CN112225473A - 一种制作曲面真空玻璃的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制作曲面真空玻璃的方法，采用冷弯后的铝硅酸盐超薄玻璃与热弯后的钠钙厚板玻璃经封装后制作真空玻璃，其中至少一层为热弯后的钠钙厚板玻璃，作为控制玻璃弯曲的主要元件，冷弯的超薄玻璃与钠钙厚板玻璃可以视真空玻璃窗的隔热与强度需要形成多层次的结构。可以利用化学强化与冷弯后的铝硅酸盐超薄玻璃所具有的弹性与韧性直接与弯曲的钠钙玻璃厚板进行边缘胶合与封装，形成曲面的真空玻璃。本发明采用经过化学强化与冷弯的铝硅酸盐玻璃薄板配合厚板玻璃的型状贴合，且表现出与厚板玻璃一致的弯曲形状，并且没有裂纹。
Description
技术领域
本发明涉及玻璃制作领域，特别是一种制作曲面真空玻璃的方法。
背景技术
曲面胶合玻璃板(Curved laminates)大量应用于汽车玻璃、轨道交通工具、建筑玻璃等领域，厚度在2.1mm到10mm之间的钠钙玻璃板是目前应用于胶合玻璃最普遍的玻璃种类，这些钠钙玻璃厚板会依据汽车造型设计师或建筑师的设计被制造出各种弯曲形状，最常用的玻璃板弯曲工艺就是将平板玻璃加热到适当的温度再子模具压弯成型，或是将平板玻璃加热到软化点温度附近再利用其自身重量而下垂弯曲。平板玻璃经过热弯工艺后对于作为玻璃视窗的部份必须避免表面瑕疵，也不能产生视觉上的光学变异，例如光学波纹、斑点、明暗条纹等缺陷。目前制造胶合曲面玻璃的方法是将两片钠钙平板玻璃先分别热弯成为相同曲面形状后再热压胶合，通常为了提高热弯的稳定性，会优先使用相对较厚的玻璃板来制作曲面胶合玻璃。
随著环保节能观念的普遍化与相关的法规要求，汽车轻量化已是不可阻挡的趋势，因此，曲面胶合玻璃也开始尝试引进铝硅酸盐超薄玻璃，这类玻璃厚度约在1.4～0.3mm间，经过化学刚化后具有高达约800～950MPa的表面压应力与约30～40μm的应力层深度，可以大幅提升玻璃耐冲击与耐刮伤的能力，早已经被大量应用于消费电子产品领域，例如作为手机与平板电脑显示器的盖板保护玻璃；但这种铝硅酸盐超薄玻璃板要作为车用玻璃并且与钠钙玻璃板进行曲面胶合，已目前行业里的热弯技术尚无法完成，主要原因是两者的热弯加工温度差异太大，钠钙玻璃的软化点温度约在650℃而铝硅酸盐的软化温度则高达约900℃上下，且铝硅酸盐玻璃厚度薄更增加热弯工艺在曲率、形状、光学瑕疵与表面缺陷等等技术要求的难度。铝硅酸盐超薄玻璃本身的热弯工艺就已经困难重重，若再加上与较厚的钠钙玻璃板进行曲面贴合，通常会因为太大的尺寸或曲率差异而失败，因此，找出一种可以让曲面的钠钙玻璃厚板与强韧的铝硅酸盐玻璃薄板合成为曲面胶合玻璃板，成为目前亟需解决的难题。若同时又要考虑曲面玻璃窗的隔热与隔音问题，那么问题就更加复杂。
随著车顶天窗的尺寸朝向大型化发展，此时若天窗本身没有同时增强隔热的功能，那么夏天艳阳照射下车内燥热，会需要大量冷气来维持乘客的舒适温度，同理，冬天时车外严寒，车厢内的暖气会透过玻璃大量外泄，这种缺乏有效隔热的天窗对于电动汽车是一种亟需改进的缺失。由于传统玻璃天窗是由胶合玻璃板所构成，一般而言玻璃板厚度在5～10mm之间，玻璃板易于导热，也易於傳導聲音，所以随著天窗面积增加，隔音功能也需要提升，如此才能隔绝环境噪音经由天窗的玻璃板进入车厢内，使乘客产生不舒适的感受。若将现行的天窗胶合玻璃转换成至少包含一层真空玻璃，就可以利用真空层大幅降低热传导同时减轻噪音的传递，可以达到节能减碳的功效。
一般而言，真空玻璃窗周边被气密胶所封装，玻璃在封装前先经过加热烘烤以消除玻璃表面与内部的表面吸付气体及材料结构性气体。由于大气压力作用于玻璃表面的压力约为104Kg/m2，玻璃板本身强度不足以对抗此一压力，所以真空腔体内需要设置一定数量的微小支柱，以补强支撑力度，维持真空腔的厚度。真空腔的厚度一般维持在不大于0.5mm，特别是介于0.15-0.3mm之间，此一厚度可以有效避免残留气体形成内部对流，同时真空腔内没有足够的气体分子可以进行热传导，再以玻璃真空腔内玻璃面镀的抗辐射膜，三者作用相加后，刚好可以达到阻绝传递热量的三种途径：传导、对流、辐射。虽然真空玻璃窗可以有效解决汽车玻璃，特别是车顶天窗，的隔热与隔音问题，但到目前为止并未有任何车厂使用这项方案来解决车窗隔热与隔音问题，原因就在于：若要使用传统的钠钙玻璃制作真空薄璃，会因为钠钙玻璃本身强度与刚性不够强，所以需要使用比较厚的玻璃板加上真空腔内的支柱才能抵抗大气压力，如此就会造成真空玻璃窗太厚与太重，不适合车用。以目前应用于玻璃帷幕大厦的建筑用真空玻璃为例，其厚度可达到50mm的惊人厚度。
因为铝硅酸盐的软化点温度高达850℃以上，且厚度小于1.4mm，如此薄的玻璃板很难使用高温热弯的方式进行玻璃板的曲面制作，不仅是曲面形状精准度难于控制，更难的是玻璃表面的光学连续性也很难保存，这些光学变形会造成影像扭曲，而降低玻璃窗板的价值。解决这类超薄铝硅酸盐玻璃板难于用热弯工艺进行弯曲的方法就是改用化学冷弯工艺，这种方法是在常温下进行，其程序是先将铝硅酸盐薄板进行化学刚化，再将刚化后的玻璃板其中一个玻璃面进行减薄，可以使用化学减薄(蚀刻)或机械减薄(研磨抛光)，减薄后玻璃板的两个面的应力产生差异，因而导致玻璃板弯曲。
化学冷弯工艺的第一步就是化学刚化，狭义的玻璃化学刚化系指针对含有氧化钠成分的硅酸盐玻璃，在硝酸钾熔盐中，使用离子交换的方式，在约380-460℃的范围，将熔盐中的钾离子与玻璃表面的钠离子互相交换，因钾离子的体积略大于钠离子的体积，因此，当玻璃表面发生钾离子取代钠离子后，会在表面形成压应力，此压应力层的深度一般即指离子交换层深度(Depth ofion-exchanged layer，DOL)，所形成的表面压应力(Compressivestress，CS)的大小会受到玻璃成分及离子交换深度等因素影响。介于玻璃板两外表面的压应力层之间的区域是中央张力区(Central tension，CT)，玻璃在化学强化过程中其表面压应力与中央部位的张应力是保持平衡的，当玻璃表面因为有压应力而增强抵抗外力撞击的能力时，中央区会因为产生张应力而弱化。广义的玻璃化学刚化是指任何可以使用离子交换的方式将玻璃表面的某种金属离子置换出来，而新置入到玻璃表面的外来离子通常是同电荷价位但体积略大于原先玻璃表面的离子，在提供足够动能时可以离子交换方式扩散进入玻璃并达到表面强化的目的。因此，含有钠离子的玻璃在硝酸钾熔盐中进行钾离子与钠离子的交换仅是行业内最常用的玻璃化学强化方式，但不是唯一的方式，其他以离子交换方式进行的玻璃化学强化可以在许多参考文献中见到，不再此赘述。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种制作曲面真空玻璃的方法，可以降低真空玻璃窗的厚度与重量。
本发明采用以下方案实现：一种制作曲面真空玻璃的方法，所述曲面真空玻璃包括至少一层真空夹层、至少一层热弯成型的曲面钠钙玻璃厚板和至少一层经过化学强化与冷弯的铝硅酸盐玻璃薄板；所述真空夹层的厚度不大于0.5mm，所述真空夹层四周被气密的真空胶封装，用以使外部气体无法穿透进入真空夹层；
其中，上述曲面真空玻璃的制作方法为：所述热弯成型的曲面钠钙玻璃厚板，作为控制曲面真空玻璃的主要元件；所述经过化学强化与冷弯的铝硅酸盐玻璃薄板，作为配合元件，以边缘胶合的方式与钠钙厚板玻璃贴合并封装，组成曲面真空玻璃。
进一步地，所述钠钙玻璃厚板采用的是厚度大于等于1.8mm小于等于20mm的应用玻璃热弯技术制作成为具有单曲率R1或双曲率R1,R2，R1≤R2的曲面玻璃板。
进一步地，所述铝硅酸盐玻璃薄板采用的是厚度大于等于0.2mm小于等于1.4mm的玻璃化学成分中氧化铝含量不低于重量百分比5％的铝硅酸盐玻璃。
进一步地，所述冷弯的铝硅酸盐玻璃薄板是指将化学强化后的铝硅酸盐玻璃薄板进行单面减薄，用以使玻璃板两面发生应力差异进而产生玻璃弯曲；
所述化学强化是指应用离子交換方法提升玻璃表面压应力至不低于600MPa且DOL不小于10μm的化学处理；在常温下进行化学减薄或机械减薄并形成单曲率Rv的弯板，当Rv与R1的比值满足下列条件时：
利用化学强化与冷弯后的铝硅酸盐超薄玻璃直接与弯曲的钠钙玻璃厚板进行边缘胶合与封装，形成曲面的真空玻璃。
进一步地，所述真空夹层内含有多个微小支柱，用于支撑真空层不被大气压力挤压变形。
进一步地，所述封装采用的是真空胶，所述真空胶包括有机聚合物、无机物或有机聚合物与无机物的组合物；当所述真空胶采用有机聚合物时，能够选择包括聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、乙烯-乙酸乙烯共聚物(Ethylene Vinyl Acetate Copolymer)、离子性共聚物(ionomer)、聚酰亚胺(polyimide)或聚环烯烃(poly cyclo-olefin)；当所述真空胶采用无机物时，能够选择包括低熔点封装玻璃或封装用玻璃陶瓷。
进一步地，所述之边缘胶合与封装所使用的胶封材料分布于钠钙玻璃厚板与薄板玻璃之间，位于四周边缘，每一层真空层的胶封宽度不大于20mm，每一层真空层的胶封厚度不大于0.5mm。
进一步地，所述曲面真空玻璃中的铝硅酸盐玻璃薄板能够使用多层，进行多层胶封方式，形成多层次真空玻璃；其中玻璃薄板能够安装于钠钙厚板曲面玻璃内凹面。
进一步地，所述真空夹层内表面或外表面至少放置有一层抗辐射镀膜，所述抗辐射镀膜能够选择Low-E膜、红外反射膜或隔热膜。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明中提出可以使用铝硅酸盐玻璃薄板作为部分替代传统钠钙厚板玻璃的解决方案，因为铝硅酸盐玻璃本身强度远高于钠钙玻璃，特别是经过化学强化后的铝硅酸盐玻璃可以比钠钙玻璃强10-15倍。使用这种超薄铝硅酸盐玻璃，厚度不超过1.4mm，不但可以降低真空玻璃窗的厚度与重量，还有机会增加玻璃窗的强度，也就是说，因为近年来玻璃业界新开发成功并且能够量产，且价格因量产而逐渐降低，使得超薄真空玻璃的制作变得可以实现。
(2)本发明采用经过化学强化与冷弯的铝硅酸盐玻璃薄板配合厚板玻璃的型状贴合，且表现出与厚板玻璃一致的弯曲形状，并且没有裂纹。
附图说明
图1为本发明实施例的冷弯的超薄高铝玻璃与热弯的曲面厚玻璃以边缘胶封的方式形成弯曲真空玻璃样品示意图。
图2为本发明实施例的平面的超薄高铝玻璃与热弯的曲面厚玻璃以边缘胶封的方式形成弯曲真空玻璃样品示意图。
图3为本发明实施例的真空玻璃胶封宽度与胶封区域所承受的变形应力曲线图。
图4为本发明实施例的实施例1实验结果图。
图5为本发明实施例的实施例2实验结果图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本实施例提供一种制作曲面真空玻璃的方法，所述曲面真空玻璃包括至少一层真空夹层、至少一层热弯成型的曲面钠钙玻璃厚板和至少一层经过化学强化与冷弯的铝硅酸盐玻璃薄板；所述真空夹层的厚度不大于0.5mm，所述真空夹层四周被气密的真空胶封装，用以使外部气体无法穿透进入真空夹层；
其中，上述曲面真空玻璃的制作方法为：所述热弯成型的曲面钠钙玻璃厚板，作为控制曲面真空玻璃的主要元件；所述经过化学强化与冷弯的铝硅酸盐玻璃薄板，作为配合元件，以边缘胶合的方式与钠钙厚板玻璃贴合并封装，组成曲面真空玻璃。
在本实施例中，所述钠钙玻璃厚板采用的是厚度大于等于1.8mm小于等于20mm的应用玻璃热弯技术制作成为具有单曲率R1或双曲率R1,R2，R1≤R2的曲面玻璃板。
在本实施例中，所述铝硅酸盐玻璃薄板采用的是厚度大于等于0.2mm小于等于1.4mm的玻璃化学成分中氧化铝含量不低于重量百分比5％的铝硅酸盐玻璃。
在本实施例中，所述冷弯的铝硅酸盐玻璃薄板是指将化学强化后的铝硅酸盐玻璃薄板进行单面减薄，用以使玻璃板两面发生应力差异进而产生玻璃弯曲；
所述化学强化是指应用离子交換方法提升玻璃表面压应力至不低于600MPa且DOL不小于10μm的化学处理；在常温下进行化学减薄或机械减薄并形成单曲率Rv的弯板，当Rv与R1的比值满足下列条件时：
利用化学强化与冷弯后的铝硅酸盐超薄玻璃所具有的弹性与韧性直接与弯曲的钠钙玻璃厚板进行边缘胶合与封装，形成曲面的真空玻璃。
在本实施例中，真空层的厚度介于0.15～0.3mm时，具有最佳效果；所述真空夹层内含有多个微小支柱，用于支撑真空层不被大气压力挤压变形。
在本实施例中，所述封装采用的是真空胶，所述真空胶包括有机聚合物、无机物或有机聚合物与无机物的组合物；当所述真空胶采用有机聚合物时，能够选择包括聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、乙烯-乙酸乙烯共聚物(Ethylene VinylAcetate Copolymer)、离子性共聚物(ionomer)、聚酰亚胺(polyimide)或聚环烯烃(poly cyclo-olefin)；当所述真空胶采用无机物时，能够选择包括低熔点封装玻璃或封装用玻璃陶瓷。
在本实施例中，所述之边缘胶合与封装所使用的胶封材料分布于钠钙玻璃厚板与薄板玻璃之间，位于四周边缘每一层的胶封宽度不大于20mm，每一层真空层的胶封厚度不大于0.5mm。
在本实施例中，所述曲面真空玻璃中的铝硅酸盐玻璃薄板能够使用多层，进行多层胶封方式，形成多层次真空玻璃；其中玻璃薄板能够安装于钠钙厚板曲面玻璃内凹面与外凸面中的任何一面。
在本实施例中，所述真空夹层内放置有抗辐射镀膜，所述抗辐射镀膜能够选择Low-E膜、红外反射膜或隔热膜；或任何一种可以反射或阻绝环境中的热幅射线，例如但不限于阳光幅射线。
较佳的，本实施例采用冷弯后的铝硅酸盐超薄玻璃与热弯后的钠钙厚板玻璃经封装后制作真空玻璃，其中至少一层为热弯后的钠钙厚板玻璃，作为控制玻璃弯曲的主要元件，冷弯的超薄玻璃与钠钙厚板玻璃可以视真空玻璃窗的隔热与强度需要形成多层次的结构。厚度不低于2.0mm的钠钙玻璃板可以先经过习知之热弯技术形成所需的曲面，此曲面可以是单曲率R1或双曲率R1，R2(R1≤R2)。另将厚度不高于1.4mm的超薄铝硅酸盐玻璃板先经过化学强化与冷弯工艺并形成单曲率Rv的弯板，当Rv与R1的比值满足一定条件时薄板可以黏结到厚板形成真空玻璃且薄板玻璃不发生破裂。
比较图1与图2中两个案例，若从加工难易与成本考量，图1中的方法是直接使用化刚后的高铝超薄平板玻璃与经过热弯处理后的钠钙厚玻璃板，通常是双曲率且厚度在2.1mm以上，现有玻璃制作方法中，该工艺重点是采用化刚后的超薄高铝玻璃直接与热弯后的钠钙厚板玻璃进行整个面积的胶合，目的是制作夹胶玻璃，因为这种胶合玻璃是薄板玻璃整面被胶合到厚玻璃板上，高铝薄板玻璃由平面被迫弯曲成为厚玻璃板的形状，弯曲变形所产生的应变是由整个玻璃板所承受与分担，在变形量所造成的应力不大于薄玻璃板的材料强度(包含化刚后所提升的强度)，薄玻璃板就可以弯曲而不出现破裂与裂纹，虽然此时薄板玻璃本身有一定的弹性想要恢复为平板形式，却因为被夹胶玻璃的胶膜黏住，也就是被胶膜强制固定为配合厚板玻璃的曲面形状。这种方法在应用到真空夹层玻璃时会因为真空玻璃除了四个边缘有胶封黏住上下两片玻璃板外，中间大面积的区域并没有胶膜而是真空区域，尽管真空区域会有微小支柱作为抵抗大气压力的支撑物，其主要功能是支撑两个玻璃板不被大气压力压垮，并不是用来作为黏接两片玻璃板，许多真空玻璃设计中仅会让微小支柱固定在其中一片玻璃上，让真空玻璃窗受到外力变形时微小支柱可以有一点微小变形的弹性，这样可以分散微小支柱与玻璃板接触的顶点位置的外来力量，减少破损的机会。某些其他设计中，即使将微小支柱黏接在两片玻璃板上，因为微小支柱所占的面积很小，作为胶合上下玻璃板的功能也很有限，其黏结力无法与整个面积都用胶膜黏接的胶合玻璃板相比。因此，若依据图1中的方式将化刚后的高铝玻璃薄板直接与曲面的厚板玻璃进行边缘胶封，黏结的力量主要依靠玻璃板的边缘有胶封材料的少数边缘面积来支持，此时可以用一个简单的数学关系来说明，若以那种冷弯胶合玻璃方法来制作真空玻璃，那么高铝薄板玻璃在整板胶合玻璃与真空边缘胶封玻璃中从平面转变为曲面所承受的最大应力值会差多少？
假设薄板玻璃与厚板玻璃面积相同，长宽各为L与W，前者厚度为T1，后者(厚玻璃)为T2，此时T1<T2，且薄板玻璃放置于厚板玻璃的内凹面，若真空玻璃边缘胶封宽度为d，且忽略微小支柱所产生的黏结作用，且样品完成后两种样品的曲率皆与厚板玻璃的曲率相同，平面薄玻璃板胶合后变形为曲面板所产生的变形能量为UT，玻璃在转化温度Tg以下时为弹性材料，则依据弹性材料的总应变能量理论(Total strain energytheory)可得下列关系式：
公式(1)中，UT代表薄板玻璃因弯曲所发生的应变能量(strain energy)，vol为薄板玻璃的体积且vol＝LWT1，σ1，σ2，σ3为薄板玻璃在x，y，z三个轴向上的变形应力(stress)，ε1，ε2，ε3为薄板玻璃在三个轴向上的应变(strain)，对于平板形状的弹性材料且应力主要在x轴方向作用时，应变可以下列公式展开：
公式(2)为x轴方向应变，作为主要最大应变，E为玻璃的弹性模数(elasticmodulus)。若将公式(2)(3)(4)代入公式(1)中计算与整理后可得公式(5)如下：
因为薄板的厚度一般小于1.4mm，对曲率不大(R>800mm)的情况下，这种超薄玻璃可以假设其弯曲后的外张面与内凹面所承受的变形应力接近相同(实际上内凹面会承受弯曲造成的压应力，同时外张面会受到张应力，玻璃板越薄此差异越小)，此时，可以假设弯曲变形是一种单轴方向的变形行为则σ1＝σL且σ2＝σ3＝0，此处σL代表薄板玻璃与厚板玻璃以整板面积胶合弯曲后所发生的应力，则公式(5)可以简化为
将vol＝LWT1代入公式(6)，整理后可得
对于相同材质与厚度的薄板玻璃而言，若厚板玻璃曲面形状固定且薄板玻璃完全黏结到厚板玻璃上，两者形状一致，则可以将E、UT、T1视为常数，则公式(7)可以再简化为
其中，
由于胶合玻璃整板均匀黏结，黏结力所造成的黏结能量远大于薄板玻璃想要回复元形状的变形能量，所以平板薄玻璃可以顺利黏结在厚板玻璃上而不破裂。假设应变能量UT平均分摊在整个曲面上，胶合弯曲后的薄板玻璃因变形承受的应力为σL，且此应力远小于胶合的黏力，否则薄板玻璃会从与厚板玻璃的夹胶处剥离。
对于真空玻璃而言，弯曲造成的所有应变能量是作用在边缘的胶封区域，因为真空区域没有与厚板黏结所以没有了胶黏的力量与黏结能量，所以真空区域的薄板玻璃会有一种想要回复原来形状的倾向，但受到边缘四周的胶封阻挡，此时胶封区域仍有黏结作用的保护并没有要与厚板分离，于是两个区域的力量冲突，结果可能有两种，一是变形能量大于黏结能量导致边缘胶封区域与厚板分离，二是黏结力量过于强大无法分离但变形能量所产生的应力已经大于材料的整体破裂强度(包含化强的增强效果)，于是玻璃在胶封处发生破裂。接下来只针对第二种情况(破裂情况)进行讨论。
從会导致胶封区破裂的能量来自真空区的應變能量(strain energy)，此能量作用到胶封区域，若此时胶封区域所承受的变形应力为σv，则σv可如下表示：
假设应变总能量为UT，是由真空区的应变能量UV与边缘胶封区的应变能量UE所组成，UT＝UV+UE由于膠封區域仍被紧紧的黏结在厚板玻璃上，强大的黏结作用使得UE对于变回原形无法发生作用，真正有效的应变能量为UV。
回顾公式(6)并将其改写为：
同理，真空区的应变能量UV可以表示为：
此时若Uv完全作用于边缘胶封区域，则仿公式(6)可得下式，式中Ve代表边缘胶封区域的体积：
将上述三式合并与整理可得
若长边L＝x·d且宽边W＝y·d时，将Uv与Ve代入公式(9)计算后可得如下公式：
由式(1)可知，对于大小与形状相同的薄板玻璃，假设化刚后的CS与DOL也一致，此时，随著胶封边缘宽度由整板逐渐缩小到仅有长边的
时，承受总应变能量UT的胶封区域面积也变小，因此，胶封区域所承受的变形应力就变大，这点可以由公式(10)中σv与σL的数学关系得证，若将不同的x值代入公式(3)計算σv与σL的比例变化并会制成图3，可以发现当d值逐渐变小时，特别时小于
时，σv会快速增加，对于正方型的薄板玻璃，d在
时σv＝5σL，d在
时σv＝7σL，也就是说真空玻璃的胶封宽度对胶封区域的变形应力有著很关键的影响，然而实际在制作曲面真空玻璃时，胶封宽度一般会限制在20mm以内，亦即胶封宽度有其上限，因此，若真空玻璃弯曲幅度过大时，薄板玻璃从平面转变到曲面的过程中，膠封边部的玻璃会因为承受超过玻璃本身所能承载的材料强度而导致玻璃断裂，通常会以裂纹方式呈现出来。本实施例的实施例1中已经以实际薄板玻璃样品证明此一结果。为改善此一缺失，本发明专利中提出以化学冷弯的薄板玻璃与弯曲的厚板玻璃进行真空胶封，而非使用平板薄玻璃。
改进上述以平片薄板玻璃直接与弯曲厚板黏结时边缘胶封区域容易发生破裂的问题，就是在源头上减少薄板玻璃在配合厚板曲面而被弯曲时所产生的总应变能量UT，当UT值下降时，则边缘胶封区域所承受与分摊的应变能量也会下降，导致变形应力σv也跟著下降，当σv减除薄板玻璃表面因化强所产生的表面压应力(一種具有增强玻璃表面抵抗裂纹的应力)后，亦即σv-σc比薄板玻璃本身的材料强度小，就代表变形所引发的应力不足以破坏玻璃板，就可以让玻璃不发生破裂与裂纹。具体做法就是先将超薄铝硅酸盐薄玻璃板先行弯曲到曲率Rv，但不用弯曲到与厚板玻璃的曲率相同，仅需将薄板玻璃弯曲到符合σv-σc比薄板玻璃本身的材料强度小即可，亦即薄板玻璃的弯曲是比厚板玻璃平缓的，也就是Rv≥R1。如图2所示，薄板玻璃置于厚板玻璃内凹面，具有较大曲率Rv，厚板玻璃的双曲率中较小曲率为R1，那么当Rv与R1是怎样的关系时，才能满足薄板玻璃边缘胶封黏结后不会发生破裂？要回答这个问题，还得先回到全板贴合的原点从头讨论，首先回顾公式(6)，
若薄板玻璃已经以化学冷弯的方法形成曲率为Rv的曲面玻璃板，那么从曲率为Rv的这个形状继续弯曲到曲率为R1的更加弯曲形状，这中间所发生的变形能量肯定比之前所讨论的案例，就是从平板形状弯曲到曲率为R1的形状要小。回想整板胶合的状况，假设将薄玻璃板从平面变成为曲率半径Rv产生的应变能量为UT,v，则可得
以整板胶合作为计算起点，则公式(11)中的UT,v代表由平面变成曲面Rv的应变能量，再从曲面Rv变成曲面R1的应变能量应为UT-UT,v，也就是
此时，可以借鉴弯板力学理论(Bending theory)来进一步展开公式(12)，但这必须建立在下列这些假设条件，包括材料遵守弹性定律且是一种均质等向性材料，曲率半径远大于型变，变形物件截面属于对称形状，不考虑剪切作用力(shear force)，不考虑弹性模数E在变形前后的微小差异。由弯板力学理论可知，对于厚度为T1的薄玻璃板，由长边截面观察，弯板的最大张应力线与板中间线的最大距离为板厚的一半，因此由弯板理论可以得到下列关系式：
同时，弯板长边的弓高δ与边长L及曲率半径R的关系如下：
将σL与σL,v带入到公式(13)中可得
将公式(15)(16)代入公式(12)可得ΔUT-v为
对于整板胶合玻璃而言，曲率半径为Rv的薄板要继续弯曲成为R1所需要承受的应变能量为ΔUT-v，将此应变能量重新分配到整个薄板上，计算方法就如同公式(8)，代入公式(8)并整理后可得
其中，
同理，可得新的真空玻璃胶封边缘的变形应力σ'v：
将公式(17)代入公式(19)整理后可得
若R1与Rv的比值为f，则
将公式(21)代入公式(20)可以得到
当厚板玻璃的曲面形状固定不变时，R1可以视为一常数，d为真空玻璃的胶封宽度，通常介于5～20mm之间，会随玻璃窗大小而定，也可以视为一个固定常数，E是弹性模数，由玻璃材质而定，T1是薄板玻璃厚度，x与y代表玻璃板的形状，当x＝y时代表正方形，x>y时代表玻璃为长方形。
若薄板玻璃的破裂强度为M，化学强化后产生的表面压应力为CS，薄板玻璃与胶膜间的黏结强度(bonding strength)为B，则真空玻璃胶封边缘不发生破裂的条件应为：
σ'v＜M+CS+B (23)
附带一提的是，真空时大气压力有利于将薄板玻璃挤压为与厚板曲面形状一致，有助于玻璃表面产生压应力，但1大气压仅有0.1MPa，其能力太小，此处将予以忽略不计。
将公式(22)代入公式(23)中，
整理后可得
若以ψ代表公式(24)的右边数值，则公式(24)ψ的定义如下：
由此可知，当厚板玻璃双曲率中的较小曲率R1与冷弯的薄板玻璃曲率Rv的比值f满足公式(24)中所述的条件f＞ψ时，边缘胶封区域的变形应力σ'v扣除化学强化的表面压应力后，仍然小于玻璃本身的材料破裂强度，因此可以维持真空玻璃的正常工作。结合公式(21)(24)(25)可以得到
对于Rv而言，薄板玻璃再与曲面厚板玻璃边缘胶封之前先弯曲到小于
数值的曲率半径，以避免薄板玻璃在黏结区域破裂。实际工作时，应考虑到上述理论推导中的假设条件不一定能完全被现实情况所满足，因此应设置一安全系数S，作为工程设计之用，一般建议此系数应为理论值的1.2倍以上，则公式(26)的工作条件可以表示为
实施例1【使用双曲率钠钙玻璃+SGP膜胶封+平板化刚高铝玻璃CG01】
本实施例使用彩虹特种玻璃之高铝盖板玻璃，型号Irico CG-01，厚度0.7mm；使用标准化强炉内置硝酸钾(纯度99％以上)，化强温度为400℃，持温时间4小时，化学刚化后使用日本折原制作所之FSM-6000LE表面应力仪测量DOL与CS。玻璃试样大小为410mm x410mm，厚度0.7mm，所有玻璃试片均经过边缘处理并尽量消除边缘微裂纹，经过整理后的玻璃片均先经过清洗与乾燥，然后置入化强炉中进行化学刚化。在化学刚化过程中，玻璃被浸泡在400℃的融熔硝酸钾中，在此期间钾离子由玻璃表面进入玻璃并将玻璃内的钠离子交换出来。将经过4小时化学刚化后的玻璃试样经过清洗与乾燥后进行DOL与CS测量。本实施例中，化学刚化玻璃的离子交换深度约为25μm，测得的表面压应力平均数据为933MPa，此薄板玻璃将以平面形式与曲面玻璃进行边缘封装贴合，此片玻璃的取率半径Rv可视为无限大，并测试玻璃板与胶封边缘是否会破裂。与上例相同，另外取用一片同尺寸但厚度2.1mm的厚板玻璃，事先已经弯曲成为双曲率R1，R2(R1<R2)，较小的曲率R1的曲率半径为845mm，此实施例中的曲率比值
同上例中的样品制作，使用美国杜邦公司的SGP胶膜，膜厚0.76mm、宽度约15mm的长条状胶膜布置于玻璃板四周边缘，胶膜内的方形区域布置有微型支撑物，直径约为0.2mm、高度0.2mm作为两层玻璃之间的间隔支撑；将两片玻璃上下合板并密闭于一个硅胶囊中，将此硅胶囊放置于压力釜内，制作样品时先将硅胶囊内空气抽出，再将压力釜内温度升高到135℃，持温70分钟，然后降温并取出样品观察封装状况与玻璃板是否破裂。如图4所示，照片中的结果显示薄板玻璃自胶封边缘处出现大量裂纹，其中部分裂纹向玻璃板中央去延伸，甚至连贯到整片玻璃板；由于玻璃破裂，所以无法完成气密封装，由此案例可以证明薄的平板玻璃与弯曲的厚板玻璃两者间的曲率半径差异太大，造成平板玻璃在弯曲后，其胶封的边缘与位胶黏的交接处承受巨大的弯曲应力，当此应力大于薄板玻璃所能承受的材料强度时(含化学强化的增加情度)薄板玻璃就发生破裂。
如图4所示，超薄高铝平板玻璃与同尺寸双曲的厚板玻璃进行边框胶封，双曲率厚板玻璃中较小的曲率R1的曲率半径为845mm，
胶封后两片玻璃边缘黏合但薄板玻璃沿著胶封边缘出现大量裂纹，现示Rv与R1差异过大，胶封后在边缘区域的弯曲变形量超过平板薄玻璃可以忍受的材料强度，于是产生大量破裂现象，因此无法形成弯曲的真空玻璃。
实施例2【使用双曲率钠钙玻璃+SGP膜边缘胶封合板+单曲率冷弯高铝玻璃】
本实施例使用彩虹特种玻璃之高铝盖板玻璃，型号Irico CG-01，厚度0.7mm；使用标准化强炉内置硝酸钾(纯度99％以上)，化强温度为400℃，持温时间4小时，化学刚化后使用日本折原制作所之FSM-6000LE表面应力仪测量DOL与CS。玻璃试样大小为410mm x410mm，厚度0.7mm，所有玻璃试片均经过边缘处理并尽量消除边缘微裂纹，经过整理后的玻璃片均先经过清洗与乾燥，然后置入化强炉中进行化学刚化。在化学刚化过程中，玻璃被浸泡在400℃的融熔硝酸钾中，在此期间钾离子由玻璃表面进入玻璃并将玻璃内的钠离子交换出来。将经过4小时化学刚化后的玻璃试样经过清洗与乾燥后进行DOL与CS测量。本实施例中，化学刚化玻璃的离子交换深度约为25μm，测得的表面压应力平均数据为933MPa，所有化学刚化后的样品将其中一玻璃面使用抗酸膜敷盖，另一面完全裸露并置于化学药液中进行蚀刻，化学药液主要成份为硫酸与氢氟酸的混合液，硫酸浓度为5％，氢氟酸浓度为2％，在此药液中将化学刚化后的玻璃试样减薄12μm，样品经过化学蚀刻并减薄后形成弯曲形状，测量曲面之弓高为0.7mm，曲率半径Rv为3018mm。另外取用一片同尺寸但厚度2.1mm的厚板玻璃，事先已经弯曲成为双曲率R1，R2(R1<R2)，较小的曲率R1的曲率半径为845mm，此时，
此实施例中真空玻璃合板的方法是使用美国杜邦公司的SGP胶膜，膜厚0.76mm、宽度约15mm的长条状胶膜布置于玻璃板四周边缘，胶膜内的方形区域布置有微型支撑物，直径约为0.2mm、高度0.2mm作为两层玻璃之间的间隔支撑；将两片玻璃上下合板并密闭于一个硅胶囊中，将此硅胶囊放置于压力釜内，制作样品时先将硅胶囊内空气抽出，再将压力釜内温度升高到135℃，持温70分钟，然后降温并取出样品观察封装状况与玻璃板是否破裂。如图5所示，照片中的结果显示封装状况良好且上下两片玻璃都没有破裂，冷弯的高铝薄板玻璃配合厚板玻璃的型状贴合，且表现出与厚板玻璃一致的弯曲形状。
如图5所示，冷弯后的高铝薄板弓高为0.7mm，曲率半径Rv为3018mm与同尺寸双曲的厚板玻璃进行边框胶封，双曲率厚板玻璃中较小的曲率R1的曲率半径为845mm，
胶封后两片玻璃边缘黏合且玻璃无裂纹，可以形成弯曲的真空玻璃。
较佳的，本实施例仅以行业内常用的钾、钠离子在高铝盖板玻璃中的离子交换，所形成的化学强化玻璃为例进行说明，但不受限于此种离子交换方式所形成的化学强化玻璃。玻璃使用化学刚化的方式得到高表面压应力，所产生的表面强度主要是由控制离子交换时的外部离子浓度、温度与离子交换的时间长短来决定，以钾、钠离子交换为例，当高铝硅酸盐玻璃置于温度在400℃的纯硝酸钾熔盐中，离子交换时间约在4～5小时左右，可以得到大约750-950MPa的表面压应力，压应力层深度约在30-40μm之间(不同厂牌型号的高铝玻璃会因玻璃组成份不同而略有差异)。
玻璃板的两个外表面所产生的压应力差异可以是一种均匀分布的应力差，也可以是不均匀的应力差，前者会造成玻璃板出现对称变形弯曲，后者会造成不对称的变形弯曲，藉由控制玻璃表面减薄的区域位置与面积大小、减薄的厚度等因素，就可以控制玻璃板各个位置的弯曲力矩(Bending moment)，进而控制玻璃板在各个位置的弯曲度(曲率)。此种针对高铝盖板玻璃使用应力冷弯的曲面成形方法可以适用于汽车仪表显示、车窗、全景天窗、显示器保护盖板、与其他消费性电子产品之外观保护，特别是对于高铝盖板玻璃不适于使用高温软化成型的场合，这种应用玻璃两个表面的应力差来形成玻璃弯曲的工艺就是化学冷弯成型，这种方法可以避免高温加热，在不需要模具的情况下可以直接于室温下完成玻璃弯曲工艺，此方法不但可以避免玻璃热弯成型中所造成的诸多缺点，也可以保存玻璃原先具有的光学品质与表面平整度；再者，与热弯成型工艺比较，应力冷弯工艺的设备与操作相对简单许多，不但成本低且产品再现性高，是一种先进的工艺技术。
较佳的，在本实施例中，导入铝硅酸盐玻璃薄板的优势如下：
因为玻璃车窗传统上一直是采用钠钙玻璃与PVB膜胶合而成，若要藉由降低玻璃厚度达到减重的效果，同时不能降低胶合后的玻璃窗组合的机械性能，就受限与钠钙玻璃本身强度与物理刚化对于玻璃板的厚度要求这两项因素所制约。要克服此一制约因素，可以将钠钙玻璃板改由高铝玻璃钙板置换，高铝硅酸盐盖板玻璃因其铝硅含量高所以具有比传统钠钙玻璃更大的强度，可以用比较薄的厚度达到传统钠钙玻璃的强度，同时可以使用化学离子交换的方法进行化学刚化，这种化学刚化的方法可以应用于任何厚度的高铝钙板玻璃，因此没有玻璃板厚度的限制，且化学刚化后的高铝玻璃板的表面强度可以是物理刚化后的钠钙玻璃板的2至3倍，可以大幅提升玻璃表面防撞击能力。因此，使用高铝钙板玻璃作为车窗新材料以逐渐成为车用玻璃轻量化的技术发展趋势。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种制作曲面真空玻璃的方法，其特征在于：所述曲面真空玻璃包括至少一层真空夹层、至少一层热弯成型的曲面钠钙玻璃厚板和至少一层经过化学强化与冷弯的铝硅酸盐玻璃薄板；所述真空夹层的厚度不大于0.5mm，所述真空夹层四周被气密的真空胶封装，用以使外部气体无法穿透进入真空夹层；
其中，上述曲面真空玻璃的制作方法为：所述热弯成型的曲面钠钙玻璃厚板，作为控制曲面真空玻璃的主要元件；所述经过化学强化与冷弯的铝硅酸盐玻璃薄板，作为配合元件，以边缘胶合的方式与钠钙厚板玻璃贴合并封装，组成曲面真空玻璃。
2.根据权利要求1所述的一种制作曲面真空玻璃的方法，其特征在于：所述钠钙玻璃厚板采用的是厚度大于等于1.8mm小于等于20mm的应用玻璃热弯技术制作成为具有单曲率R1或双曲率R1, R2 ，R1≤R2的曲面玻璃板。
3.根据权利要求1所述的一种制作曲面真空玻璃的方法，其特征在于：所述铝硅酸盐玻璃薄板采用的是厚度大于等于0.2mm小于等于1.4mm的玻璃化学成分中氧化铝含量不低于重量百分比5%的铝硅酸盐玻璃。
4.根据权利要求2所述的一种制作曲面真空玻璃的方法，其特征在于：
所述冷弯的铝硅酸盐玻璃薄板是指将化学强化后的铝硅酸盐玻璃薄板进行单面减薄，用以使玻璃板两面发生应力差异进而产生玻璃弯曲；
所述化学强化是指应用离子交換方法提升玻璃表面压应力至不低于600MPa且DOL不小于10μm的化学处理；在常温下进行化学减薄或机械减薄并形成单曲率Rv的弯板，当Rv与R1的比值满足下列条件时：
利用化学强化与冷弯后的铝硅酸盐超薄玻璃直接与弯曲的钠钙玻璃厚板进行边缘胶合与封装，形成曲面的真空玻璃。
5.根据权利要求1所述的一种制作曲面真空玻璃的方法，其特征在于：所述真空夹层内含有多个微小支柱，用于支撑真空层不被大气压力挤压变形。
6.根据权利要求1所述的一种制作曲面真空玻璃的方法，其特征在于：所述封装采用的是真空胶，所述真空胶包括有机聚合物、无机物或有机聚合物与无机物的组合物；当所述真空胶采用有机聚合物时，能够选择包括聚乙烯醇缩丁醛、乙烯-乙酸乙烯共聚物、离子性共聚物、聚酰亚胺或聚环烯烃；当所述真空胶采用无机物时，能够选择包括低熔点封装玻璃或封装用玻璃陶瓷。
7.根据权利要求1所述的一种制作曲面真空玻璃的方法，其特征在于：所述之边缘胶合与封装所使用的胶封材料分布于钠钙玻璃厚板与薄板玻璃之间，位于四周边缘，每一层真空层的胶封宽度不大于20mm，每一层真空层的胶封厚度不大于0.5mm。
8.根据权利要求1所述的一种制作曲面真空玻璃的方法，其特征在于：所述曲面真空玻璃中的铝硅酸盐玻璃薄板能够使用多层，进行多层胶封方式，形成多层次真空玻璃；其中玻璃薄板安装于钠钙厚板曲面玻璃内凹面。
9.根据权利要求1所述的一种制作曲面真空玻璃的方法，其特征在于：所述真空夹层内表面或外表面至少放置有一层抗辐射镀膜，所述抗辐射镀膜能够选择Low-E膜、红外反射膜或隔热膜。
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