CN110446604A - 具有工程应力分布的基于玻璃的制品及制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了基于玻璃的层压制品及制造方法。一种基于玻璃的制品包括基于玻璃的基材，其具有第一表面以及与第一表面相背的第二表面，从而限定了约0.1毫米至3毫米的基材厚度(t)，所述基于玻璃的基材具有延伸到压缩深度(DOC)的压缩区域，该压缩区域具有第一压缩应力CS最大值，所述第一压缩应力CS最大值在基于玻璃的制品的第一表面处，并且该压缩区域具有第二局部CS最大值，其在离第一表面至少25μm的深度处，其中，基于玻璃的基材包含基于玻璃的芯体基材，其具有第一侧和第二侧，所述基于玻璃的芯体基材被夹在基于玻璃的第一包层基材与基于玻璃的第二包层基材之间，第一包层基材和第二包层基材直接结合到第一侧，并且第二包层基材直接结合到第二侧。

Description

具有工程应力分布的基于玻璃的制品及制造方法
相关申请的交叉引用
本申请依据35U.S.C.§119要求于2017年1月18日提交的系列号为62/447569的美国临时申请的优先权权益，本文以该申请的内容为基础并通过引用将其全文纳入本文。
技术领域
本公开的实施方式一般涉及具有工程应力分布的基于玻璃的制品，以及其制造方法。
背景技术
基于强化玻璃的制品在电子装置中广泛用作盖板或窗以用于便携式或移动电子通信和娱乐装置，例如手机、智能手机、平板电脑、视频播放器、信息终端(IT)装置、笔记本电脑、导航系统等，以及用于其他应用，例如建筑(例如，窗户、淋浴板、台面等)，运输(例如，汽车、火车、飞行器、船舶等)，器具或需要具有优异的抗断裂性但要求薄而轻的制品的任何应用。
在基于强化玻璃的制品中，例如化学强化玻璃制品中，压缩应力在玻璃表面处最高或处于峰值，并且远离表面而从峰值减小，并且在玻璃制品中的应力变为拉伸应力之前，在玻璃制品的某个内部位置处存在零应力。可以利用改变离子交换过程来解决对基于玻璃的制品中的初始瑕疵群敏感的问题，从而改变玻璃的应力分布来降低对初始瑕疵群的敏感性。虽然改变离子交换过程可以用于该目的，但是随着基于强化玻璃的制品的使用不断增长，期望开发其他方法来提供可靠性得到改进的基于强化玻璃的材料，同时不显著地影响基于强化玻璃的材料的平均强度。
发明内容
本公开的各方面涉及基于玻璃的制品及其制造方法。在第一个方面中，一种基于玻璃的制品包括基于玻璃的基材，其具有第一表面以及与第一表面相背的第二表面，从而限定了约0.1毫米至3毫米的基材厚度(t)，所述基于玻璃的基材具有延伸到层深度(DOL)的压缩区域，该压缩区域具有第一压缩应力CS最大值，所述第一压缩应力CS最大值在基于玻璃的制品的第一表面处，并且该压缩区域具有第二局部CS最大值，其在离第一表面至少25μm的深度处。
在另一个方面中，一种制造基于玻璃的制品的方法包括：在不使用聚合物或粘合剂的情况下，将基于玻璃的第一包层基材结合到经化学强化的基于玻璃的芯体基材的第一侧；在不使用聚合物或粘合剂的情况下将基于玻璃的第二包层基材结合到经化学强化的基于玻璃的芯体基材的第二侧；以及对第一包层基材和第二包层基材进行化学强化。
附图说明
附图被纳入本说明书中并构成说明书的一部分，所述附图例示了下述的数个实施方式。
图1例示了表面具有多个裂纹的基于玻璃的基材的一个实施方式；
图2例示了基于玻璃的层压制品的一个实施方式；
图3例示了基于玻璃的层压制品的另一个实施方式；
图4例示了基于玻璃的层压制品的模型化应力分布；
图5A例示了基于玻璃的层压制品的模型化应力分布；
图5B例示了图5A中的应力分布的模型化强度对比瑕疵长度的图；
图6A例示了基于玻璃的层压制品的模型化应力分布；
图6B例示了图6A中的应力分布的模型化强度对比瑕疵长度的图；
图7A例示了基于玻璃的层压制品的模型化应力分布；
图7B例示了图7A中的应力分布的模型化强度对比瑕疵长度的图；
图8A例示了基于玻璃的层压制品的模型化应力分布；
图8B例示了图8A中的应力分布的模型化强度对比瑕疵长度的图；
图9A例示了基于玻璃的层压制品的模型化应力分布；
图9B例示了图9A中的应力分布的模型化强度对比瑕疵长度的图；
图10A例示了基于玻璃的层压制品的模型化应力分布；
图10B例示了图10A中的应力分布的模型化强度对比瑕疵长度的图；
图11例示了基于玻璃的层压制品的模型化应力分布；
图12例示了基于玻璃的层压制品的模型化应力分布；
图13例示了图12中的基于玻璃的层压制品的模型化强度对比深度分布；
图14例示了基于玻璃的层压制品的模型化应力分布；
图15例示了图14中的基于玻璃的层压制品分布的模型化强度对比深度分布；
图16例示了测量基材强度的环上环测试设置；
图17A是包含本文公开的任何基于经涂覆玻璃的制品的示例性电子装置的平面图；以及
图17B是图17A的示例性电子装置的透视图。
具体实施方式
在描述数个示例性实施方式之前，应理解的是，本公开不限于以下公开内容所述的构造或工艺步骤的细节。本文提供的公开内容能够具有其他实施方式，并且能够以各种方式实施或进行。
本说明书全文中提到的“一个实施方式”、“某些实施方式”、“各个实施方式”、“一个或多个实施方式”或者“一种实施方式”意为结合实施方式描述的具体特征、结构、材料或特性包括在本公开的至少一个实施方式中。因此，在本说明书的各个地方出现的短语例如“在一个或多个实施方式中”、“在某些实施方式中”、“在各个实施方式中”、“在一个实施方式中”或者“在一种实施方式中”不一定涉及同一个实施方式。此外，具体的特征、结构、材料或特性可以任何合适的方式组合在一个或多个实施方式中。
本公开的一个或多个实施方式提供了基于玻璃的层压制品，其包括具有工程应力分布的基于玻璃的基材。在一个或多个实施方式中，提供了基于玻璃的层压制品，其包括经过设计的应力分布，该应力分布提供了对深损伤导致的失效的抗性。在一个或多个实施方式中，基于玻璃的层压制品是不可弯曲的。
公开了基于玻璃的层压制品，所述制品具有对抗深瑕疵的优化的应力分布。在一些实施方式中，优化的应力分布通过改进深瑕疵(例如大于100微米的瑕疵)的残留强度而改进了基于玻璃的制品的掉落性能，同时由于在表面处具有高的压缩应力还具有充足的挠曲强度。在一个或多个实施方式中，优化的掉落性能是由于专门设计的应力分布引起，其在某些区域处建立高的压缩应力，在这些区域中，预期由于损伤引入导致的瑕疵得到了终止。在一个或多个实施方式中，基于玻璃的层压制品展现出的压缩应力分布在表面处或表面附近存在较陡的切线(即，在表面处的应力分布中的尖峰)。一个或多个实施方式的应力分布的特征在于：存在具有在某些范围内的切线的两个不同区域——一个具有相对较陡的切线而另一个具有较浅切线。
在一个或多个实施方式中，优化的应力分布可显著地增强基于玻璃的制品对抗深瑕疵的强度保护(深瑕疵例如，大于70μm、大于80μm、大于90μm、大于100μm、大于110μm、大于120μm、大于130μm、大于140μm、大于150μm、大于160μm、大于170μm、大于180μm、大于190μm、大于200μm、大于210μm、大于220μm、大于230μm、大于240μm以及大于250μm)，以相比于通过标准单离子交换强化或层压获得的分布，改进基于玻璃的制品对掉落诱导的损伤的机械可靠性。在一个或多个实施方式中，优化的应力分布还可具有对抗较短瑕疵(例如小于10μm)的相当的挠曲强度性质。在一个或多个实施方式中，可建立优化的应力分布以提供对抗深瑕疵的更优的抗应力腐蚀性(所述深瑕疵例如大于70μm、大于80μm、大于90μm、大于100μm、大于110μm、大于120μm、大于130μm、大于140μm、大于150μm、大于160μm、大于170μm、大于180μm、大于190μm、大于200μm、大于210μm、大于220μm、大于230μm、大于240μm和大于250μm)。
根据一个或多个实施方式，优化的应力分布可通过层压过程来实现。各分布可通过下述来建立：将基于玻璃的基材层压到具有离子交换分布的芯体基材的两侧以提供层压堆叠体，然后对层压堆叠体进行离子交换以提供基于玻璃的层压基材。基于玻璃的层压基材在包层玻璃上具有张力并且在芯体玻璃上具有压缩，这与常规的层压玻璃相反。芯体和包层的相对离子扩散率可提供另一种途径来控制基于玻璃的制品中的应力分布。
与掉落事件相关的损伤可造成基于玻璃的基材的表面附近发生剥落和密实化，对于误差函数分布，这与最高残余压缩应力一致。根据一个或多个实施方式，可获得掩埋峰分布，其中应力被掩埋并且不受在粗糙表面上的掉落事件期间引起的大多数表面损伤影响。
在一个或多个实施方式中，芯体的基于玻璃的基材和包层的基于玻璃的基材的组成可以相同或不同，这允许整合新的设计特征和应用。根据一个或多个实施方式，可利用芯体和包层玻璃基材的不同组成来进一步增强基于玻璃的基材的抗深损伤断裂性，例如，通过利用热膨胀系数(CTE)差在各包层中建立压缩应力，从而得到经过改进的粗糙表面掉落性能。在一个或多个实施方式中，可改变包层的基于玻璃的基材的厚度以精确地定位应力分布的掩埋峰的深度。如本文中所使用的，关于应力分布的“掩埋峰”是指应力对比从玻璃表面出发的深度的图上的局部最大值，其中，局部最大值或峰值比掩埋峰与基于玻璃的制品的外表面之间的点具有更高的压缩应力的应力量值。
在一个或多个实施方式中，可以对芯体和包层的基材性质(例如离子扩散率)进行选择，以精确地控制掩埋峰的分布和基于玻璃的制品的表面残余压缩应力。例如，低离子扩散率的芯体和高离子扩散率的包层将得到类似于标准离子交换误差函数分布的掩埋峰，然而，根据一个或多个实施方式，相比于现有的分布，本文所述的玻璃制品的不同之处在于，在设计应力分布和应力分布的可调性方面具有更大的灵活性。使用具有不同离子扩散率的玻璃基材可控制掩埋峰的特性，例如应力量值和CS深度。在一个或多个实施方式中，可将传感层包含到经过离子交换的基材堆叠体中。
在一个或多个实施方式中，提供了基于玻璃的制品，其具有针对深瑕疵优化的应力分布，以改进盖板玻璃的掉落性能而不牺牲对于小和大的瑕疵(小于10μm和大于75μm)的挠曲强度。还提供了获得对抗深瑕疵的优化的应力分布的方法，以改进盖板玻璃的掉落性能。
在一个或多个实施方式中，提供了玻璃制品，其具有针对掉落、刮擦和挠曲性能的优化的应力分布，以及提供了产生所述应力分布的方法。在一个实施方式中，优化的分布可通过离子交换以及通过共价结合将基于薄玻璃的包层基材结合到芯体基材的组合来建立。在一个或多个实施方式中，建立所述优化的分布的方法可包括：选择具有预定组成的玻璃基材以提供基于玻璃的层压制品的芯体基材。根据一个或多个实施方式，基于将改变分布的量值和形状的数个下游工艺来选择预定组成，这在之后会有更详细的论述。在一个或多个实施方式中，芯体基材是经化学强化的，并且还根据表面处的应力量值和应力层深度来预先确定得到的应力分布。在一个或多个实施方式中，将约50-150μm厚且具有预先确定的厚度和组成的两个包层基材结合至芯体基材。在一个或多个实施方式中，可通过共价结合将包层基材结合到芯体基材。
在一个或多个实施方式中，形成共价结合的高温可以造成经离子交换的芯体基材中的另外的离子扩散，这将降低应力的量值，但是增加应力的深度。芯体基材中的钠和钾离子还可扩散到包层玻璃中，但是本文所用的模型化假设芯体与包层之间的界面是不可渗透的。结合后，使整个层压制品再次进行离子交换以在薄包层基材中建立压缩应力。该应力分布将使层压玻璃制品具有挠曲强度。第二离子交换将降低芯体离子交换的量值，并且由于扩散将进一步增加其深度，且储存的总能量将得到保持。
图4例示了根据一个或多个实施方式，用于形成基于玻璃的层压制品的方法的各阶段的各种应力分布。实线示出了所示的经化学强化的芯体基材的示例性应力分布。将各自具有相同厚度和组成的两层玻璃包层基材结合到经过化学强化的芯体玻璃基材的表面。包层玻璃基材的组成可以与芯体玻璃的不同，并且包层玻璃基材的厚度一般将比芯体玻璃基材的更薄。然后使整个层压玻璃制品进行化学强化，结果得到示例性的应力分布，例如长虚线所示的应力分布。由于不可渗透的边界层扩散，进行热加工以结合各基材使实线所示的芯体玻璃基材的应力分布变成短虚线表示的应力分布。最终的应力分布是短虚线与施加于外层的离子交换分布的叠加。应力分布包括靠近表面的第一部分310，其中所有的点包含相对较陡的切线311；以及包括第二部分320，其中所有的点包含相比于陡峭的切线311相对较浅的切线321。在一个或多个实施方式中，包含陡峭切线311的第一部分和包含相对较浅切线321的第二部分使得相对较陡的切线与相对较浅的切线321的比值大于1、大于2、大于4、大于8、大于10、大于15、大于20、大于25、大于30或大于35且小于40。在一个或多个实施方式中，第一部分的相对较陡的切线311具有3MPa/微米至40MPa/微米的绝对值，并且第二部分的相对较浅的切线321具有0.5MPa/微米至2MPa/微米的绝对值。在一些实施方式中，切线可以用“局部梯度”来描述并且可与其互换使用，所述“局部梯度”定义为应力量值根据深度变化而发生的改变。
在一个或多个实施方式中，基于玻璃的制品的应力分布不遵循单个互补误差函数。图4所示的实例是基于1.0mm的总厚度，其中包层基材各自为100μm厚，并且芯体基材为800μm厚。
在一个或多个实施方式中，将芯体基材结合到包层基材的方法可包括用高pH溶液清洁芯体基材和包层基材的表面。例如，可以使用所谓的RCA清洁或SC1法。在一个或多个实施方式中，RCA清洁法包括移除有机污染物(有机清洁+颗粒清洁)，移除氧化物薄层(氧化物剥离，任选)和移除离子污染物(离子清洁)。可以将基材浸在水中，例如浸在去离子水中，并在每个步骤之间用水清洗。在一个或多个实施方式中，清洁可仅包括SC1法(称为标准清洁法)，其涉及用去离子水和含水氢氧化铵(例如，29重量％NH3)及过氧化氢(例如，30％)的溶液清洁基材。示例性SC1溶液可包括5份(以体积计)水、1份氢氧化铵和1份含水过氧化氢。清洁可发生在室温(例如，约25℃)或50℃至80℃的高温下。可将基材放置在溶液中1分钟至30分钟。该溶液清洁移除了有机残余物和颗粒。
根据一个或多个实施方式，除了SC1法，可以进行任选的氧化物剥离。根据一个或多个实施方式，该氧化物剥离包括：在25℃至80℃的温度下浸没在1:100或1:50的HF氢氟酸水溶液中约15秒至约5分钟，以去除氧化物薄层和一些离子污染物部分。在一个或多个实施方式中，第三步包括离子清洁。在一个示例性实施方式中，提供了水(例如去离子水)、含水HCl(盐酸，例如37重量％)和含水过氧化氢(例如30重量％)的溶液。溶液的一个实例是6份(以体积计)去离子水、1份HCl和1份过氧化氢。在室温(例如，约25℃)或50℃至80℃的高温下，将基材置于溶液中。可将基材放置在溶液中1分钟至30分钟。该离子清洁处理有效地移除了剩余的痕量金属(离子)污染物，其中的一些是在SC-1清洁步骤中引入的。在任选的步骤中，可在水(例如去离子水)中清洗基材，然后将它们堆叠放置并加热到超过约400℃的温度，持续约1小时并连续施加压力。得到的基于玻璃的层压制品将包括结合在一起的包层基材和芯体基材。层压后，使整个层压玻璃制品进行离子交换以在包层基材的薄层中建立压缩应力。根据一个或多个实施方式，所得到的应力分布将赋予基于玻璃的层压制品挠曲强度。根据一些实施方式，基于玻璃的层压制品的离子交换将降低芯体离子交换的量值，并且由于扩散将进一步增加其深度，且储存的总能量将得到保持。
如本文所用，术语“基于玻璃的制品”和“基于玻璃的基材”以它们最广泛的意义来使用，从而包括全部或部分由玻璃制成的任何物体。基于玻璃的制品包括玻璃和非玻璃材料的层压件、玻璃和晶体材料的层压件以及玻璃陶瓷(包括无定形相和结晶相)。除非另有说明，否则所有组成均以摩尔百分数(摩尔％)表示。根据一个或多个实施方式所述的玻璃基材可选自钠钙玻璃、碱金属硅铝酸盐玻璃、含碱金属的硼硅酸盐玻璃和碱金属铝硼硅酸盐玻璃。在一个或多个实施方式中，所述基材为玻璃，并且所述玻璃可以是经过强化的，例如热强化的回火玻璃或化学强化玻璃。在一个或多个实施方式中，基于强化玻璃的基材具有压缩应力(CS)层，其中CS在化学强化玻璃中从化学强化玻璃的表面延伸到压缩应力的压缩深度(DOC)，所述压缩应力深度为至少10μm至几十微米。在一个或多个实施方式中，基于玻璃的基材是基于化学强化玻璃的基材，例如康宁玻璃。本文所述的各种基于玻璃的制品可以选自建筑玻璃基材、车辆窗用玻璃、车辆内部玻璃基材、器具玻璃基材、手持式装置的玻璃基材和可穿戴装置的玻璃基材。
应注意，本文可用术语“基本”和“约”表示可由任何定量比较、数值、测量或其他表示方法造成的固有不确定性的程度。在本文中还使用这些术语表示数量的表示值可以与所述的参比值有一定的偏离程度，但是不会导致论述的主题的基本功能改变。因此，例如“基本上不含MgO”的基于玻璃的制品是指不向该基于玻璃的制品中主动添加或配入MgO，但其可作为污染物以极少的量存在。
如本文所用，DOC是指基于玻璃的制品内的应力从压缩应力变为拉伸应力处的深度。在DOC处，应力从正应力(压缩应力)转化为负应力(拉伸应力)并因此表现出为零的应力值。
如本文中所使用的，术语“化学深度”、“化学层深度”和“化学层的深度”可互换使用，并且是指金属氧化物或碱金属氧化物的离子(例如金属离子或碱金属离子)扩散到基于玻璃的制品中的深度以及离子浓度达到最小值处的深度。
根据本领域常用惯例，压缩以负(<0)应力表示并且拉伸以正(>0)应力表示。但是，在本说明书中，CS以正值或绝对值表示，即，如本文所述，CS＝|CS|。
图1例示了具有多个裂纹的示例性基于强化玻璃的基材10，该图例示了表面下损伤是如何可导致失效的。从基于玻璃的基材10的外表面55延伸到压缩深度(DOC)的压缩应力区域60处于压缩应力(CS)下。示出了示例性的基于强化玻璃的基材10的压缩应力区域60中的裂纹50，其不延伸到玻璃的中心张力区域80中，并且示出了穿透到玻璃的中心张力区域80中的裂纹90，所述中心张力区域80是处于拉伸应力或中心张力(CT)下的区域。虽然在玻璃的近表面区域中包含CS可抑制裂纹扩展和基于玻璃的基材失效，但是如果损伤延伸超过DOC，并且如果CT是足够高的量值，则瑕疵将随着时间扩展直到其达到材料临界应力强度水平(断裂韧性)并且最终将使玻璃断裂。
现在参考图2，本公开的第1个实施方式涉及基于玻璃的层压制品100，其包括基于强化玻璃的基材110，该基于强化玻璃的基材110具有第一表面115和第二表面135。在一个或多个实施方式中，基于强化玻璃的基材110是经化学强化的、或者经热强化的、或者经化学和热强化的。基于玻璃的层压制品100还包括基于化学强化玻璃的第一包层基材120，其具有与第一表面直接结合的第三表面122，以提供第一芯体-包层界面125。基于玻璃的层压制品100还包括基于化学强化玻璃的第二包层基材140，其具有与第二表面135直接结合的第四表面142，以提供第二芯体-包层界面145。根据一个或多个实施方式，芯体基材110结合至第一包层基材120和第二包层基材140，而在芯体基材110与第一包层基材120之间无需聚合物并且在芯体基材110与第二包层基材140之间无需聚合物。因此，根据一个或多个实施方式，“直接结合”是指不存在另外的结合材料(例如粘合剂、环氧树脂、胶粘剂等)将第一包层基材120和第二包层基材140结合到芯体基材110的结合。在第2个实施方式中，第一包层基材120和第二包层基材140各自通过共价结合而结合到芯体基材110。根据一个或多个实施方式，共价结合是作为分子键的一种结合，其是涉及电子对共用的化学结合，这些电子对被称为共用对或键合对。根据一个或多个实施方式，共价结合可以包括σ-键合、π-键合、金属-金属键合、元结相互作用(agostic interaction)，弯键和三中心二电子键。在第3个实施方式中，共价结合包括含有Si-O-Si键的结合。
第一包层基材120显示为具有厚度tc1，第二包层基材140显示为具有厚度tc2，并且芯体基材110具有厚度ts。因此，基于玻璃的层压制品100的厚度是tc1、tc2和ts的总和。在第4个实施方式中，如第1-3个实施方式所述的基于玻璃的层压制品的厚度在0.1mm至3mm的范围内。在第5个实施方式中，在如第1-4个实施方式所述的基于玻璃的层压制品中，第一包层基材120和第二包层基材140各自的厚度在25μm至150μm的范围内。在第6个实施方式中，在如第1-5个实施方式所述的基于玻璃的层压制品中，第一包层基材120和第二包层基材140各自的厚度在50μm至150μm的范围内。在第7个实施方式中，在如第1-6个实施方式所述的基于玻璃的层压制品中，第一包层基材120和第二包层基材140各自的厚度在50μm至100μm的范围内。在第8个实施方式中，在如第1-7个实施方式所述的基于玻璃的层压制品中，第一包层基材120和第二包层基材140各自的厚度在50μm至75μm的范围内。在第9个实施方式中，在如第1-8个实施方式所述的基于玻璃的层压制品中，第一包层基材120和第二包层基材140各自的厚度在25μm至75μm的范围内。
在第10个实施方式中，在如第1-9个实施方式所述的基于玻璃的层压制品中，芯体基材110包括经化学强化的第一玻璃组合物，并且第一包层基材120和第二包层基材140各自包括第二玻璃组合物，其中第一玻璃组合物不同于第二玻璃组合物。在第11个实施方式中，在如第10个实施方式所述的基于玻璃的层压制品中，第一玻璃组合物具有第一离子扩散率，且第二玻璃组合物各具有第二离子扩散率，并且第一离子扩散率和第二离子扩散率不相同。在第12个实施方式中，在如第10和11个实施方式所述的基于玻璃的层压制品中，第一玻璃组合物具有第一热膨胀系数(CTE)并且第二玻璃组合物各具有第二热膨胀系数(CTE)，且第一CTE和第二CTE不相同。在第13个实施方式中，在如第10和11个实施方式所述的基于玻璃的层压制品中，第二CTE低于第一CTE，以在第一包层基材和第二包层基材中赋予压缩应力。在第14个实施方式中，在如第10和11个实施方式所述的基于玻璃的层压制品中，第二CTE高于第一CTE，以在第一包层基材和第二包层基材中赋予拉伸应力。
在第15个实施方式中，在如第1-14个实施方式所述的基于玻璃的层压制品中，芯体基材110具有第一应力分布，并且第一包层基材120和第二包层基材140各自具有第二应力分布，其中第一应力分布不同于第二应力分布。在第16个实施方式中，在如第10-15个实施方式所述的基于玻璃的层压制品中，第一玻璃组合物具有第一杨氏模量值，且第二玻璃组合物具有第二杨氏模量值，并且第一杨氏模量值与第二杨氏模量值不相同。在第17个实施方式中，如第16个实施方式所述的第二杨氏模量值大于第一杨氏模量值。
在第18个实施方式中，在如第1-17个实施方式所述的基于玻璃的层压制品中，第一包层基材120具有第五表面128，并且第二包层140具有第六表面148，第五表面128和第六表面148限定了约0.1毫米至3毫米的基材厚度(t)，该基于玻璃的制品具有压缩应力分布，其第一最大值在第五表面128处，并且第二局部最大值在离第五表面128至少25μm的深度处。在第19个实施方式中，在如第18个实施方式所述的基于玻璃的层压制品中，基于玻璃的制品的应力分布不遵循单个互补误差函数。在第20个实施方式中，在如第18和19个实施方式所述的基于玻璃的层压制品中，基于玻璃的制品的应力分布限定了陡峭的第一切线和相对于第一切线较浅的第二切线。在第21个实施方式中，在如第18个实施方式至第20个实施方式所述的基于玻璃的层压制品中，第一最大值大于第二局部最大值。在第22个实施方式中，在如第18个实施方式至第21个实施方式所述的基于玻璃的层压制品中，第二局部最大值位于离第五表面至少25μm的深度处。在第23个实施方式中，在如第18个实施方式至第21个实施方式所述的基于玻璃的层压制品中，第二局部最大值位于离第五表面至少75μm的深度处。在第24个实施方式中，在如第18个实施方式至第21个实施方式所述的基于玻璃的层压制品中，第二局部最大值位于离第五表面至少100μm的深度处。
第25个实施方式涉及如图3所示的基于玻璃的制品200，其包括基于玻璃的基材210，该基于玻璃的基材210具有第一表面228以及与第一表面相背的第二表面248，从而限定了约0.1毫米至3毫米的基材厚度(t)，所述基于玻璃的基材具有延伸到层深度215的压缩区域220，该压缩区域220具有第一压缩应力CS最大值，所述第一压缩应力CS最大值在基于玻璃的制品的第一表面218处，并且该压缩区域220具有第二局部CS最大值，其在离第一表面228至少25μm的深度处。在一个或多个实施方式中，如第25个实施方式所述的基于玻璃的制品具有延伸到层深度242的第二压缩区域240，其具有第三压缩应力CS最大值，该第三压缩应力CS最大值在基于玻璃的制品的第二表面248处，并且该第二压缩区域240具有第二局部CS最大值，其位于离第二表面248至少25μm的深度处。在第26个实施方式中，如第25个实施方式所述的基于玻璃的制品的厚度在0.1mm至2mm的范围内。
在第27个实施方式中，在如第25个实施方式和第26个实施方式所述的基于玻璃的制品中，第二CS最大值位于离第一表面至少50μm的深度处。在第28个实施方式中，在如第25和26个实施方式所述的基于玻璃的制品中，第二CS最大值位于离第一表面至少75μm的深度处。在第29个实施方式中，在如第25和26个实施方式所述的基于玻璃的制品中，第二CS最大值位于离第一表面至少100μm的深度处。
现在参考图3，在第30个实施方式中，如第25-29个实施方式所述的基于玻璃的基材包括基于玻璃的芯体基材211，其具有第一侧212和第二侧214，所述基于玻璃的芯体基材211被夹在基于玻璃的第一包层基材221与基于玻璃的第二包层基材241之间，通过直接的共价结合，第一包层基材221和第二包层基材241结合至第一侧212，并且第二包层基材241结合至第二侧214。在第31个实施方式中，在如第30个实施方式所述的基于玻璃的制品中，芯体基材211包含第一玻璃组合物，并且第一包层基材221和第二包层基材241各自包含第二玻璃组合物，其中，第一玻璃组合物不同于第二玻璃组合物。在第32个实施方式中，如第31个实施方式所述的基于玻璃的制品使得第一玻璃组合物具有第一离子扩散率，且第二玻璃组合物各自具有第二离子扩散率，并且第一离子扩散率和第二离子扩散率不相同。
在第33个实施方式中，如第31和32个实施方式所述的基于玻璃的制品使得第一玻璃组合物具有第一热膨胀系数(CTE)并且第二玻璃组合物各自具有第二热膨胀系数(CTE)，且第一CTE和第二CTE不相同。在第34个实施方式中，如第33个实施方式所述的基于玻璃的制品使得第二CTE低于第一CTE，以在第一包层基材和第二包层基材中赋予压缩应力。在第35个实施方式中，如第32-34个实施方式所述的基于玻璃的制品使得芯体基材211具有第一应力分布，并且第一包层基材221和第二包层基材241各自具有第二应力分布，其中第一应力分布不同于第二应力分布。
在第36个实施方式中，第1-35个实施方式使得第一玻璃组合物具有第一杨氏模量值，且第二玻璃组合物具有第二杨氏模量值，并且第一杨氏模量值与第二杨氏模量值不相同。在第38个实施方式中，如第37个实施方式所述的玻璃制品使得第二杨氏模量值大于第一杨氏模量值。在第38个实施方式中，如第37个实施方式所述的玻璃制品使得第二杨氏模量值小于第一杨氏模量值，这提供了对较短瑕疵具有更高强度的基于玻璃的制品。
第39个实施方式涉及一种制造基于玻璃的制品的方法，所述方法包括：在不使用聚合物或粘合剂的情况下，将基于玻璃的第一包层基材结合到基于化学强化玻璃的芯体基材的第一侧；在不使用聚合物或粘合剂的情况下将基于玻璃的第二包层基材结合到基于化学强化玻璃的芯体基材的第二侧；以及对第一包层基材和第二包层基材进行化学强化。所得到的基于玻璃的制品可以是图2或图3所示的制品。在第41个实施方式中，在第一包层结合到芯体基材后，对第一包层基材进行化学强化，并且在第二包层基材结合到芯体基材后，对第二包层基材进行化学强化。在第42个实施方式中，第41个实施方式使得芯体基材具有第一结合表面以及与第一结合表面相背的第二结合表面，所述第一包层基材具有第三结合表面并且所述第二包层基材具有第四结合表面，所述方法还包括：清洁芯体基材、第一包层基材和第二包层基材，以在第一结合表面、第二结合表面、第三结合表面和第四结合表面上提供羟基；以及使第一结合表面与第三结合表面接触并且使第三结合表面与第四结合表面接触，以提供层压堆叠体。在第41个实施方式中，第一结合表面是如图2所示的第一表面115，并且第二结合表面是第二表面135。第三结合表面是第三表面122，并且第四结合表面是第四表面142。在第42个实施方式中，第39-41个实施方式包括：对层压堆叠体进行加热。可通过下述来实现加热：在炉或其他加热装置中加热层压堆叠体，或者通过激光、火焰或其他加热装置(例如电阻加热器)来施加局部热。在第43个实施方式中，第42个实施方式包括：加热到某温度并持续某段时间，以足够在第一结合表面与第三结合表面之间形成共价结合并且在第二结合表面与第四结合表面之间形成共价结合。在第44个实施方式中，第43个实施方式包括：将层压堆叠体加热到至少约400℃的温度，持续至少30分钟的时间。在第45个实施方式中，第44个实施方式包括：对第一包层基材和第二包层基材进行化学强化。
图5A示出了根据本公开的实施方式所述的两个示例性分布。使用有限元模型化和断裂力学模拟本文各附图中提供的应力分布。在各模拟情况中，将残余应力分布应用于基于玻璃的制品，明确插入裂纹，将四点弯曲应用于基于玻璃的制品的拉伸侧上具有表面裂纹的几何结构，并且使用聚焦网格方法(focused mesh approach)来计算应力强度因子。然后绘制处于平面应变中的板的强度作为瑕疵尺寸的函数。图5A示出了通过将50μm的包层结合到800μm的基材上产生的两种可能的分布。
基于知晓结合和第二离子交换步骤将降低芯体玻璃基材在表面处的CS量值，但是还将会增加深度，对芯体基材的初始离子交换分布进行选择。虽然不囿于任何理论，但是预计单离子交换(例如钾离子交换钠离子)将赋予所需的应力分布特征，但是也可以对该分布进行另外的优化。在层压堆叠体的结合和离子交换期间所发生的芯体基材的初始离子交换分布的转变最小化的实施方式中，则选择对钾离子具有低扩散率的基于玻璃的芯体基材。在寻求在芯体基材中获得较深压缩深度的替代性实施方式中，则选择对钾离子具有高扩散率的玻璃来用于基于玻璃的芯体基材。在一个实施方式中，高扩散率玻璃包含锂。选择高扩散率玻璃用于包层基材，以缩短层压堆叠体的离子交换时间。根据一个或多个实施方式，所得的应力分布的量值足以阻止与整个装置挠曲同步的掉落事件期间所引入的深的损伤，并且还处于正确的深度以捕获大多数损伤。在一个或多个实施方式中，可应用另外的热处理以增加芯体应力分布的深度，并且在一些实施方式中，增加包层基材的应力分布的深度。
因此，根据一个或多个实施方式，基于玻璃的制品提供了各种方式来调整基于玻璃的制品的应力分布，从而提供高程度的应力分布可调性。可进行改变以调节基于玻璃的制品的最终应力分布的参数包括芯体玻璃基材的应力分布形状、热处理临界、以及包层基材的厚度。在一个或多个实施方式中，包层基材厚度决定了掩埋CS的开始。在一个或多个实施方式中，调整层压玻璃堆叠体的离子交换以提供充分的抗掉落破裂性和挠曲强度。另外，根据一个或多个实施方式，可以在表面处应用离子交换尖峰以赋予所需的挠曲强度。还可调整层压玻璃的离子交换以提供耐刮擦性。
图5B显示了图5A的两个样品的残留强度预测情况，可以看到，当与两个可能的近似抛物线的层深度(DoL)深的分布相比时，图5A所示的应力分布对50μm至200μm的瑕疵具有增加的强度。芯体玻璃基材的离子交换分布1(实线)和分布2(短虚线)显示为强度低于具有50μm包层的层压制品的分布1(长虚线)和具有50μm包层的层压制品的分布2(强度增加的实线)。层压制品的强度增加的分布超过了目前可获得的针对一些瑕疵深度的离子交换分布强度的两倍。
图6A示出了对于芯体玻璃基材上的两种不同的应力分布，利用75μm、100μm和125μm包层基材所建立的分布，并且图6B示出了残留强度预测情况。标记为离子交换分布1和离子交换分布2的线是在应用包层基材形成层压堆叠体并对层压堆叠体进行离子交换之前，芯体玻璃基材的应力分布。可以看到，增加包层基材厚度一般降低了针对100-200μm的瑕疵的最大强度，但是也使得针对大于200μm的所有瑕疵的强度增加。因此，可以微调基于玻璃的层压制品的应力分布，以提供对抗在粗糙表面上的掉落事件期间可能引入的瑕疵的最大化强度保护。对于所有的模拟情况，芯体厚度随着包层厚度增加而减小，以保持总厚度为1.0mm。
在一个或多个实施方式中，芯体基材和包层基材的不同组成也允许调整基于玻璃的层压制品的应力分布，以针对特定应用优化性能，例如针对粗糙表面上的冲击的掉落保护。芯体基材和包层基材的组成彼此独立，这可提供宽泛范围的机械性能，例如CTE和弹性性质。改变芯体基材和包层基材的CTE提供了由冷却引起的残余应力差，这将造成芯体或包层中的任一者压缩。例如，由于包层基材与芯体基材之间的CTE差所导致的应力提供了相同性能，同时降低了储存在玻璃中的弹性能量。在一个或多个实施方式中，还可对芯体基材和包层基材的杨氏模量进行改变。图7A-7B到9A-9B提供了实例。
在图7A中，将利用两个75μm厚的包层基材及1.0mm的总厚度建立的示例性分布与两种离子交换分布进行比较。将包层基材的杨氏模量从70GPa增加到80GPa，并且将芯体的杨氏模量从70GPa降低到60GPa使得超过芯体/包层界面的所有瑕疵的强度显著增加。如图7B所示，当与芯体和包层的模量均为70GPa的情况相比时，发现由于模量错配的原因，终止于芯体中的瑕疵的残留强度有所增加。本公开中所述的杨氏模量值是指通过标题为“Dynamic Young’s Modulus,Shear Modulus,and Poisson’s Ratio by SonicResonance”(《通过声波共振测试动态杨氏模量、剪切模量和泊松比》)的ASTM E1875-13中所述的通用类型的声波共振技术测得的值。
图8A示出了将利用两个100μm厚的包层基材及1.0mm的总厚度建立的示例性分布与两种可能的离子交换分布进行比较。如图8B所示，残留强度图证明了改变芯体基材和包层基材的杨氏模量的作用。在该示例性情况中，芯体基材的模量为60GPa，而包层基材的模量为80GPa。发现，当与芯体基材和包层基材的杨氏模量均为70GPa的情况相比时，由于模量错配的原因，终止于芯体中的瑕疵的残留强度有所增加。
在图9A中，将利用两个125μm厚的包层基材及1.0mm的总厚度建立的示例性分布与两种可能的离子交换分布进行比较。如图9B所示，芯体基材的杨氏模量为60GPa，而包层基材的杨氏模量为80GPa。当与芯体和包层的模量均为70GPa的情况相比时，由于模量错配的原因，终止于芯体中的瑕疵的残留强度有所增加。图8-10证明了根据本公开的实施方式，除了提供调整和优化成品层压玻璃制品的应力分布的方式外，还提供了另外的机制来增强层压玻璃制品对深损伤的抗损伤性。
图8-10未考虑在芯体基材与包层基材之间的界面处的离子迁移。芯体中的离子可扩散到包层中，反之亦然。图8-10中的其中几个分布在包层的边界处具有少量的张力，对于至少一些裂纹长度来说，这可导致亚临界裂纹生长。另外，张力导致残留强度明显下降。包层基材的较长且较深的离子交换将解决这些问题中的每个问题，因为较长且较深的离子交换将移除张力。
另外，通过谨慎地选择芯体和包层组合物以及离子交换参数，如图10A中所示的分布向总厚度为1.0mm并且具有两个厚度各自为100μm的包层基材的基于玻璃的层压制品提供了掩埋峰分布的一个实例。不同于通过对单个基材进行双离子交换所建立的掩埋峰分布，掩埋峰可以非常深，例如大于25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、125μm或150μm。图10B示出了残留强度图，并且证明了与上文所示实例相似的结果。然而，该图还示出了上升的R曲线行为，其中，裂纹生长与小于100微米的裂纹的强度增加有关，这导致稳定的裂纹生长以及更紧密的强度可靠性分布。因此，层压过程为建立这种具有独特特性的工程应力分布提供了平台。与最高达175μm的比较分布相比，掩埋峰分布具有强度优势，并且可以通过离子交换参数和包层厚度调整差异的深度和大小以符合应用。
另外，本文所述的形成基于玻璃的层压制品的方法可用于将传感器或其他特征整合到基于玻璃的层压制品中，这对于制造电子装置(例如手机和平板电脑)的盖板玻璃是有用的。传感器可通过更靠近玻璃表面而有成效，但是更薄的盖板玻璃可损害强度。因此，将传感器整合到盖板玻璃中可起到靠近玻璃表面定位传感器的作用而不损害盖板的强度。为此，在玻璃基材上沉积触摸式传感器。一旦将传感器沉积到基材上，则将二氧化硅沉积在传感器的表面上。或者，如果传感器材料具有足够的硅-氧键以在400℃的结合温度下与包层建立牢固的共价结合，则将不需要在传感器上的二氧化硅沉积步骤。然后如本文所述，通过对层压堆叠体进行加热过程以形成共价结合而将所有部件结合在一起，但是将传感器和包层结合到一侧，并且仅将包层结合到另一侧。当传感器可经受得住约400℃的温度时，这种过程是有益的。除了传感器，可以这种方式保护任何其他功能层，例如光学光导和光致变色(photochromatic)层。
根据一个或多个实施方式，制造基于玻璃的层压制品的替代性方法(称为CTE差异法)包括层压过程，随后进行深离子交换过程。在一个实施方式中，使用层压熔合过程来制造基于玻璃的层压制品，如第20160114564A1号美国专利申请公开中所述。在这样的过程中，用于形成层压玻璃制品的层压熔合拉制设备包括上等压槽，其位于下等压槽的上方。上等压槽包括槽，熔融玻璃包层组合物从熔化器进料到该槽中。类似地，下等压槽包括槽，熔融玻璃芯体组合物从熔化器进料到槽中。在本文所述的实施方式中，熔融玻璃芯体组合物的平均芯体热膨胀系数CTE芯体低于熔融玻璃包层组合物的平均包层热膨胀系数CTE包层。对于这种基于玻璃的层压制品，包层的CTE高于芯体的CTE，使得在冷却到室温后，包层处于张力下。接着，对基于玻璃的层压制品进行离子交换。图11例示了通过这种过程建立的分布的一个实例，该图示出了层压玻璃的应力分布和深的离子交换。制备具有菱形曲线的应力分布的层压玻璃。包层处于张力中，而芯体处于压缩中，这与常规层压玻璃相反。在该层压过程之后进行深离子交换过程。来自该离子交换过程的残余应力为正方形曲线。最终的残余应力是来自层压和离子交换的两种应力的总和。对于层压，包层的CTE高于芯体的CTE，使得在冷却到室温后，包层处于张力之下。
在图11中，假设最终产品的残余应力为层压应力和离子交换应力的总和。在该实施方式中，包层厚度是0.12mm，并且层压玻璃的厚度是1.0mm。压缩层的深度从约166um增加到超过200um。深度的这一增加超过30um，并且可改进材料针对深瑕疵的残留强度。
根据一个或多个实施方式，如本文所述的基于玻璃的层压制品可用作移动电子装置(例如手机和平板电脑)的薄盖板玻璃。图12绘制了总厚度为0.4mm并且包层基材的厚度为65um至80um的基于玻璃的层压制品的应力分布。实线曲线是来自离子交换(非层压)的残余应力，虚线曲线是由于层压和离子交换应力的线性叠加得到的最终残余应力。压缩层的深度大致从65um增加到80um。
图13中绘制了图12的应力分布的残留强度，其示出了层压样品的残留强度随着瑕疵尺寸是非单调的。这与实线所示的非层压玻璃的残留强度形成对比。在该情况中，当瑕疵尺寸比80um更深时，残留强度更大。当在不期望的事件中(例如掉落到硬表面上)有深的瑕疵(例如100um)引入到层压盖板玻璃中时，这是有益的。这将花费两倍挠曲应力(200MPa对比100MPa)来断裂这种玻璃。层压情况中的中心张力有所减小，这意味着在中心张力匹配非层压情况之前，压缩应力量值与层深度的某种组合可得到增强，这将改进深损伤的性能。一旦实现，则层压分布的性能优势将相对于非层压分布进一步增加。
图14和图15例示了基于较薄的玻璃的制品的另一个实施方式，其总厚度为0.3mm，其中包层基材为50μm厚。压缩层深度以及深瑕疵处的残留强度的优点类似于上文已经论述过的0.4mm玻璃的情况。压缩层的深度大致从60um增加到75um。压缩层深度有大致20％的增加，并且在高于70um的深瑕疵处具有更佳的残留强度。对于恒定的包层厚度和张力，所提出的替代性方法的益处随着芯体厚度的增加而减少，这是因为能量平衡表明中心压缩与芯体厚度成反比。
根据一个或多个实施方式，可使用环上环磨损测试来确定在基于玻璃的基材的一侧上的强度增加或减小。材料的强度被定义为发生断裂时的应力。环上环磨损测试是用于测试平坦玻璃试样的表面强度测量，并且题为“Standard Test Method for MonotonicEquibiaxial Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature”(《环境温度下的先进陶瓷的单调等双轴挠曲强度的标准测试方法》)的ASTM C1499-09(2013)用作本文所述的环上环磨损测试方法学的基础。ASTM C1499-09的内容通过参引的方式全文纳入本文中。在一个实施方式中，在进行环上环测试之前，采用题为“StandardTest Methods for Strength of Glass by Flexure(Determination of Modulus ofRupture)”[《通过挠曲进行的玻璃强度标准测试方法(断裂模量的确定)》]的ASTM C158-02(2012)中的附录A2[题为“abrasion Procedures”(磨损程序)]中所述的方法和设备，用提供给玻璃样品的90号粒度的碳化硅(SiC)颗粒对玻璃试样进行磨损。ASTM C158-02的内容，特别是附录2的内容通过参引的方式全文纳入本文。
在环上环测试之前，使用ASTM C158-02附图A2.1中所示的设备，如ASTM C158-02附录2所述对基于玻璃的制品的表面进行磨损，以标准化和/或控制样品的表面缺陷状态。通常使用304kPa(44psi)的气压，以15psi的载荷将磨料喷砂到基于玻璃的制品的表面110上。在建立了空气流之后，将5cm3的磨料倒入漏斗中，并且在引入磨料之后，对样品喷砂5秒。
对于环上环磨损测试，将如图16所示的具有至少一个磨损表面410的基于玻璃的制品放置在两个尺寸不同的同心环之间，以确定等双轴挠曲强度(即，当材料受到两个同心环之间的挠曲而能够维持的最大应力)，这也如图16所示。在环上环磨损构造400中，经过磨损的基于玻璃的制品410受直径为D2的支承环420支承。由测力传感器(未示出)，通过直径为D1的载荷环430向基于玻璃的制品的表面施加力F。
载荷环和支承环的直径比D1/D2可以在约0.2至约0.5的范围内。在一些实施方式中，D1/D2为约0.5。载荷环130和支承环120应同心对齐以使它们的偏差在支承环直径D2的0.5％以内。用于测试的测力传感器在选定范围内的任何载荷下应精确到±1％以内。在一些实施方式中，在23±2℃的温度和40±10％的相对湿度下进行测试。
对于固定装置设计，载荷环430的突出表面的半径r为h/2≤r≤3h/2，其中h是基于玻璃的制品410的厚度。载荷环430和支承环420通常由硬度HRc>40的硬化钢制成。磨损环上环固定装置是可商购的。
环上环磨损测试的预期失效机制是观察到源自载荷环430内的表面430a的基于玻璃的制品410断裂。数据分析忽略发生在该区域之外的失效——即在载荷环430与支承环420之间的失效。然而，由于基于玻璃的制品410的薄度和高强度，有时观察到超过试样厚度h的1/2的大的挠曲。因此，观察到源自载荷环430下方的高百分比的失效并非不常见。在不知晓环内和环下的应力发展(通过应变仪分析收集)和每个试样中的失效原因的情况下，无法精确计算应力。因此，环上环磨损测试着重于将失效时的峰值载荷作为测量响应。
基于玻璃的制品的强度取决于表面瑕疵的存在。然而，因为玻璃的强度是统计性质的，因此无法准确预测给定尺寸的瑕疵的存在概率。因此，一般可利用概率分布作为获得的数据的统计学代表。
根据一个或多个实施方式所述的基于玻璃的制品可具有各种最终用途。在一个或多个实施方式中，这样的基于玻璃的制品包括建筑窗用玻璃、汽车挡风玻璃和窗用玻璃。根据一个或多个实施方式，可对基于玻璃的制品的相背的表面进行设计和定制，以具有所需的强度和可靠性。类似的考虑适用于建筑构造中所用的建筑窗用玻璃。
根据一个或多个实施方式，可根据如下使用断口分析试验来确定瑕疵尺寸。通过采用ASTM标准：C1322–15(先进陶瓷断裂源的断口分析和特性描述的标准实施规程)可利用断口分析试验来确定瑕疵尺寸，从而确定使用四点弯曲测试(ASTM C1161：室温下先进陶瓷的挠曲强度的标准测试方法)或环上环测试(ASTM C1499–15)断裂的样品的瑕疵尺寸(原尺寸)。这确立了预期应用中的玻璃片的瑕疵尺寸分布。用于破坏性测试的样品越多，根据测试获得的瑕疵尺寸分布数据的置信程度越佳。或者，根据一个或多个实施方式，可使用强度测试和断裂力学分析来确定瑕疵尺寸。在一个实施方式中，利用合适的强度测试(对于边缘强度利用四点弯曲，而对于内部强度利用环上环测试)，使用尽可能多的样品来获得强度数据。使用合适的断裂分析模型(解析或有限元分析)，可估算在强度测试中一定会造成样品失效的瑕疵尺寸。这假设了特定的瑕疵尺寸、形状和位置，因此该方法不如断口分析试验那么精确，但是更易于确立瑕疵群。
可使用各种不同方法来提供基于强化玻璃的基材。例如，示例性基于玻璃的基材的成形方法包括浮法玻璃工艺和下拉法，例如熔合拉制和狭缝拉制。通过浮法玻璃工艺制备的基于玻璃的基材可以以光滑表面为特征，并且通过使熔融玻璃浮在熔融金属床(通常是锡床)上实现了均匀的厚度。在一个示例性工艺中，进料到熔融锡床表面上的熔融玻璃形成了浮动玻璃带。随着玻璃带沿着锡浴流动，温度逐渐降低直至玻璃带固化成固体的基于玻璃的基材，可以将其从锡中抬到辊上。一旦离开锡浴，则可以使基于玻璃的基材进一步冷却和退火以降低内应力。
下拉法生产厚度均匀的基于玻璃的基材，该基于玻璃的基材具有相对较原始的表面。由于基于玻璃的基材的平均挠曲强度受到表面瑕疵的量和尺寸的控制，因此接触程度最小的原始表面具有较高的初始强度。当随后进一步强化(例如化学强化)该高强度的基于玻璃的基材时，所得到的强度可以高于表面已经进行过磨光和抛光的基于玻璃的基材的强度。可将经过下拉的基于玻璃的基材拉制到小于约2mm的厚度。另外，经过下拉的基于玻璃的基材具有非常平坦、光滑的表面，这种表面可用于其最终应用而不需要进行昂贵的研磨和抛光。
熔合拉制工艺例如使用拉制槽，该拉制槽具有用来接收熔融玻璃原料的通道。通道具有堰，其沿着通道两侧上通道的长度在顶部开放。当通道填充有熔融材料时，熔融玻璃从堰溢流。在重力的作用下，熔融玻璃作为两个流动玻璃膜从拉制槽的外表面向下流动。这些拉制槽的外表面向下并向内延伸，以使它们在拉制槽下方的边缘处汇合。两个流动玻璃膜在该边缘处汇合以熔合并形成单个流动的基于玻璃的基材。熔合拉制法的优点在于：由于从通道溢流的两个玻璃膜熔合在一起，因此所得到的基于玻璃的基材的任一个外表面均不与设备的任何部件相接触。因此，经过熔合拉制的基于玻璃的基材的表面性质不受到此类接触的影响。
狭缝拉制工艺与熔合拉制法不同。在狭缝拉制工艺中，向拉制槽提供熔融原料玻璃。拉制槽的底部具有开放狭缝，其具有使狭缝长度延伸的喷嘴。熔融玻璃流过狭缝/喷嘴，并且作为连续的基材向下拉制且进入到退火区域中。
在一些实施方式中，用于基于玻璃的基材的组合物可配料有0-2摩尔％的选自包括以下物质的下组中的至少一种澄清剂：Na2SO4、NaCl、NaF、NaBr、K2SO4、KCl、KF、KBr和SnO2。
一旦成形，可对基于玻璃的基材进行强化以形成基于强化玻璃的基材，从而提供强化基材。应当注意的是，玻璃陶瓷基材也可以通过与基于玻璃的基材相同的方式得到强化。如本文所用，术语“强化基材”可以指已经经过化学强化的基于玻璃的基材或玻璃基材，例如通过离子交换将基于玻璃的基材或玻璃基材表面中的较小离子交换成较大的离子来进行化学强化。然而，如上所述，本领域已知的热强化方法，例如热回火或加热强化可以用于形成强化玻璃基材。在一些实施方式中，可以使用化学强化工艺结合热强化工艺来强化基材。
在基于强化玻璃的基材中，存在应力分布，其中在玻璃的表面上具有压缩应力(CS)，并且在玻璃的中心中具有张力(中心张力，或CT)。根据一个或多个实施方式，屏幕盖板可以是经过热强化、化学强化或者热强化与化学强化的组合。如本文中所使用的，“热强化(thermally strengthened)”是指对基材进行热处理以改进基材的强度，并且“热强化”包括回火基材和加热强化(heat-strengthened)基材，例如回火玻璃和加热强化玻璃。回火玻璃涉及加速冷却过程，这在玻璃中造成了较高的表面压缩和/或边缘压缩。影响表面压缩程度的因素包括空气淬火温度、体积以及形成至少10,000磅/平方英寸(psi)的表面压缩的其他变量。回火玻璃通常比退火玻璃或未经处理的玻璃坚固四至五倍。加热强化玻璃通过比回火玻璃更慢的冷却来生成，这导致在表面处具有较低的压缩强度，并且加热强化玻璃的强度大致是退火玻璃或未经处理的玻璃的强度的两倍。
可以用于芯体和包层基材的玻璃实例可以包括碱金属硅铝酸盐玻璃组合物或碱金属铝硼硅酸盐玻璃组合物，但也可考虑其他玻璃组合物。这种玻璃组合物可以以可进行离子交换为特征。如本文所使用的，“可进行离子交换”意为包含该组合物的基材能够用尺寸更大或更小的同价态阳离子交换位于基材表面处或附近的阳离子。一种示例性玻璃组合物包含SiO2、B2O3和Na2O，其中，(SiO2+B2O3)≥66摩尔％并且Na2O≥9摩尔％。在一些实施方式中，合适的玻璃组合物还包含K2O、MgO和CaO中的至少一种。在一个特定的实施方式中，用于基材的玻璃组合物可包含61-75摩尔％的SiO2；7-15摩尔％的Al2O3；0-12摩尔％的B2O3；9-21摩尔％的Na2O；0-4摩尔％的K2O；0-7摩尔％的MgO以及0-3摩尔％的CaO。
适用于基材的另一种示例性玻璃组合物包含：60-70摩尔％的SiO2；6-14摩尔％的Al2O3；0-15摩尔％的B2O3；0-15摩尔％的Li2O；0-20摩尔％的Na2O；0-10摩尔％的K2O；0-8摩尔％的MgO；0-10摩尔％的CaO；0-5摩尔％的ZrO2；0-1摩尔％的SnO2；0-1摩尔％的CeO2；小于50ppm的As2O3；及小于50ppm的Sb2O3；其中，12摩尔％≤(Li2O+Na2O+K2O)≤20摩尔％并且0摩尔％≤(MgO+CaO)≤10摩尔％。
适用于基材的另一种示例性玻璃组合物包含：63.5-66.5摩尔％的SiO2；8-12摩尔％的Al2O3；0-3摩尔％的B2O3；0-5摩尔％的Li2O；8-18摩尔％的Na2O；0-5摩尔％的K2O；1-7摩尔％的MgO；0-2.5摩尔％的CaO；0-3摩尔％的ZrO2；0.05-0.25摩尔％的SnO2；0.05-0.5摩尔％的CeO2；小于50ppm的As2O3；以及小于50ppm的Sb2O3；其中14摩尔％≤(Li2O+Na2O+K2O)≤18摩尔％且2摩尔％≤(MgO+CaO)≤7摩尔％。
在一个具体的实施方式中，适用于基材的碱金属硅铝酸盐玻璃组合物包含氧化铝、至少一种碱金属，并且在一些实施方式中包含大于50摩尔％的SiO2，在其他实施方式中包含至少58摩尔％的SiO2，以及在其他实施方式中包含至少60摩尔％的SiO2，其中比值((Al2O3+B2O3)/∑改性剂)＞1，其中，在该比例中，各组分以摩尔％表示，并且改性剂是碱金属氧化物。在具体的实施方式中，这一玻璃组合物包含：58-72摩尔％的SiO2；9-17摩尔％的Al2O3；2-12摩尔％的B2O3；8-16摩尔％的Na2O和0-4摩尔％的K2O，其中，比值((Al2O3+B2O3)/∑改性剂)>1。
在另一个实施方式中，基材可以包含：含有以下物质的碱金属硅铝酸盐玻璃组合物：64-68摩尔％的SiO2；12-16摩尔％的Na2O；8-12摩尔％的Al2O3；0-3摩尔％的B2O3；2-5摩尔％的K2O；4-6摩尔％的MgO和0-5摩尔％的CaO。
在一个替代性实施方式中，基材可以包含：含有以下物质的碱金属硅铝酸盐玻璃组合物：2摩尔％或更高的Al2O3和/或ZrO2，或者4摩尔％或更高的Al2O3和/或ZrO2。
可通过离子交换工艺对本文所述的强化基材进行化学强化。在离子交换工艺中，通常通过将玻璃或玻璃陶瓷基材浸没到熔融盐浴中一段预定的时间，使得在玻璃或玻璃陶瓷基材表面处或者表面附近的离子与来自盐浴的更大的金属离子发生交换。在一个实施方式中，熔融盐浴的温度为约400-430℃，并且预定的时间为约4小时至约12小时。将更大的离子结合到玻璃或玻璃陶瓷基材中通过在基材的一个近表面区域中，或者在基材表面处或与表面相邻的多个区域中形成压缩应力而强化了基材。在距离基材表面一定距离的一个或多个中心区域内诱导对应的拉伸应力，以平衡压缩应力。可以将使用该强化工艺的玻璃或玻璃陶瓷基材更加具体地描述为经过化学强化或经过离子交换的玻璃或玻璃陶瓷基材。
在一个实例中，强化玻璃或玻璃陶瓷基材中的钠离子被熔融浴(例如硝酸钾盐浴)中的钾离子替换，但是原子半径更大的其他碱金属离子(例如铷或铯)也可以替换玻璃中更小的碱金属离子。根据具体的实施方式，玻璃或玻璃陶瓷中的更小的碱金属离子可被Ag+离子替换以提供抗微生物作用。类似地，其他碱金属盐，例如但不限于硫酸盐、磷酸盐、卤化物等，可以用于离子交换工艺。
在基于强化玻璃的基材中，存在应力分布，其中在玻璃的表面上具有压缩应力(CS)，并且在玻璃的中心中具有张力(中心张力，或CT)。在低于可使玻璃网络松弛的温度下，用更大的离子替换更小的离子可在强化基材的整个表面上产生离子分布，该离子分布使得形成应力分布。进入的离子的更大体积在强化基材的表面上形成压缩应力(CS)，并在强化基材的中心中形成张力(中心张力，或者CT)。通过表面应力计(FSM)，使用商购仪器，例如日本折原实业有限公司[Orihara Industrial Co.,Ltd.(Japan)]制造的FSM-6000，来测量压缩应力(包括表面CS)。表面应力测量依赖于应力光学系数(SOC)的精确测量，而应力光学系数与玻璃的双折射相关。进而根据ASTM标准C770-16中所述的题为“Standard TestMethod for Measurement of Glass Stress-Optical Coefficient”(《测量玻璃应力-光学系数的标准测试方法》)的方案C(玻璃盘方法)来测量SOC，所述文献的内容通过引用全文纳入本文。在一个或多个实施方式中，用于芯体和/或包层的基于玻璃的基材可具有以下表面压缩应力：750MPa或更高，例如800MPa或更高、850MPa或更高、900MPa或更高、950MPa或更高、1000MPa或更高、1150MPa或更高或者1200MPa。
如本文所用，DOL意为本文所述的经过化学强化的碱金属硅铝酸盐玻璃制品中的应力从压缩应力变为拉伸应力处的深度。取决于离子交换处理方式，DOL可以通过FSM或散射光偏振镜(SCALP)来测量。如果玻璃制品中的应力是通过将钾离子交换到玻璃制品中产生的，则使用FSM测量DOL。如果应力是通过将钠离子交换到玻璃制品中产生的，则使用SCALP测量DOL。如果玻璃制品中的应力是通过将钾离子和钠离子二者交换到玻璃中产生的，则通过SCALP测量DOL，因为认为钠的交换深度表示的是DOL，而钾离子的交换深度表示压缩应力的量值变化(但不表示应力从压缩应力变为拉伸应力)；在这种玻璃制品中的钾离子的交换深度通过FSM测量。
折射近场(RNF)方法或SCALP可以用于测量应力分布。当使用RNF方法测量应力分布时，在RNF方法中使用由SCALP提供的最大CT值。具体地，对通过RNF测量的应力分布进行力平衡并标定至SCALP测量所提供的最大CT值。RNF方法在题为“Systems and methods formeasuring a profile characteristic of a glass sample”[《用于测量玻璃样品的分布特征的系统和方法》]的第8,854,623号美国专利中有所描述，其全文通过引用纳入本文。具体地，RNF方法包括将玻璃制品置于参比块附近，产生偏振切换光束，其以1Hz至50Hz频率在各正交偏振之间切换，测量偏振切换光束中的功率量，以及产生偏振切换参比信号，其中每个正交偏振中所测量的功率量彼此相差50％以内。该方法还包括使偏振切换光束传输通过玻璃样品和参比块以进入到玻璃样品中的不同深度，然后用中继光学系统使传输的偏振切换光束传到信号光电检测器中，并且该信号光电检测器产生偏振切换的检测信号。该方法还包括用检测信号除以参比信号以形成归一化检测信号，以及由该归一化检测信号确定玻璃样品的分布特征。
在一个或多个实施方式中，可利用第20150239775号美国专利申请公开中所述的玻璃组合物来制造本文所述的玻璃基材。第20150239775号美国专利申请公开描述了具有某压缩应力分布的玻璃制品，该压缩应力分布包含两个线性部分：第一部分，其从表面延伸到相对较浅的深度并具有陡峭的斜率；以及第二部分，其从浅的深度延伸到压缩深度。
离子交换工艺通常通过如下进行：将基于玻璃的制品浸没在熔融盐浴中，所述熔融盐浴含有将要与玻璃中较小离子进行交换的较大离子。本领域技术人员应理解，离子交换工艺的参数包括但不限于浴的组成和温度、浸没时间、玻璃在一种或多种盐浴中的浸没次数、多种盐浴的使用、其他步骤(例如退火、洗涤等)，这些参数一般通过玻璃的组成、所需的层深度以及通过强化操作获得的玻璃的压缩应力来确定。例如，含碱金属的玻璃的离子交换可以通过浸没在至少一种包含盐的熔融浴中来实现，所述盐例如但不限于较大碱金属离子的硝酸盐、硫酸盐和氯化物。熔融盐浴的温度通常在约380℃至最高达约450℃的范围内，同时，浸没时间在约15分钟至最高达约40小时的范围内。但是，也可以采用与上述不同的温度和浸没时间。
另外，将玻璃浸没在多个离子交换浴中，并且在各浸没之间具有洗涤和/或退火步骤的离子交换工艺的非限制性实例见述于以下文献：Douglas C.Allan等人于2013年10月22日公告的题为“Glass with Compressive Surface for Consumer Applications”(《用于消费应用的具有压缩表面的玻璃》)的第8,561,429号美国专利，其要求2008年7月11日提交的第61/079,995号美国临时专利申请的优先权，其中，通过在浓度不同的盐浴中多次相继浸没进行离子交换处理来对玻璃进行强化；以及Christopher M.Lee等人于2012年11月20日公告的题为“Dual Stage Ion Exchange for Chemical Strengthening of Glass”(《用于玻璃的化学强化的双阶段离子交换》)的第8,312,739号美国专利，其要求2008年7月29日提交的第61/084,398号美国临时专利申请的优先权，其中，玻璃通过下述离子交换得到强化：将玻璃浸没在用流出离子稀释的第一浴中，然后浸没在第二浴中，所述第二浴具有比第一浴更小的流出离子浓度。第8,561,429号和第8,312,739号美国专利的内容通过引用全文纳入本文。
通过对基于玻璃的制品进行化学强化来产生压缩应力，例如通过本文之前所述的离子交换工艺来产生压缩应力，其中用多个第二金属离子对基于玻璃的制品外部区域中的多个第一金属离子进行交换，使得该外部区域包含多个第二金属离子。各第一金属离子具有第一离子半径，并且各第二碱金属离子具有第二离子半径。第二离子半径大于第一离子半径，在外部区域中有较大的第二碱金属离子的存在使得在外部区域中产生了压缩应力。
第一金属离子和第二金属离子中的至少一种是碱金属的离子。第一离子可以是锂、钠、钾和铷的离子。第二金属离子可以是钠、钾、铷和铯中的一种的离子，前提是第二碱金属离子的离子半径大于第一碱金属离子的离子半径。
本文公开的基于涂覆玻璃的制品可以被包含到另一制品中，例如具有显示器的制品(或显示器制品)(例如，消费电子器件，包括手机、平板电脑、计算机、导航系统等)，建筑制品，运输制品(例如，汽车、火车、飞行器、航海器等)，器具制品，或者需要一定的透明度、耐刮擦性、耐磨性或其组合的任意制品。图17A和17B示出了包含本文公开的任何基于涂覆玻璃的制品的示例性制品。具体来说，图17A和17B示出了消费电子装置1700，其包括壳体1702，所述壳体1702具有前表面1704、后表面1706和侧表面1708；电子部件(未示出)，其至少部分或完全位于所述壳体内并且至少包括控制器、存储器和显示器1710，其位于壳体的前表面处或与之相邻处；以及盖板基材1712，其在壳体的前表面处或壳体的前表面上方以使盖板基材1712在显示器上方。在一些实施方式中，盖板基材1712可以包括本文公开的任意的基于涂覆玻璃的制品。虽然上述内容涉及各种实施方式，但是，可以在不偏离本公开的基本范围情况下，设想出本公开的其他实施方式和进一步的实施方式，并且本公开的范围由所附权利要求书确定。

Claims (21)

1.一种基于玻璃的制品，其包括：
基于玻璃的基材，其具有第一表面以及与第一表面相背的第二表面，从而限定了基材厚度(t)，该基材厚度(t)在约0.1毫米至3毫米的范围内，所述基于玻璃的基材具有延伸到压缩深度(DOC)的压缩区域，该压缩区域具有第一压缩应力CS最大值，所述第一压缩应力CS最大值在基于玻璃的制品的第一表面处，并且该压缩区域具有第二局部CS最大值，其在离第一表面至少25μm的深度处，
其中，所述基于玻璃的基材包括基于玻璃的芯体基材，其具有第一侧和第二侧，所述基于玻璃的芯体基材被夹在基于玻璃的第一包层基材与基于玻璃的第二包层基材之间，第一包层基材和第二包层基材直接结合至第一侧，并且第二包层基材直接结合至第二侧。
2.如权利要求1所述的基于玻璃的制品，其中，基于玻璃的制品的厚度在0.1mm至2mm的范围内。
3.如权利要求1或2所述的基于玻璃的制品，其中，第二局部CS最大值位于离第一表面至少50μm的深度处。
4.如权利要求3所述的基于玻璃的制品，其中，第二CS最大值位于离第一表面至少75μm的深度处。
5.如权利要求3所述的基于玻璃的制品，其中，第二CS最大值位于离第一表面至少100μm的深度处。
6.如前述任一项权利要求所述的基于玻璃的制品，其中，芯体基材包括第一玻璃组合物，并且第一包层基材和第二包层基材各自包括第二玻璃组合物，其中，第一玻璃组合物不同于第二玻璃组合物。
7.如权利要求6所述的基于玻璃的制品，其中，第一玻璃组合物具有第一离子扩散率，并且第二玻璃组合物各自具有第二离子扩散率，并且第一离子扩散率与第二离子扩散率不相同。
8.如权利要求6或7所述的基于玻璃的制品，其中，第一玻璃组合物具有第一热膨胀系数(CTE)并且第二玻璃组合物各自具有第二热膨胀系数(CTE)，且第一CTE与第二CTE不相同。
9.如权利要求8所述的基于玻璃的制品，其中，第二CTE低于第一CTE，以在第一包层基材和第二包层基材中赋予压缩应力。
10.如权利要求6-9中任一项所述的基于玻璃的制品，其中，芯体基材具有第一应力分布，并且第一包层基材和第二包层基材各自具有第二应力分布，其中，第一应力分布与第二应力分布不相同。
11.如权利要求6-10中任一项所述的基于玻璃的制品，其中，第一玻璃组合物具有第一杨氏模量值，且第二玻璃组合物具有第二杨氏模量值，并且第一杨氏模量值与第二杨氏模量值不相同。
12.如权利要求11所述的基于玻璃的制品，其中，第二杨氏模量值大于第一杨氏模量值。
13.如权利要求11所述的基于玻璃的制品，其中，第二杨氏模量值小于第一杨氏模量值。
14.如前述任一项权利要求所述的基于玻璃的制品，其中，第一包层基材和第二包层基材各自通过共价结合而结合至芯体基材。
15.如前述任一项权利要求所述的基于玻璃的制品，其中，共价结合包含Si-O-Si键。
16.如前述任一项权利要求所述的基于玻璃的制品，其中，第一包层基材和第二包层基材各自的厚度在25μm至150μm的范围内。
17.如前述任一项权利要求所述的基于玻璃的制品，其中，第一包层基材和第二包层基材各自的厚度在50μm至150μm的范围内。
18.如前述任一项权利要求所述的基于玻璃的制品，其中，第一包层基材和第二包层基材各自的厚度在50μm至100μm的范围内。
19.如前述任一项权利要求所述的基于玻璃的制品，其中，第一包层基材和第二包层基材各自的厚度在50μm至75μm的范围内。
20.如前述任一项权利要求所述的基于玻璃的制品，其中，第一包层基材和第二包层基材各自的厚度在25μm至75μm的范围内。
21.一种消费电子产品，其包括：
壳体，所述壳体具有前表面、后表面和侧表面；
至少部分位于所述壳体内的电子部件，所述电子部件至少包括控制器、存储器和显示器，所述显示器位于所述壳体的前表面处或附近；以及
如前述任一项权利要求所述的基于玻璃的制品。
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