件套模具使得沿玻璃宽度形成变化的温度和/或压力分布。比如，通过弯曲区域柱塞成型的玻璃部分可以通过加热弯曲区域柱塞来加热到更高的温度，而且可以通过给弯曲区域柱塞施加比平面区域柱塞更大的压力来得到比位于平面区域柱塞下方的玻璃部分更大的压力。
图7A-7E和图8描述了本发明用于形成具有平面区域和弧形/弯曲区域的三维(“3D”)形状玻璃制品的一个示例性实施方式。图7A-7E描述了使用三件套模具的方法的示例性递进步骤视图。图8是展示图7A-7E所示的示例性三件套模具的更多细节的横向剖面示图。三维外壳玻璃可以通过自二维(“2D”)平面玻璃板对成型玻璃进行二次热成型来制得。在一些实施方式中，二维玻璃板可以从熔合法形成的原始玻璃板拉制。玻璃的原始性质可以一直保持到对玻璃进行强化处理，比如离子交换化学强化处理。
首先，可以将二维玻璃板700放置在成型工具的模具710上。模具710可具有成型表面712，该成型表面具有成型玻璃制品所需的表面轮廓，包括平面区域714和弯曲区域716(图7A)。在一些实施方式中，模具710可包括用来将玻璃板精准定位在模具710上的定位销818。在一些实施方式中，玻璃板700在放入成型工具前可以先预热。比如，玻璃板700可以通过使用空气轴承预热站来预热，例如，玻璃板700可以在少于约60秒的循环时间被加热到大约600℃。在其他实施方式中，模具710可以放置在炉子中，可对玻璃板700进行对流加热。这使得模具710的温度达到或接近于成型温度，并且使玻璃板700在模具710上的时间最少，从而降低了制造成本。在一些实施方式中，炉子外壳可以处于惰性气氛、真空气氛或环境气氛中。真空或惰性气氛的使用可以提供提高的清洁度。
接下来，模具710被移入一个压力站，在这里，对应于成型玻璃成品平面区域的玻璃板区域处于压力下(图7B)。这个可以通过使用具有对应于模具710的平面区域714的成型表面722的平面区域柱塞720来完成。模具710和/或平面区域柱塞720发生移动，以压缩玻璃板700。在一些实施方式中，伺服驱动装置813,823以精密控制的速度来移动模具710和/或平面区域柱塞720，例如在0.01～10mm/s之间。在一些实施方式中，当压缩玻璃板700上对应于成型玻璃成品平面部分的部分时，平面区域柱塞或模具710是固定的。在一些实施方式中，可以大约10kPa～1MPa的压力压缩玻璃板700上对应于成型玻璃成品平面部分的部分。在一些实施方式中，施加于玻璃板700上对应于成型玻璃成品平面部分的部分的压力和热量将平面区域的黏度大约保持在1012P～1013.7P之间。
接下来，玻璃板700上对应于成型玻璃成品弯曲部分的部分可以被加热到高于玻璃板700的成型温度的温度，在这个温度下，玻璃板700可以形成所需的形状(图7C)。在一些实施方式中，辐射加热器730可以提供热量来获得成型温度。在一些实施方式中，弯曲区域可加热10秒或者更短的时间来达到成型温度。
接下来，具有对应于模具710弯曲区域716的成型表面742的弯曲区域柱塞740朝着玻璃板700下落(图7D)。弯曲区域柱塞740可以围绕平面区域柱塞720的外围，并且可以独立于平面区域柱塞720移动。在一些实施方式中，弯曲压制柱塞740能够提供热量，帮助或者替代辐射加热器730将弯曲部分加热到成型温度。在这种情况下，弯曲压制柱塞740可以包括加热器844。在一些实施方式中，玻璃板700上对应于弯曲部分的部分可以被加热到成型温度，而玻璃板700上对应于平面部分的部分不被加热到成型温度。这是三件套模具与两件套模具和真空弯垂法相比的优点之一，因为它能够沿着玻璃板700的宽度方向改变温度和/或压力分布。因为玻璃板700被放置在模具710上时可以是平面的，玻璃板700上对应于平面部分的部分保持在玻璃板700的成型温度以下。这可以通过不直接加热玻璃板700上对应于平面部分的部分来完成。而且，为了抑制从弯曲部分至平面部分的热量扩散效应，模具710的平面区域714和/或平面区域柱塞720可以分别包含降温室815,825。在一些实施方式中，弯曲区域柱塞740可以被上伺服传动装置以精准控制的速度驱动，例如，大约在0.01～10mm/s之间。在一些实施方式中，玻璃板700上对应于成型玻璃成品的弯曲部分的部分可被大约10kPa～1MPa的压力压缩。在一些实施方式中，施加于玻璃板700上对应于成型玻璃成品的弯曲部分的部分的热量和压力使弯曲部分保持在一定的黏度，这个黏度足够低，以防止弯曲部分成型时出现高压力，但是仍然足够高，以防止外观缺陷和模具痕迹转移到玻璃板700。比如，这个黏度大约在109.6P～1011P之间。
成型玻璃制品的弯曲部分可以通过以精准控制的速度朝下移动弯曲区域柱塞740直到获得所需的力或位置来形成。在一些实施方式中，不再供给热量，而且弯曲部分在冷却时保持压缩状态来消除应力和防止弹回(图7E)。图7A-7E中描述的过程仅仅是范例，而且这个过程可以包括其他附加的步骤。
在一些实施方式中，为了防止玻璃划伤和弯曲部分的凹面出现模具痕迹，模具710的成型表面712在弯曲区域716的尺寸可以比一般情况下小大约100微米到大约200微米，就像图9展示的示例一样，以便玻璃700的弯曲部分和弯曲区域716之间产生缺口g。成型表面712也需要比一般尺寸小来抵偿玻璃和模具材料的热膨胀差异。在粘弹性情况下，玻璃的膨胀快速增加并超过模具材料的膨胀。当玻璃冷却时，玻璃的热膨胀小于或者接近于用于压制的普通模具材料，例如镀镍超级耐热合金[因科内尔铬镍铁合金(Inconel)，哈斯特洛伊耐蚀镍基合金(Hastalloy)等]、石墨、碳化硅或者碳化钨。
在一些实施方式中，模具、平面区域柱塞和弯曲区域柱塞可以是多孔的并连接至加压气源。这使玻璃板与模具、平面区域柱塞、弯曲区域柱塞之间形成压缩气体层，因而玻璃板不与模具、平面区域柱塞和弯曲区域柱塞接触。这是非常具有优势的，因为玻璃板与模具、平面区域柱塞和弯曲区域柱塞之间的接触会在成型玻璃制品上引起外观缺陷。而且，像镍合金那样用于模具部件的典型材料，如果与热玻璃接触，每几百次循环之后就需要整修表面或再镀层。玻璃板与模具、平面区域柱塞、弯曲区域柱塞之间压缩气体层的存在可以最大程度减少或者消除这些问题，因为玻璃板不与模具部件接触，从而延长了模具寿命。
除了如下所述，模具710’、平面区域柱塞720’和弯曲区域柱塞740’是多孔的之外，图10A-10E描述了与图7A-7E中描述的方法类似的制备具有平面区域和弧形/弯曲区域的三维(“3D”)形状的成型玻璃制品的方法。模具710’、平面区域柱塞720’和弯曲区域柱塞740’可连接到化学惰性的加压气源，包括但不限于氮气或氩气。气体可以穿过模具710’、平面区域柱塞720’和弯曲区域柱塞740’从气源分别流动到成型表面712’、722’和742’。在一些实施方式中，模具710’、平面区域柱塞720’和弯曲区域柱塞740’各自可由多孔材料制成，例如但不限于金属、石墨或者多铝红柱石。在一些实施方式中，模具710’、平面区域柱塞720’和弯曲区域柱塞740’可以这样制造，使得沿着它们每个的周围，仅在成型表面712’、722’、742’和连接至加压气源的表面有孔。在其他实施方式中，模具710’、平面区域柱塞720’和弯曲区域柱塞740’可以由无孔材料制成，例如但不限于不锈钢或镍，并且可以在模具710’、平面区域柱塞720’和弯曲区域柱塞740’中钻入孔矩阵，以在加压气源和成型表面712’、722’和742’之间提供孔。在一些实施方式中，控制孔隙的大小可以避免玻璃表面的印痕。在一些实施方式中，模具710’、平面区域柱塞720’和弯曲区域柱塞740’可以由各向异性材料制成。
气体流过模具710’的速度和/或压力可足以在成型表面712’和玻璃板之间形成气体层，该气体层就像例如在图10A展示的那样，起到能保持住玻璃板的气体床的作用。气体流过平面区域柱塞720’的速度和/或压力可足以在成型表面722’和玻璃板之间形成气体层，提供足以保持玻璃板平整度的压力，就像例如图10B展示的那样。类似地，气体流过弯曲区域柱塞740’的速度和/或压力可足以在成型表面742’和玻璃板之间形成气体层，提供足以在玻璃板中形成弯曲部分的压力，就像例如图10E展示的那样。
气体层的厚度可根据局部空气轴承的响应度而不同，但在一些实施方式中，气体层的厚度大约是1微米、10微米、100微米甚至更多。每个气体层的厚度可以是相同或不同的。例如，平面区域柱塞720’和模具710’之间的气体层的厚度与弯曲区域柱塞740’和模具710’之间的气体层的厚度可以不同。每个气体层施加的压力或负荷可以沿着气体层的长度不同。一些实施方式中，气体可以被加热。一些实施方式中，像上面讨论的一样，“三件套”模具的优点是它允许沿着玻璃宽度方向有不同的压力分布。如此，一些实施方式中，每个气体层的压力或负荷和厚度可以不同；但在其他实施方式中，它们可以相同。
一些实施方式中，除了模具710’、平面区域柱塞720’和弯曲区域柱塞740’有孔，并且存在从气源传输气体的管道之外，图10A-10E展示的三件套模具组合件的横向剖面图和图8展示的是一样的。在一些实施方式中，压缩机被连接到模具上游的气源。一些实施方式中，气体可以通过调压设备以稳定的压力供应。一些其他实施方式中，气体可以用主动控制器以恒定流量供应，所述主动控制器调节压力以提供恒定气流。
虽然图10A-10E描述了模具710’、平面区域柱塞720’和弯曲区域柱塞740’都是多孔的，但这仅仅是一个范例。任何多孔和无孔模具部件的组合都是可用的。
图7A-7E，8和10A-10E描述了三件套模具，然而在一些实施方式中，取决于玻璃制品所需的形状，成型工具可以包括四件套模具、五件套模具、六件套模具，甚至更多。在一些实施方式中，如果成型玻璃制品的边缘具有超过两个弯部/曲部，成型工具就会拥有超过三个模具部件。在这种情况下，会有用于第一弯曲部分的第一弯曲区域柱塞安置在模具成型表面上相应的第一弯曲区域的上方并与对齐，并有用于第二弯曲部分的第二弯曲区域柱塞安置在模具成型表面上相应的第二弯曲区域的上方并与之对齐。在其他实施方式中，如果玻璃制品所需的形状有多个非邻接平面区域并且中间夹有弯曲区域，那么成型工具可包括用于每个平面区域的平面区域柱塞和用于每个弯曲区域的弯曲区域柱塞。
可用于本文所述方法的其他工艺技术和方法包括以下专利申请所述的那些工艺技术和方法：美国专利申请第2010/0000259号[Ukrainczyk，“Method of Making ShapedGlass Articles”(制备成型玻璃制品的方法)]；欧洲专利申请第10306317.8号，以欧洲专利申请EP2457881公开[康宁公司(Corning Incorporated)，“Method and Apparatus forBending a Sheet of Material into a Shaped Article”(将材料板弯曲成成型制品的方法和设备)]；美国专利申请第13/480172号，以美国专利申请公开第2012/0297828号公开[Bailey等，“Glass Molding System and Related Apparatus and Method”(玻璃模压系统和相关的设备和方法)]；美国临时申请第61/545,332号，其被美国专利申请第13/647,043号要求优先权，后者以美国专利申请公开第2013/0086948号公开[Bisson等，“Apparatus and Method for Tight Bending Thin Glass Sheets”(急弯薄玻璃板的设备和方法)]；美国临时专利申请第61/545,329号，其被PCT申请第PCT/US12/58950号要求优先权，后者以WIPO公开第WO 2013/05589号公开[Bisson等，“Reshaping Thin Glass Sheets”(再成型薄玻璃板)]，它们均通过参考结合于此。二维玻璃板可以通过任何已知的方法来制备，包括辊轧法、熔融法、浮法等。
像上面讨论的一样，在一些实施方式中，三维外壳玻璃的前壳玻璃部分(例如202)是平面的。在一些实施方式中，平面前壳玻璃在25mmx25mm面积上的平面度好于±10μm,±25μm,±50μm,±75μm,±100μm,±125μm,±150μm,±100μm,±200μm,±250μm,±300μm或±400μm，如
Figure BDA0002002216640000121
工具所测。在一些实施方式中，平面前壳玻璃部分在25mmx25mm面积上的平面度好于±100μm，如
Figure BDA0002002216640000122
工具所测。在其他实施方式中，前壳玻璃可以是弯曲的。
在一些实施方式中，三维外壳玻璃的每个侧面外壳玻璃部分都包含一个弯曲部。弯曲角度和半径可基于电子设备的外周几何特性进行选择。在一个实施方式中，弯曲角度的范围为大于0度到90度。在一些实施方式中，弯曲半径大于1mm。在一些实施方式中，弯曲半径大约是0.25,0.5,0.75,1.0,1.25,1.5,1.75,2.0,2.25,2.5,2.75,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0,6.0,7.0,8.0,9.0,10.0,15.0,20.0mm或更大。在一些实施方式中，弯曲部是具有变化的半径的复杂弯曲部，就像伯梅斯特(Burmester)曲线描述的那样。在一个替代的实施方式中，弯曲角度可以大于90度。
在一些实施方式中，三维外壳玻璃具有均匀的壁厚，通常在0.3mm到3mm的范围内。在一些实施方式中，厚度大约是0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9,2.0,2.1,2.2,2.3,2.4,2.5,2.6,2.7,2.8,2.9或3.0mm。在一个实施方式中，外壳玻璃壁的壁厚的总变化在±100微米之内。在另一个实施方式中，外壳玻璃壁的壁厚的总变化在±10微米，±20微米，±30微米，±40微米,±50微米,±60微米,±70微米,±80微米,±90微米，±100微米，±125微米,±150微米,±200微米,±250微米之内。
三维外壳玻璃有内表面和外表面。当这个三维外壳玻璃被放置在电子设备上时，内表面将在组装件内侧，同时外表面将在组装件外侧。每个表面都是平滑的，而且这个平滑度可以用表面粗糙度来表征。在一个实施方式中，三维外壳玻璃的每个表面的平均表面粗糙度(Ra)都小于1nm。在另一个实施方式中，三维外壳玻璃的每个表面的平均表面粗糙度都小于0.7nm。在一些实施方式中，三维外壳玻璃的每个表面的平均表面粗糙度都小于0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9,2.0,2.1,2.2,2.3,2.4,2.5,2.6,2.7,2.8,2.9或3.0nm。在另一个实施方式中，三维外壳玻璃的至少一个表面的平均表面粗糙度(Ra)小于0.3nm。在一些实施方式中，三维外壳玻璃的至少一个表面的平均表面粗糙度(Ra)小于0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9,2.0,2.1,2.2,2.3,2.4,2.5,2.6,2.7,2.8,2.9或3.0nm。
内表面和外表面的表面粗糙度可以是相同或不同的。例如，如果三维外壳玻璃由模具制成并且在形成三维外壳玻璃的过程中仅有一个表面接触模具，就是后一种情况。通常，三维外壳玻璃与模具接触的表面将是外表面。然而，也有可能将模具设计成使不接触模具的三维外壳玻璃表面是外表面。
在一些实施方式中，三维外壳玻璃表面基本上是无瑕疵的。“基本上无瑕疵”是指经光学显微技术测定，表面没有直径大于150微米的凹痕(或凹坑)。在一些实施方式中，经光学显微技术测定，任何表面上的25mmX25mm的区域中直径大于150微米的凹痕(或凹坑)平均少于50,40,30,20,10,5,4,3,2或1个。
在一些实施方式中，3D玻璃是透明的，且在400～800nm波长范围内的透光率大于85％。在一些实施方式中，3D外壳玻璃是透明的且在400～800nm波长范围内的透光率大于75％,80％,85％,87％,90％,93％,95％,97％或99％。
可在3D外壳玻璃表面沉积涂料，使3D外壳玻璃的一部分半透明或不透明。3D外壳玻璃没有沉积涂料的部分可以是前壳玻璃部分上的透明孔，该透明孔可供观察电子设备显示器并与之互动。
在一些实施方式中，3D外壳玻璃在压缩应力方面具有抗损伤性。在一些实施方式中，玻璃表面的压缩应力大于300MPa。在一个实施方式中，外壳玻璃的压缩应力大于250,300,350,400,450,500,550,600,650,700,750,800,850,900,950,1000MPa或者更大。可对3D外壳玻璃(或者用于制造3D外壳玻璃的2D玻璃板)进行强化处理，以获得大于300MPa的压缩应力。在一些实施方式中，对3D外壳玻璃进行离子交换化学强化处理，以获得大于300MPa的压缩应力和至少25微米的离子交换层深度的组合。在一些实施方式中，离子交换层深度至少是10,15,20,25,30,35,40,45或50μm。离子交换层深度是从玻璃表面到玻璃内部测量的。离子交换层是由玻璃晶格结构中超尺寸离子的存在来表征的。
在一些实施方式中，3D外壳玻璃具有由硬度和/或耐刮擦性表征的抗损伤性。在一个实施方式中，3D外壳玻璃具有大于7的莫氏硬度。在一些实施方式中，3D外壳玻璃的莫氏硬度大约为6,6.3,6.5,6.7,7.0,7.3,7.5,7.7,8,8.3,8.5,8.7或者9。
由于用来生产本文所述的玻璃组合物的原料和/或设备方面的原因，最后的玻璃组合物中可能存在某些非故意加入的杂质或组分。这种物质少量存在于玻璃组合物中，在本文中称作“混入物”。
如本文所用，玻璃组合物含有0mol％的某化合物定义为该化合物、分子或者元素没有有意加入到该组合物中，但是组合物可能仍然含有该化合物，通常是以混入量或痕量存在。类似地，“无铁”、“无碱土金属”、“无重金属”等定义该化合物、分子或者元素没有有意加入到组合物中，但是组合物可能仍然含有铁、碱土金属或者重金属等，不过是以混入量或痕量存在。
在一些实施方式中，3D外壳玻璃是由碱性铝硅酸盐玻璃组合物制成的。一个示例性的碱性铝硅酸盐玻璃组合物含有大约60mol％到大约70mol％的SiO2；大约6mol％到大约14mol％的Al2O3；0mol％到大约15mol％的B2O3；0mol％到大约15mol％的Li2O；0mol％到大约20mol％的Na2O；0mol％到大约10mol％的K2O；0mol％到大约8mol％的MgO；0mol％到大约10mol％的CaO；0mol％到大约5mol％的ZrO2；0mol％到大约1mol％的SnO2；0mol％到大约1mol％的CeO2；小于大约50ppm的As2O3；和小于大约50ppm的Sb2O3；其中，12mol％≤Li2O+Na2O+K2O≤20mol％，0mol％≤MgO+CaO≤10mol％。这种碱性铝硅酸盐玻璃在美国专利第8,158,543号[Sinue Gomez等，“Fining Agents for Silicate Glasses”(用于硅酸盐玻璃的澄清剂)]中被描述。
另一个示例性的碱性铝硅酸盐玻璃组合物含有至少约50mol％的SiO2和至少大约11mol％的Na2O，而且压缩应力至少大约是900MPa。在一些实施方式中，玻璃进一步含有Al2O3和至少B2O3,K2O,MgO和ZnO中的一个,其中-340+27.1·Al2O3–28.7·B2O3+15.6·Na2O–61.4·K2O+8.1·(MgO+ZnO)≥0mol％。在一些具体的实施方式中，玻璃含有大约7mol％到大约26mol％的Al2O3；0mol％到大约9mol％的B2O3；大约11mol％到大约25mol％的Na2O；0mol％到大约2.5mol％的K2O；0mol％到大约8.5mol％的MgO；和0mol％到大约1.5mol％的CaO。这种玻璃见述于2011年7月1日提交的美国临时专利申请第61/503,734号，其被美国专利申请第13/533,298号要求优先权，后者以美国专利申请公开第2013/0004758号公开[Matthew J.Dejneka等，“Ion Exchangable Glass with High Compressive Stress”(具有高压缩应力的离子交换玻璃)]，其内容通过参考完整地结合于此。
除了上面提到的玻璃组合物和碱性铝硅酸盐玻璃组合物之外，其他种类的玻璃组合物也能用来制备3D外壳玻璃。例如，碱性铝硼硅酸盐玻璃组合物可以用来制备3D外壳玻璃。在一些实施方式中，所用的玻璃组合物是可离子交换的玻璃组合物，这些玻璃组合物一般含有可以交换成较大碱金属离子或碱土金属离子的较小碱金属离子或碱土金属离子。可离子交换的玻璃组合物的其他例子可参见美国专利7,666,511(Ellison et al等，2008年11月20日)、4,483,700(Forker,Jr等，1984年11月20日)和5,674,790(Araujo，1997年10月7日)；以及美国专利申请第12/277,573号(Dejneka等；2008年11月25日)，其以美国专利申请公开第2009/0142568号公开；第12/392,577号(Gomez等，2009年2月25日)，其以美国专利第8,158,543号授权；第12/856,840号(Dejneka等，2010年8月10日)，其以美国专利申请公开第2011/0045961号公开；第12/858,490号(Barefoot等，2010年8月18日)，其以美国专利第8,586,492号授权；以及第13/305,271号(Bookbinder等，2010年11月28日)，其以美国专利申请公开第2012/0135226号公开。
根据本文所述方法制成的三维成型玻璃制品，例如3D外壳玻璃，可以用来覆盖具有平面显示器的电子设备。3D外壳玻璃将保护显示器，同时允许观察显示器并与之互动。3D外壳玻璃具有用来覆盖电子设备前部的前壳玻璃部分，显示器位于该前部；并且还具有一个或多个用来包围电子设备周边的边壳玻璃部分。玻璃前壳和玻璃边壳是毗邻的。
实施例
通过以下实施例进一步说明各种实施方式。
比较例1
采用以下方法将具有康宁玻璃第2317号组成的玻璃板成型为三维成型玻璃制品：(1)采用三件套模具的压制方法，其中玻璃板位于平面区域柱塞和弯曲区域柱塞下方的部分被加热到不同温度；以及(2)采用两件套模具的常规等温压制方法，其中玻璃板沿其整个长度被均匀加热。图11比较了两种方法的热循环。三件套模具具有明显更短的热循环，因为底模具有比在等温方法中小得多的温度偏移。在三件套模具方法中，除了模具弯曲区域外，模具在550-570℃与620℃之间循环。在常规的等温压制方法中，模具在550-570℃与700℃之间循环，该温度区间大得多，因此增加了加热和冷却时间。这说明了使用三件套模具相对于两件套模具的优点，也就是使温度分布能够沿玻璃板宽度方向变化。
比较例2
使用以下方法模拟将玻璃板成型为三维成型玻璃制品：(1)使用三件套多孔模具的压制方法，例如，如图10A-10E所示；(2)使用两件套多孔模具的压制方法，例如，如图12A-12D所示。从图12A-12D中可以看到，玻璃板1100在具有成型表面1112的多孔底模1110与具有成型表面1122的多孔顶模1120之间被压缩，其中成型表面1112具有平面区域1114和弯曲区域1116，成型表面1122具有平面区域1124和弯曲区域1126。成型表面1112和1122在形状是互补的。图13描述了使用两件套模具时加热至770℃的700微米厚的玻璃在长度方向上的压力分布，图14描述了使用三件套模具时加热至770℃的700微米厚的玻璃在宽度方向上的压力分布。通过比较图13和图14可以看出，在使用两件套模具的方法中，玻璃板在平面区域出现翘曲，然而在使用三件套模具的方法中并没有翘曲。这再次说明了使用三件套模具相对于两件套模具的优点，也就是使温度分布沿玻璃板宽度方向变化，因为能够控制温度分布就可以防止玻璃平面区域出现翘曲。
尽管上面已经结合有限数量的实施方式描述了本公开的方法、装置和组合物，但本领域技术人员在了解本公开的益处之后会理解，在不偏离本公开范围情况下可以设计其他实施方式。因此，所述范围仅由所附权利要求限定。

Claims (11)

1.一种制备三维成型玻璃制品的方法，所述方法包括：
(1)将玻璃板放置在成型工具内，所述成型工具包含：
具有成型表面的模具，所述成型表面具有用于所述成型玻璃制品的所需表面轮廓并且包括平面区域和弯曲区域；
具有对应于模具平面区域的成型表面的平面区域柱塞；和
具有对应于模具弯曲区域的成型表面的弯曲区域柱塞；
(2)在平面区域柱塞和模具的平面区域之间压缩玻璃板；
(3)将对应于模具弯曲区域上方的区域的玻璃板部分加热到高于成型温度的温度；
(4)将弯曲区域柱塞移向被加热的玻璃板来在弯曲区域柱塞和模具的弯曲区域之间压缩被加热的玻璃板，从而形成具有平面区域和弯曲区域的成型玻璃制品，
其中，当用弯曲区域柱塞压缩被加热的玻璃板时，模具弯曲区域上方的区域中的玻璃板部分的温度高于模具平面区域上方的区域中的玻璃板部分的温度；
其中，步骤(2)在步骤(4)之前进行。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述模具、平面区域柱塞和弯曲区域柱塞是多孔的。
3.如权利要求2所述的方法，所述方法还包括使气体流过多孔的模具、平面区域柱塞和弯曲区域柱塞，在玻璃板上方和下方形成压缩的气体层。
4.如权利要求1所述的方法，其中步骤(3)包括用弯曲区域柱塞加热对应于模具弯曲区域上方的区域的玻璃板部分。
5.如权利要求1所述的方法，其中步骤(3)包括用辐射加热器加热对应于模具弯曲区域上方的区域的玻璃板部分。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述模具的弯曲区域包含第一弯曲区域和第二弯曲区域，其中所述弯曲区域柱塞是设置在模具的第一弯曲区域上方的第一弯曲区域柱塞，其中所述成型工具也包含设置在模具的第二弯曲区域上方的第二弯曲区域柱塞。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述模具的平面区域包含第一平面区域和第二平面区域，所述平面区域柱塞是设置在模具的第一平面区域上方的第一平面区域柱塞，所述成型工具也包含设置在模具的第二平面区域上方的第二平面区域柱塞。
8.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括将被压缩在所述平面区域柱塞与所述模具之间的玻璃板部分的黏度保持在1012P～1013.7P之间。
9.如权利要求1所述的方法，其中步骤(2)包括所述平面区域柱塞与所述模具之间的玻璃板部分以10kPa～1MPa范围内的压力被压缩。
10.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括将被压缩在所述弯曲区域柱塞与所述模具之间的玻璃板部分的黏度保持在109.6P～1011P之间。
11.如权利要求1所述的方法，其中步骤(4)包括所述弯曲区域柱塞与所述模具之间的玻璃板部分以10kPa～1MPa范围内的压力被压缩。
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