CN110049954A - 用于对材料进行烧结的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于对材料进行加工的方法包括：在材料片材的某位置处烧结一部分材料片材，以第一速率沿着材料片材移动烧结位置，以及以第二速率拉动经烧结的材料远离烧结位置，所述第二速率大于所述第一速率。

Description

用于对材料进行烧结的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年10月7日提交的美国临时申请系列第62/405,649号的优先权权益，本文以该申请的内容为基础并将其全文纳入本文，如同在下文完整阐述。

背景技术

本公开的各方面涉及对材料(例如熔凝二氧化硅)进行烧结。如下文所述，在制备熔凝二氧化硅片材时，申请人意外发现了一种提供新的有用的经烧结材料的新烧结方法。

发明内容

参考图1，具有设备110的生产线包括转鼓112形式的沉积表面。颗粒沉积在鼓112上以形成材料的片材116或毯，所述颗粒例如通过线性燃烧器114，经由火焰水解生产的熔凝二氧化硅烟炱。申请人发现当片材116与鼓112分离时，片材116连在一起，这可能是因为例如在发生在高温下的沉积期间颗粒被部分烧结并彼此结合。与片材116的各侧连接的辊126或其他张紧装置纵向和/或横向地张紧片材116。片材116可以连接另外的张紧装置，例如它们在辊126的上方或下方。在沿着线的烧结位置S处，使用激光118或另一种热源来烧结(例如完全烧结)片材116的至少一部分120，如片材116的中心部分，如图1所示。在一些实施方式中，例如在利用熔凝二氧化硅的实施方式中，当烧结时，片材116从多孔和/或不透明变化为致密和/或透明。

当用该设备110进行实验时，申请人引导激光130从片材116的经烧结部分120裁切掉未烧结的侧部122。对于未烧结，申请人意为片材116的这些部分122不通过对经烧结部分120进行烧结的烧结位置S；然而，如上所述，未烧结部分122可以具有一些将片材116连在一起的部分烧结；因此，术语未烧结不应解读为完全未烧结。类似地，附非另有规定，否则烧结无需是完全烧结的。参考图1，申请人使用激光130将光斑124引导到烧结位置S附近，以在部分120经历激光118的烧结的同时，切割片材116的自由垂直的未烧结侧部122。

随着片材116移动通过烧结位置S，在切割位置下方(光斑124)，未烧结的侧部122与片材116的经烧结部分120断开。然而，由于切割，中心中的经烧结部分120现因为断开而大致不含有由连接到片材116的侧部的辊126所提供的张力。由于经烧结部分120在很大程度上不受限制，因此除了在烧结位置S处连接到片材116之外，经烧结部分120在装备的气流中摆动，这影响了烧结片材120的形状。

为了使经烧结部分120的摆动静止，申请人将装订夹接合到经烧结部分120的底部。然而，与稳固地保持经烧结部分120相反，令申请人完全出乎意料的是，装订夹意外地将经烧结部分120的底部边缘迅速地向下拉到地板，其未造成破坏，而是将片材116的经烧结部分120从烧结位置S拉伸出来。形成了长的、近乎轻飘的经烧结材料120的带。申请人停止生产线并检查得到的经烧结的材料120。该经烧结的材料120的带的厚度为约10微米。另外，通常与这类工艺的之前类型(例如参见第8,062,733号美国专利)一起存在的表面特征(例如由于烟炱沉积导致的条纹和/或因烧结导致的线)明显地被移除或减少，从而在视觉检验时几乎不可检测到。图2A示出了从这种近乎轻飘的经烧结材料120的带撕下的片，其因为搬运而起皱。随后生产粘到白卡纸上的更为原始的样品，如图2B所示。

申请人认识到，上述意外发现可作为薄的高品质材料的烧结方法，以受控和有目的的方式来重复。

本文公开的一些实施方式涉及一种用于对材料进行加工的方法，所述方法包括以下步骤：在材料片材的某位置处烧结材料片材的一部分，以第一速率沿着材料片材移动烧结位置，以及以第二速率拉动经烧结的材料而远离烧结位置，所述第二速率大于所述第一速率。在一些这样的实施方式中，所述烧结、移动和拉动沿着生产线同时发生。

在一些实施方式中，所述烧结位置在第一方向上在材料片材上延伸，并且所述拉动在大致与第一方向正交的第二方向上进行。在一些实施方式中，材料片材包括二氧化硅烟炱。在一些实施方式中，在烧结前，材料片材的厚度为至少100μm，在拉动后，材料片材的厚度小于50μm。在一些实施方式中，在烧结前，材料片材至少20体积％是多孔的，而经过烧结的材料是至少95％完全致密化的。在一些实施方式中，当材料在烧结位置处烧结时，材料片材的孔隙率以体积百分比计下降至少20％。

本文公开的其他实施方式涉及熔凝二氧化硅的薄片材，例如厚度小于50μm的熔凝二氧化硅的薄片材，其中，形成到片材中的表面特征(例如气泡、凹陷、碗形特征等)(如果存在)，在彼此共同的方向上具有偏心率。换言之，在烧结时形成到玻璃中的缺陷和/或不规则物例如由于如上所述的拉动而在共同的方向上拉伸。在一些这样的实施方式中，所述片材不具有研磨、抛光和蚀刻标记。在一些实施方式中，所述片材具有面积为至少175cm²的主表面。在一些实施方式中，熔凝二氧化硅的纯度为至少99.99重量％，但在其他实施方式中，其可以是掺杂的。二氧化硅可以特别得益于本文公开的方法，例如这是因为二氧化硅的高的熔化温度，但在所考虑的其他实施方式中，如本文所公开的，所述片材具有除二氧化硅之外的材料。

本文公开的其他实施方式涉及制造经烧结的材料的生产线，其中，所述生产线包括沿着所述生产线前进的材料片材；在生产线上的烧结位置，在该位置处对材料片材的一部分进行烧结，并且材料片材的经烧结部分沿着所述生产线从烧结位置延伸。材料片材在通过烧结位置之前以第一速率沿着生产线前进；并且经烧结部分以第二速率沿着生产线前进，所述第二速率大于所述第一速率。在一些这样的实施方式中，烧结位置在材料片材上延伸，延伸的方向正交于材料片材相对于烧结位置前进的方向。在一些实施方式中，材料片材先部分烧结，再通过烧结位置。在一些实施方式中，材料片材在通过烧结位置之前是至少20体积％多孔的。在一些实施方式中，在通过烧结位置之后，经烧结部分至少95％完全致密化。在一些实施方式中，在通过烧结位置后，材料片材的孔隙率以体积百分比计下降至少20％。在一些实施方式中，材料片材包含二氧化硅烟炱，例如经烧结部分包含99.99重量％的纯熔凝二氧化硅。在一些实施方式中，所述生产线还包括对烧结位置进行加热的激光。在一些实施方式中，在通过烧结位置之前，材料片材的厚度为至少100μm，但是在通过烧结位置后，该厚度小于50μm。

在以下的具体实施方式中给出了其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言是容易理解的，或通过实施文字描述和其权利要求书以及附图中所述实施方式而被认识。应理解，上面的一般性描述和下面的具体实施方式都仅仅是示例性的，并且旨在提供理解权利要求书的性质和特征的总体评述或框架。

附图说明

所附附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了一个或多个实施方式，并与具体实施方式一起用于解释各实施方式的原理和操作。因此，结合附图，通过以下具体实施方式能够更好地理解本公开，其中：

图1是根据一个示例性实施方式所述的设备的正面透视概念图。

图2A是根据一个示例性实施方式所述的从上观看的经烧结的材料的数字图像。

图2B是根据一个示例性实施方式所述的从上观看的烧结程度更高的材料的数字图像。

图3是根据一个示例性实施方式所述的方法流程图。

图4是根据一个示例性实施方式所述的在烧结过程期间，在拉动片材之前和之后的具有表面特征的片材的概念图。

具体实施方式

在转到详细说明示例性实施方式的以下具体实施方式和附图之前，应理解本发明的技术并不限于具体实施方式中所阐述或附图中所例示的细节或方法学。例如，如本领域技术人员所理解的，在其中的一幅附图中所示或者在涉及其中的一个实施方式的文本中所述与实施方式相关的特征和属性也可以适用于其中的另一幅附图所示或文本其他地方所描述的其他实施方式。

进一步参考图1，在一些实施方式中，辊126或其他张紧装置与烧结位置S对齐(例如水平对齐)并且它们彼此对齐(例如水平对齐)。在一些实施方式中，用于切割经烧结部分120的光斑124在烧结位置S的5cm内，例如在3cm内。将光斑124定位在烧结位置S下方的过远处可能使片材116的经烧结部分固化，导致限制或防止了随后的拉伸。在其他实施方式中，使用其他切割装置来切除侧部122。在其他实施方式中，烧结位置S延伸过整个片材116，并且经烧结区段120可以是张紧的并以速率R₂前进，所述R₂大于烧结位置S上方的未烧结片材116的速率R₁，使得如上所述，无需从未烧结侧部切割和分离经烧结部分120。

在一些实施方式中，下卷轴128在烧结位置S下游张紧经烧结区段120，使经烧结区段120以速率R₂前进，所述速率R₂大于片材116的未烧结部分前进的速率R₁。在其他实施方式中，经烧结部分120可以通过辊、履带(tread)、带、定向空气、致动器或其他张紧装置来拉动。如上所述，未烧结旨在表示通过烧结位置S之前的片材116或者未通过烧结位置S的片材116，与完全未烧结不同的是，其可以是部分烧结的。同样地，经烧结部分120旨在表示已经前进通过了烧结位置S的片材116的部分。

根据一个示例性实施方式，经烧结部分120的厚度在生产线上在线测量，并且提供反馈以驱动发动机运行下卷轴128，例如，根据厚度变化调整卷轴的速度和/或卷轴的转矩(拉力)。在一些这样的实施方式中，生产线可以包括用于在线张紧的滑动离合器。在所考虑的实施方式中，在缠绕到下卷轴128上之前，经烧结部分120可以涂覆和/或结合有聚合载体膜。

片材116的材料可以是无机材料，例如陶瓷或玻璃。在一些这样的实施方式中，所述材料更具体地是玻璃材料，其可以是非晶玻璃或具有所述成分的结晶形式，例如具有至少一些结晶的玻璃陶瓷。在一些这样的实施方式中，所述材料更具体地可以是非晶玻璃材料。在一些这样的实施方式中，例如，非晶玻璃材料可以具有特别高的熔化温度，例如高于1300℃。在一些实施方式中，所述材料可以包含掺杂或纯的熔凝二氧化硅，例如具有至少70重量％SiO₂作为成分，例如至少90重量％，例如至少99重量％，例如至少99.99重量％的示例性高纯度熔凝二氧化硅。在特定的应用中，经烧结的材料可以利用相同或不同的材料分层。

参考图3，一些实施方式涉及对材料进行烧结的方法210。根据一个示例性实施方式，方法210的步骤212包括：将材料片材116的区段加热到足以使材料烧结和/或降低材料粘度的温度，以例如使材料的孔隙率降低并使片材的材料致密化以及可以使材料拉伸。加热步骤212可以通过激光进行，例如在烧结位置S上方以某种图案迅速移动和/或通过光学器件整形/分布的CO₂激光，或者加热步骤212可以通过等离子体焰炬、炉、火焰或其他加热装置进行。

根据一个示例性实施方式，方法210的步骤214包括：使烧结位置S的位置沿着材料片材以第一速率R₁前进。例如，该前进步骤214可以因为组合地或连续地或以其他方式使用多个激光，通过相对于片材116来移动激光118，或者通过移动激光118和片材116的组合而使片材116移动通过激光118的焦点(或其他加热装置)。在图1的装备中，前进步骤214的速率R1是片材116被生产出并离开沉积基材112的速率。

根据一个示例性实施方式，方法210的步骤216包括：在经烧结的材料冷却的同时，拉动经加热的材料远离烧结位置S。根据一个示例性实施方式，所述拉动以第二速率R₂进行，所述第二速率R₂大于所述第一速率R₁。在一些实施方式中，在至少一部分的制造期间，第二速率R₂是第一速率R₁的至少1.25倍，例如至少1.5倍、至少2倍、至少4倍、至少10倍。速率R₁、R₂的差可以对应于经烧结的材料的厚度以及表面特征的程度，其中，经烧结的材料的较大程度的拉伸可以对应于完全固化和冷却时(例如冷却到低于玻璃化转变温度时)的经烧结的材料的更光滑、更一致的表面。

根据一个示例性实施方式，在制造烧结片材的方法210期间，可以同时和/或连续进行步骤212、214、216。

根据一些示例性实施方式，加热是在横跨材料片材的横向上进行，拉动是纵向的并且/或者一般远离烧结位置S并与烧结位置S正交。当加热源是在细长区域中加热材料的激光(例如激光118)时，可以存在这种构造。

根据一些实施方式，片材116的材料至少10体积％多孔，例如至少20体积％多孔、至少30体积％多孔、至少50体积％多孔，并且不超过95体积％多孔，例如不超过90体积％多孔。在一些实施方式中，片材116的材料是至少部分烧结的，由此，材料的颗粒彼此结合，从而使片材116连在一起。在通过烧结位置S后，经烧结的材料120至少75体积％完全致密化，例如至少95％完全致密化，例如至少99％完全致密化。在一些这样的实施方式中，在通过烧结位置S后，随着片材的材料被致密化，材料的孔隙率就片材116的体积百分比而言下降至少10％，例如下降至少30％，例如下降至少50％。

对于多孔，申请人意在指不完全致密的材料，使得该材料包含内部间隙(例如由空气、真空等填充)，其中，孔隙率是材料中的间隙体积比材料总体积的比值，其可以用0至100％的单位表示。例如，二氧化硅烟炱片材通常是多孔材料。这种材料片材116无需通过火焰水解形成。例如，可以利用带铸来制造用于烧结的部分烧结的无机材料带，例如通过烧除生坯带中的粘合剂材料来制造，如第15/218,689号美国申请所述，所述文献通过引用全文纳入本文。在考虑的一些实施方式中，可以压紧未烧结材料或以其他方式使其孔隙率为零。

在一些实施方式中，方法210还可以包括以下步骤：使片材116的经烧结部分120的侧部和一端(例如下端)与片材116的未烧结部分122分离，其中，经烧结部分120可以仅经由烧结位置S而连接到片材116的剩余部分。可以将烧结位置S加热到处于或高于片材116的材料的烧结温度的温度。在一些实施方式中，使片材116的侧部122分离包括：在烧结位置S的各侧上通过光斑124切割片材116。在其他实施方式中，使片材116的侧部分离可以简单地通过使烧结位置S在片材116的宽度上完全延伸来实现。

在一些实施方式中，方法210还可以包括以下步骤：将经烧结部分缠绕在卷轴128上，如图1所示。在其他实施方式中，方法210可以包括：将经烧结部分120切成离散的片材，随后可堆叠并封装这些离散的片材。在其他实施方式中，方法210可以包括使经烧结部分120与聚合物层压，以及/或者将涂层施加于经烧结部分120，所述聚合物例如是可以有利于搬运经烧结部分120的背衬。

根据一些这样的实施方式，所述材料是二氧化硅烟炱片材116。在一些实施方式中，二氧化硅烟炱可以是高纯度二氧化硅，但在其他实施方式中，二氧化硅可以是掺杂的，例如具有小于10重量％的掺杂剂，所述掺杂剂例如钛氧化物、铌氧化物、铜或其他掺杂剂。根据一个示例性实施方式，所述材料是至少99.99重量％的熔凝二氧化硅。

根据一个示例性实施方式，具有未烧结材料的片材116的厚度为至少100μm，例如至少400μm；烧结位置S处的材料比未烧结材料薄，并且其厚度小于500μm，例如小于200μm、和/或至少80μm；在拉动步骤后的固化之后，经烧结部分120比拉动之前的烧结位置S处的材料薄，并且厚度为小于50μm，例如小于30μm，例如小于20μm，并且/或者是二氧化硅分子单层的厚度的至少两倍。在其他实施方式中，拉动后的厚度大于50μm并且/或者小于500μm，例如小于300μm，例如小于100μm。

再次参考图2A-2B，一些实施方式包括材料(例如熔凝二氧化硅)的烧结片材，其可以利用上述概括的方法形成。在一些实施方式中，二氧化硅片材的厚度小于50μm、例如小于30μm、例如小于20μm、例如小于15μm、例如小于10μm，并且/或者是二氧化硅分子单层的厚度的至少两倍。考虑到在一些实施方式中，所述片材的宽度为至少1cm，例如至少2cm、例如至少4cm，并且/或者长度为至少1cm，例如至少2cm、例如至少1m、例如至少10m，当将所述片材卷到卷轴上时，所述厚度是特别重要的。在一些实施方式中，所述片材具有主表面(例如顶侧、底侧)，其面积为至少100cm²，例如至少150cm²，例如至少175cm²，由于在上述相关厚度下的易碎性，其他所考虑的制造方法在所述厚度下可能特别难以获得具有上述面积的主表面，例如面积为至少250cm²的主表面。作为参考，对应于图2A的材料的片材的宽度为约125mm并且长度为约1米。

二氧化硅具有高的熔化温度，一般是惰性的并耐化学品，并且具有优异的介电和光学性质。具有光滑、均匀表面的高纯度熔凝二氧化硅的薄带可以用于挠性显示装置的盖板材料，例如阻挡膜或阻挡层，并且/或者可以用作例如中介层或半导体基材。不幸的是，制造二氧化硅薄片材的常规方法可能是昂贵的，并且由于表面污染或粗糙度的原因而不能使用这些片材。例如，用于制造不如本文公开的那么薄的二氧化硅薄片材的常规方法可从锭料切出二氧化硅切片，并且将切片研磨及抛光成薄片。但是，这些方法可能在几何上受限制而不能生产出如上所述的卷，并且可能不能得到如本文所教导的极薄的几何结构。再者，研磨、抛光和蚀刻通常留下了这些方法的标记，它们可由本领域的技术人员检测到，例如对应的表面微结构(如磨痕)以及在材料表面上或附近的抛光和蚀刻剂的化学残余物。相反，在本公开的一些实施方式中，所述片材不含抛光标记和/或蚀刻标记，这是因为研磨、抛光和蚀刻对于制造本文公开的材料的烧结片材来说可以不是必需的。

现在参考图4，根据一个示例性实施方式，形成到熔融状态的经烧结材料310A中的表面特征312A、314A、316A、318A(例如小气泡、凹陷、敞开的碗形腔体、脊状物、谷、条纹等)(如果存在)，在如上所述拉动和拉伸经烧结的材料310B后，在表面特征312B、314B、316B、318B的共同方向上具有偏心率。换言之，在烧结期间形成到玻璃材料中的缺陷或不规则物在拉动方向上一致拉伸。各圆形的空气泡等变成椭圆形，它们在彼此相同的方向上具有主轴。条纹被拉伸。拉伸还可以使各表面特征的深度重新分布，如果材料得到充分的拉伸，这可以基本上消除表面特征；其中，如果存在表面特征，则表面特征在上述用途的设计规范内并且/或者在视沉检查时是不可检测到的。

如本文所述，片材旨在表示材料的片，其具有长度L、宽度W和厚度T，其中厚度T显著小于宽度W和长度L，例如如图1所示。条带和带是片材，并且当分段成较小的片时，它们通常仍是片材。在本公开中，至少一些片材的厚度T可以小于宽度W和/或长度L的1/5，例如小于1/10。片材的各部分的厚度T、宽度W和长度L可以变化，例如变化高达50％。

虽然图1的设备以垂直布置来示出，但是本公开涉及与所述构造相关的各方向，例如下方、水平和垂直等。申请人考虑了所述设备和方法可以具有其他取向，并且不旨在将本公开限于所提供的特定方向，这些特定的方向意在是给定装备的示例性方向。尽管如此，各示例性方向之间的关系在不同取向中是一致的，例如垂直大致与水平正交，下方位于上方的相对侧等。

术语生产线并不旨在表示生产线上的设备或操作沿着几何生产线出现。生产线意为有利于制造工艺的设备和/或操作。

虽然片材116的未烧结材料的颗粒被描述为烟炱，但是本技术旨在涵盖除二氧化硅之外的无机材料颗粒的片材116，例如陶瓷颗粒(例如氧化铝、氧化钇稳定的氧化锆)或其他玻璃颗粒(例如铝硅酸盐)的片材，其中颗粒无需通过火焰来沉积。

各个示例性实施方式中的材料的构造和布置以及方法仅是说明性的。尽管在本公开中仅详细描述了一些实施方式，但是可以进行许多修改(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例；参数的数值；安装布置；材料的使用；颜色；取向上的变化)而不实质背离本文所述主题的新颖性教导和优点。例如，在一些实施方式中，未烧结片材116扩展到沉积基材112的外边缘。以一体形成来显示的一些元件可以由多个部件或元件构造，各元件的位置可以互换或以其他方式变化，并且可以对离散元件的性质或数量或位置进行改变或变化。任何工艺、逻辑算法或方法步骤的顺序或序列可以根据替代性实施方式来改变或重新排列。还可以对各种示例性实施方式的设计、操作条件和布置进行其他替代、修改、改变和省略，而不背离本发明的技术范围。

Claims (20)

1.一种用于加工材料的方法，所述方法包括：

在材料片材上的位置处烧结一部分材料片材；

以第一速率沿着材料片材移动烧结位置；以及

以第二速率拉动经烧结的材料远离烧结位置，所述第二速率大于所述第一速率。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述烧结、移动和拉动步骤沿着生产线同时发生。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述烧结位置在第一方向上在材料片材上延伸，并且所述拉动在大致与第一方向正交的第二方向上进行。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述材料片材包含二氧化硅烟炱，其中在烧结前，材料片材的厚度为至少100μm，在拉动后，经烧结的材料的厚度小于50μm。

5.如权利要求1所述的方法，其中，在烧结前，材料片材至少20体积％是多孔的，而经烧结的材料是至少95％完全致密化的。

6.如权利要求1所述的方法，其中，当材料在烧结位置处烧结时，材料片材的孔隙率就体积百分比而言下降至少20％。

7.一种厚度小于50μm的熔凝二氧化硅的片材，其中，如果存在形成到片材中的表面特征，则这些表面特征在共同的方向上具有偏心率。

8.如权利要求7所述的片材，其不具有研磨、抛光和蚀刻标记。

9.如权利要求7所述的片材，其具有面积为至少175cm²的主表面。

10.如权利要求9所述的片材，其中，熔凝二氧化硅的纯度为至少99.99重量％。

11.一种用于制造经烧结的材料的生产线，其包括：

沿着生产线前进的材料片材；

在生产线上的烧结位置，在该位置处烧结一部分材料片材，其中，所述材料片材在通过烧结位置之前以第一速率沿着生产线前进；和

从烧结位置出发沿着生产线延伸的经烧结部分，其中，所述经烧结部分以第二速率沿着生产线前进，所述第二速率大于所述第一速率。

12.如权利要求11所述的生产线，其中，烧结位置在材料片材上延伸，延伸的方向与材料片材前进的方向正交。

13.如权利要求11所述的生产线，其中，材料片材先部分烧结，再通过烧结位置。

14.如权利要求13所述的生产线，其中，在通过烧结位置之前，材料片材是至少20体积％多孔的。

15.如权利要求14所述的生产线，其中，在通过烧结位置之后，经烧结部分至少95％完全致密化。

16.如权利要求14所述的生产线，其中，在通过烧结位置后，材料片材的孔隙率就体积百分比而言下降至少20％。

17.如权利要求11所述的生产线，其中，所述材料片材包含二氧化硅烟炱。

18.如权利要求17所述的生产线，其中，经烧结部分包含99.99重量％的纯的熔凝二氧化硅。

19.如权利要求11所述的生产线，其还包括对烧结位置进行加热的激光。

20.如权利要求11所述的生产线，其中，在通过烧结位置之前，材料片材的厚度为至少100μm，并且在通过烧结位置后，经烧结的材料的厚度小于50μm。