CN113620577B - 热增强的消费电子玻璃及相关系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于消费者电子装置的增强盖玻璃或玻璃陶瓷片材或制品以及用于制造所述增强玻璃或玻璃陶瓷片材或制品的方法和系统。所述方法包括通过非接触式热传导冷却所述盖玻璃片足够长的时间以固定所述片材的表面压缩和中心张力。所述方法产生用于在消费者电子装置中或其上使用的热增强盖玻璃片。

Description

热增强的消费电子玻璃及相关系统和方法
本申请是申请号为201680054630.4的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本公开大体涉及消费电子应用的热调节(例如，增强、钢化、加热等)盖玻璃，并且具体涉及热增强玻璃以及涉及用于对消费电子应用的玻璃(特别是对于薄消费电子玻璃片(也称为“盖玻璃”))进行热增强的相关方法和系统。
背景技术
在玻璃片的热(或“物理”)增强中，将玻璃片加热到高于玻璃的玻璃化转变温度的高 温，然后将片材表面快速冷却(“淬火”)，与此同时片材的内部区域以更慢速率冷却。内部区域更慢地冷却，因为它们被玻璃的厚度和相当低的导热率隔离。不同等的冷却在 玻璃表面区域中产生残余压应力，通过玻璃中心区域中的残余张应力来平衡所述残余 压应力。
玻璃的热增强区别于玻璃的化学增强，在所述化学增强中通过改变表面附近区域中的玻璃的化学组合物(通过诸如离子扩散的过程)来产生表面压应力。在一些基于离子扩散的过程中，可以通过在玻璃表面附近把较大离子换成较小离子来增强玻璃的外部 部分，以便在表面上或表面附近施加压应力(也被称为负张应力)。压应力被认为限制了 裂纹萌生和/或传播。
玻璃的热增强还区别于通过以下过程增强的玻璃：在所述过程中通过组合两种类型的玻璃来增强或布置玻璃的外部部分。在此类过程中，具有不同热膨胀系数的玻璃 组合物的层在较热时组合或层压在一起。例如，通过在具有较低热膨胀系数(CTE)的熔 融玻璃层之间夹入具有较高CTE的熔融玻璃，在玻璃冷却时，内部玻璃中的正张力压 缩外层，从而再次在表面上形成压应力以平衡正张应力。这种表面压应力提供了增强。
热增强消费电子玻璃或盖玻璃相对于未增强玻璃具有优点。与未增强玻璃相比，增强消费电子玻璃或盖玻璃的表面压缩提供更大的抗断裂性。强度的增加通常与表面 压应力的量成比例。如果片材相对于其厚度具有足够的热增强水平，那么如果片材被 损坏，则通常它将分成小碎片而不是分成具有锋利边缘的大碎片或细长碎片。如由各 种已确立的标准所限定的，分成足够小的碎片或“切块”的玻璃可称为安全玻璃或“完全 钢化”玻璃，或者有时简称为“钢化”玻璃。
因为增强程度取决于淬火期间的玻璃片表面与中心之间的温差，所以更薄玻璃需要更高冷却速率以达到给定应力。而且，更薄玻璃通常需要更高的表面压应力值和中 心张应力值以便在断裂时实现切块成小颗粒。因此，如果不是不可能的话，在厚度为 约3mm或更小的玻璃中实现期望的钢化水平已经非常具有挑战性。
本公开的各方面还涉及具有用于增强其外部部分的应力分布的消费电子玻璃或盖 玻璃。消费电子玻璃(诸如在消费电子设备的任何表面上使用的盖玻璃)可用于广泛的应 用。这些应用包括手机、平板电脑、移动电话、个人计算机、笔记本电脑、数字标牌、 数字白板等。
本公开的各方面还大体涉及具有用于增强其外部部分的应力分布的玻璃或玻璃陶 瓷。玻璃和玻璃陶瓷制品(诸如玻璃片)可用于广泛的应用。此类应用的实例包括：在窗户、工作台面、容器(例如，食品、化学品)中使用；用作显示装置(例如，平板计算机、 蜂窝电话、电视机)的背板、前板、盖玻璃等；用作高温衬底或支撑结构；或其他应用。
发明内容
本公开部分涉及高度增强的薄消费电子玻璃或盖玻璃片和制品，并且涉及在过去未实现的厚度下实现令人惊讶的消费电子玻璃或盖玻璃片的高度热增强的方法、过程 和系统。在各种实施方案中，据信本公开的过程和方法超过常规对流气体热增强方法 所提供的消费电子玻璃或盖玻璃厚度限制和传热速率，而不需要用液体或固体散热器 接触消费电子玻璃或盖玻璃。在此类系统和方法中，在淬火期间，盖玻璃仅与气体接 触。所公开的系统和方法能够在厚度少至至少0.1mm薄的盖玻璃片中实现热增强，包 括达到“完全钢化”或切块行为；(在至少一些考虑的实施方案中)并且在一些实施方案 中，在薄盖玻璃片中提供这种增强，所述薄盖玻璃片在淬火期间由于缺乏液体或固体 接触而也具有低粗糙度和高平坦度。在各种实施方案中，与常规对流玻璃钢化系统相 比，这些有利的盖玻璃片材料形式由淬火功率要求明显较低的系统和方法提供。
本公开的一个实施方案涉及用于热增强消费电子玻璃或盖玻璃材料的方法。所述方法包括提供由玻璃材料形成的制品。所述方法包括将制品加热到盖玻璃材料的玻璃 化转变温度以上。所述方法包括将加热的制品移动到冷却站中。冷却站包括散热器， 所述散热器具有面对加热的制品的散热器表面以及将散热器表面与加热的制品分开的 气体间隙，使得散热器表面不接触加热的制品。方法包括将加热的制品冷却到低于盖 玻璃化转变温度的温度，使得在制品内产生表面压应力和中心张应力。通过跨所述间 隙的对流，通过将热能从所述制品传递到所述散热器来冷却所述制品，从而使得超过 20％的离开所述加热的制品的热能跨过所述间隙并被所述散热器接收。
本公开的另一个实施方案涉及一种用于热增强盖玻璃片的系统。所述系统包括加热站，所述加热站包括将热量递送给所述盖玻璃片的加热元件，并且盖玻璃片包括第 一主表面、第二主表面以及第一主表面与第二主表面之间的厚度。所述系统包括冷却 站，所述冷却站包括相对的第一散热器表面和第二散热器表面，所述第一散热器表面 和第二散热器表面在其间限定通道以使得在冷却期间，所述盖玻璃片位于所述通道内。 所述系统包括气体轴承，所述气体轴承将加压气体递送到所述通道以使得所述盖玻璃 片支撑在所述通道内，而不接触第一和第二散热器表面，并且气体轴承限定间隙面积。 气体轴承将气体递送到通道中，使得对于平方米的间隙面积，进入通道的总气体质量 流速大于零且小于2k/gCp，其中k是在导热方向上评估的通道内气体的导热率，g是盖 玻璃片与散热器表面之间的距离，并且Cp是通道内气体的比热容。
本公开的另一个实施方案涉及增强的消费电子玻璃/盖玻璃或玻璃陶瓷制品。制品 包括第一主表面、与第一主表面相对的第二主表面以及位于第一主表面与第二主表面之间的内部区域。制品在第一主表面与第二主表面之间包括的平均厚度小于2mm。制 品包括至少70重量％的二氧化硅。所述第一主表面和所述第二主表面的至少一部分的 离子含量和化学成分与所述内部区域的至少一部分的离子含量和化学成分相同。第一 主表面和第二主表面处于压应力下并且内部区域处于张应力下，并且压应力大于150 MPa。第一主表面的表面粗糙度介于0.2与2.0nm Ra粗糙度之间。
本公开的另一个实施方案涉及消费电子产品上的增强的消费电子玻璃或盖玻璃。在实施方案中，消费电子产品包括电子显示器，所述电子显示器具有前表面、后表面 和至少一个侧表面。在实施方案中，提供了至少部分地位于电子显示器上的基于玻璃 的层或盖玻璃。在实施方案中，基于玻璃的层或盖玻璃包括与第二主表面相对的第一 主表面，其中其间定位有内部区域。在实施方案中，基于玻璃的层或盖玻璃包括第一 主表面与第二主表面之间的小于2mm的平均厚度。在实施方案中，第一主表面和第二 主表面的至少一部分的离子含量和化学成分与内部区域的至少一部分的离子含量和化 学成分相同。在实施方案中，第一主表面和第二主表面处于压应力下并且内部区域处 于张应力下，并且压应力大于150MPa。在实施方案中，第一主表面的表面粗糙度介 于0.2与2.0nm Ra粗糙度之间。
本公开的另一个实施方案涉及消费电子产品的增强的消费电子玻璃或盖玻璃。在实施方案中，消费电子产品包括外壳，所述外壳具有前表面、后表面和至少一个侧表 面。在实施方案中，提供了至少部分地位于外壳内部的电子部件，所述电子部件包括 至少一个控制器、存储器和显示器。在实施方案中，提供了位于外壳的后表面上或上 方的基于玻璃的层或后玻璃。在实施方案中，基于玻璃的层或后玻璃包括与第二主表 面相对的第一主表面，其中其间定位有内部区域。在实施方案中，基于玻璃的层或后 玻璃包括第一主表面与第二主表面之间的小于2mm的平均厚度。在实施方案中，第一 主表面和第二主表面的至少一部分的离子含量和化学成分与内部区域的至少一部分的 离子含量和化学成分相同。在实施方案中，第一主表面和第二主表面处于压应力下并 且内部区域处于张应力下，并且压应力大于150MPa。在实施方案中，第一主表面的 表面粗糙度介于0.2与2.0nm Ra粗糙度之间。
本公开的另一个实施方案涉及包括增强的消费电子玻璃或盖玻璃的消费电子产品。在实施方案中，消费电子产品包括外壳，所述外壳具有前表面、后表面和至少一 个侧表面。在实施方案中，提供了至少部分地位于外壳内部的电子部件。在实施方案 中，电子部件至少包括显示器。在实施方案中，提供了作为或邻近外壳的前表面的消 费电子玻璃或盖玻璃。在实施方案中，基于玻璃的层或盖玻璃包括第一主表面和由厚 度分开的第二主表面。在实施方案中，沿着基于玻璃的层或盖玻璃的第一主表面的任 何50mm或更小的轮廓，基于玻璃的层或盖玻璃的第一主表面在100μm的总指示跳 动(TIR)的程度上是平坦的。在实施方案中，基于玻璃的层或盖玻璃包括玻璃材料，所 述玻璃材料具有以1/℃表示的低温线性CTEαS CTE、以1/℃表示的高温线性CTEαL CTE、 以GPa表示的弹性模量E、以℃为单位表示的应变温度T应变和以℃为单位表示的软化 温度T软化。在另一些实施方案中，第二基于玻璃的层的第一主表面具有某一热致表面 压应力，所述热致表面压应力小于600MPa并且大于
Figure BDA0003191876660000041
以MPa为单位；
其中P1由以下式子给出
Figure BDA0003191876660000042
P2由以下式子给出
Figure BDA0003191876660000051
并且h大于或等于0.020cal/s·cm2·℃。
本公开的又一个实施方案涉及包括增强的消费电子玻璃或盖玻璃的消费电子产品。在实施方案中，消费电子产品包括外壳，所述外壳具有前表面、后表面和至少一 个侧表面。在实施方案中，提供了至少部分地位于外壳内部的电子部件，所述电子部 件包括至少一个控制器、存储器和显示器。在实施方案中，提供了处于或邻近外壳的 前表面的基于玻璃的层或后玻璃。在实施方案中，提供了至少部分地位于显示器上的 基于玻璃的层或盖玻璃。在实施方案中，基于玻璃的层或盖玻璃包括与第二主表面相 对的第一主表面，其中其间定位有内部区域。在实施方案中，沿着第一主表面的任何 50mm或更小的轮廓，第一主表面在100μm的总指示跳动(TIR)的程度上是平坦的。在 实施方案中，基于玻璃的层或盖玻璃包括玻璃材料，所述玻璃材料具有以℃为单位表 示的软化温度T软化和以℃为单位表示的退火温度T退火和第一主表面上测量的在以℃为 单位表示时由Tfs表示的表面假想温度。在实施方案中，基于玻璃的层或盖玻璃具有由 (Tfs-T退火)/(T软化-T退火)给出的无量纲表面假想温度参数θs。在实施方案中，参数θs 在0.20至0.9的范围内。
另外的特征和优点将在以下的详述中阐明，并且通过描述，这些特征和优点中的部分对本领域技术人员将是显而易见的，或者也可通过实践本文的书面描述和其权利 要求书以及附图中所述的实施方案而认识到这些特征和优点中的部分。
应了解，以上概述与以下详述二者均仅为示例性的并且意图提供用来理解所述权利要求的性质和特征的综述或框架。
包括附图以提供进一步理解并且所述附图并入本说明书中且构成本说明书的一部 分。附图说明一个或多个实施方案并且和描述一起用于解释各种实施方案的原理和操作。
附图说明
图1(现有技术)是取决于玻璃厚度的“完全钢化”所需的鼓风机功率的曲线图。
图2(现有技术)是针对旧过程或机器O以及较新过程或机器N的取决于玻璃厚度的“完全钢化”所需的鼓风机功率的曲线图。
图3(现有技术)是被缩放以匹配图1的曲线图并叠加在其上的图2的旧曲线O和新曲线N的曲线图。
图4是根据示例性实施方案的消费电子/盖玻璃或玻璃陶瓷制品或片材的透视图。
图5是根据示例性实施方案的图4的热增强的消费电子玻璃片或盖玻璃的图解局部截面。
图6是根据示例性实施方案的玻璃或玻璃陶瓷制品的估计张应力相对厚度的图形表示。
图7示出根据示例性实施方案的断裂的盖玻璃或玻璃陶瓷制品的一部分。
图8是取决于来自实验的正张应力的每平方厘米碎裂的曲线图。
图9是取决于来自实验的初始热区温度的表面负张应力量值的曲线图，示出了实现切块的阈值。
图10是针对通过本发明的方法和系统的一个或多个实施方案获得的假想温度的无 量纲表面假想温度参数θs的曲线图。
图11是对于不同玻璃组合物通过模拟计算的表面压应力的曲线图，其是针对所示各种组合物的已建议的回火性参数Ψ绘制的。
图12和图13是取决于传热系数h的函数的两个参数P1和P2的曲线图。
图14是取决于片材厚度t(以毫米为单位)的玻璃片表面压缩(以MPa为单位)的曲线 图，示出了通过本公开的系统和方法的一个或多个实施方案来新打开的性能区域。
图15是示出针对本公开的钢化玻璃片的选定示例性实施方案绘制的取决于厚度的 压应力的曲线图。
图16是示出根据本公开的方法的一些方面的流程图。
图17是示出根据本公开的另一个方法的一些方面的流程图。
图18是图3的曲线图，其上标有区域R和点A、B、A'和B'以示出本公开的方法 和系统允许操作的区域(与现有技术相比)。
图19是图18的区域R和点A、B、A'和B'的另一个表示，但是邻近图2的缩小尺 寸副本示出(并且相对于比例定位)。
图20(现有技术)是取决于玻璃厚度的钢化所需的所要求的传热系数的曲线图。
图21是根据示例性实施方案的通过传导而不是通过对流来冷却的玻璃片的图解截 面。
图22是根据示例性实施方案的传导增强系统的示意性截面图。
图23是根据示例性实施方案的与图22的系统相类似的系统的另一个实施方案的透视剖视图。
图24是根据示例性实施方案的图23的插入特征的替代性实施方案的透视剖视图。
图25是根据示例性实施方案的图23的插入特征的又一个替代性实施方案的透视剖视图。
图26是示出根据示例性实施方案的又一个方法的一些方面的流程图。
图27是根据示例性实施方案的具有玻璃窗的建筑物的透视图。
图28是根据示例性实施方案的工作台面上的显示器的透视图。
图29是根据示例性实施方案的包括玻璃或玻璃陶瓷制品的消费电子设备或产品的 分解透视图。
图30是根据示例性实施方案的玻璃或玻璃陶瓷制品或片材的透视图。
具体实施方式
申请人已经认识到需要在用于热增强的盖玻璃的方法和系统以及在所得的热增强 的盖玻璃片本身方面改进盖玻璃的热处理。例如，更薄但是高光学质量的盖玻璃片和包括此类盖玻璃片的产品可用于许多应用(包括便携式电子设备、消费电子产品、盖玻 璃、后玻璃等)。玻璃的压缩性非常强，但在对抗表面张力方面相对较弱。通过在片材 表面处提供压缩(所述压缩通过没有暴露表面的中心处的张力来平衡)，盖玻璃片的有用 强度显著增加。然而，虽然相对于替代性增强方法(例如，化学增强、基于层压的增强)， 传统的热盖玻璃增强通常更便宜和更快速，但对于增强薄盖玻璃(例如，2-3mm或更小 的盖玻璃片)，已知传统的热盖玻璃增强并不是有效的。传统的热盖玻璃增强方法通常 被认为限于更厚的盖玻璃片，因为增强水平取决于淬火方法期间的盖玻璃片表面与中 心之间产生的温差；并且因为传统增强方法的导热速率限制，由于通常发生在整个薄 玻璃片上的相对均匀的冷却，因此难以实现在薄盖玻璃片表面与中心之间的显著温差。
另一方面，通过离子交换来增强薄盖玻璃可能是耗时和麻烦的，诸如需要延长盖玻璃化学浴的时间段。直接将不同类型的盖玻璃层压到彼此可能需要复杂的制造方法， 诸如涉及双溢流槽熔融拉制。
因此，需要具有导致对盖玻璃的增强以用于各种用途(诸如在窗户、工作台面、装置等中使用)的特定应力分布的盖玻璃或玻璃陶瓷制品，所述盖玻璃或玻璃陶瓷制品通 过与传统方法相比资源密集程度较低和/或较不麻烦的方法制成。具体地，本文讨论的 方法和系统形成具有增强盖玻璃的外部部分的应力分布的盖玻璃制品，其进而用于减 轻开裂和破坏，同时允许各种其他所需的盖玻璃质量(例如，几何形状、表面质量、可 见光的透射率、柔性等)以便有助于在各种盖玻璃应用中的使用。
本说明书提供用于利用热增强来生产高度增强的盖玻璃材料(并且特别是高度增强 的薄盖玻璃片)的改进方法和系统。方法和系统解决了常规盖玻璃增强方法的各种限制， 从而允许在厚度小于约3mm、小于2mm、小于1.5mm、小于1.0mm、小于0.5mm、 小于约0.25mm和小于约0.1mm的盖玻璃片中实现高水平的增强。具体而言，申请人 开发了提供非常高的导热速率的系统和方法，从而在盖玻璃片表面与中心之间形成足 够大的温差以便即使在非常薄的盖玻璃片中也提供增强或钢化。
常规热钢化技术的综述及限制
用于热增强玻璃的常规工业过程包含：在辐射能炉或对流炉(或使用两种技术的“组 合模式”炉)中将玻璃片加热至预定温度，然后典型地经由通过抵靠或沿着玻璃表面吹送 大量环境空气的对流进行气体冷却(“淬火”)。这种气体冷却过程主要是对流的，由此通过流体的质量运动(集体运动)来进行传热(通过扩散和平流)，因为气体将热量从热玻璃片带走。
在常规钢化过程中，某些因素可限制玻璃片(特别是薄玻璃片)中通常被认为可能的 增强量。部分地存在限制，因为成品片材上的压应力量直接与淬火期间实现的片材表面与中心之间的温差大小相关。然而，淬火期间的温差越大，淬火期间玻璃破裂的可 能性就越大。对于给定的冷却速率，可以通过从更高的初始玻璃温度开始淬火来减小 破裂。另外，更高的起始温度通常允许钢化玻璃片实现由高冷却速率提供的全部增强 潜力。然而，在淬火开始时增加片材温度也有其潜在的缺点。例如，更高的初始玻璃 温度可能导致片材因为其变得更软而过度变形，从而限制实际可实现的温差。
在常规钢化过程中，片材厚度也对淬火期间可实现的温差施加显著的限制。针对淬火期间的给定冷却速率，片材越薄，表面与中心之间的温度差就越小。这是因为用 于将中心与表面绝热的玻璃厚度较小。因此，薄玻璃的热增强通常需要更高的冷却速 率(与更厚玻璃的热增强相比)，并且因此从玻璃外表面更快速地移除热量通常需要显著 的能量消耗，以便产生玻璃片的内部与外部之间的温差的增强水平。
举例来说，图1示出了被采用以吹送足够的环境空气来“完全钢化”钠钙玻璃(“SLG”) 的鼓风机所需的功率(以千瓦/每平方米玻璃片面积为单位)，其取决于以毫米为单位的 玻璃厚度，基于35年前开发的行业标准热增强过程。随着所使用的玻璃变薄，所需的 功率呈指数地增长。因此，约3mm厚的玻璃片是多年来可用的最薄完全热钢化的商用 玻璃。
此外，片材越薄，在给定柔软度(即，在给定粘度)下玻璃变形的可能性就越大。因此，减少厚度直接减小可实现的温差，并且因为片材变形的风险增加而倾向于减小使 用更高片材温度以获得更高冷却速率的全部益处并防止由更高冷却速率导致的玻璃破 裂的机会。因此，在常规对流气体玻璃增强过程中，通过以下方式来实现更高的冷却 速率：增加空气流速，减小空气喷嘴开口到玻璃片表面的距离，增加玻璃的温度(在开 始冷却时)，并且任选地减少冷却空气的温度。
作为最近的实例，图2(现有技术)的性能曲线是使用现有技术的玻璃热增强设备发 布的。这种改进的设备继续使用传统的吹气对流过程来冷却玻璃，但通过至少在加热的最后阶段期间利用空气来支撑玻璃的系统取代用于在加热期间支撑玻璃的辊。在没 有辊接触的情况下，可以在淬火之前将玻璃加热到更高的温度(并且更高的柔软度/更低 的粘度)，据报道从而允许生产2mm厚的完全钢化玻璃。如图2所示，与使用辊(曲线 O)相比，在使用空气来支撑玻璃(曲线N)实现的较高温度下，增强2mm厚的片材所需 的已报告的鼓风机功率从1200kW/m2减少到400kW/m2。
尽管它表示能够生产完全钢化的2mm厚玻璃的进程，但是如图3(现有技术)所示，缩放图2的旧曲线O和新曲线N以匹配图1的比例示出了通过现有技术水平的对流钢 化过程(图2所示)实现的性能改进相对较小并且只是对玻璃片对流增强中的能量需求 的先前理解中的渐进改变。在图3中，图2的旧曲线O和新曲线N被缩放以匹配图1 的曲线图并且覆盖在其上(其中旧曲线O在240kW/m2的顶部被截断以便于查看新曲线 N)。从图3可以看出，当玻璃厚度从3mm减少到2mm时，由曲线N表示的技术仅 稍微改变了对流气体淬火方法的性能曲线。高操作点(针对2mm玻璃，鼓风机功率为 400kW/m2)示出通过这种方法处理较薄玻璃所需的功率仍然有极大的增加。气流急剧 增加，因此所需要的功率表明，难以在使用常规对流气体增强方法来生产全钢化玻璃 的同时达到低于2mm的厚度(作为工程实践和经济学的问题)。另外，所需的非常高的 气流也可能使薄片的形状变形。因此，为了实现厚度小于2mm的玻璃的完全钢化、或 者为了在热膨胀系数(“CTE”)低于使用热钢化的钠钙玻璃的热膨胀系数的玻璃中实现2 mm的完全钢化，申请人已经确定需要使用另一种钢化方法/系统。
也已经尝试了当前商用对流式气体增强的替代型热增强方法，但是每种方法在对流气体增强方面都有某些缺点。具体而言，实现更高冷却速率的典型的替代性热增强 方法通常要求至少一些液体或固体与玻璃表面接触，而不是仅与气体接触。与玻璃片 的这种接触可能不利地影响玻璃表面质量、玻璃平坦度和/或增强过程的均匀性。这些 缺陷有时可以被人眼察觉，特别是在反射光中观看时。如以下更详细地描述的，至少 在一些实施方案中，本公开的导热钢化系统减小或消除了此类与接触相关的缺陷。
已经使用液体接触增强(以浸入液体浴或流动液体中的形式、以及以喷雾的形式)来实现比对流气体增强更高的冷却速率，但是具有在冷却过程期间在片材上引起过度 热变化的缺点。在液体的浸入式或类浸入式喷雾或流动中，由于在液体浴或液体流动 内自发产生的对流气流，可能在较小区域内发生较大热变化。在更精细的喷雾中，不 连续的喷雾液滴和喷嘴喷射图案的效果也产生显著的热变化。过度的热变化倾向于在 通过液体接触的热增强期间引起玻璃破裂，这可以通过限制冷却速率来减轻，但是限 制冷却速度也降低了可实现的所得强度。此外，片材的必要处理(将其定位或保持在液 体浴中或液体流动或液体喷雾中)也由于与片材物理接触而导致物理应力和过度热变 化，从而也倾向于在增强期间导致破裂并且限制冷却速度和所得轻度。最后，一些液 体冷却方法(诸如通过油浸和各种喷雾技术的高冷却速率淬火)可以在这种冷却期间更 改玻璃表面，从而要求稍后从玻璃片表面移除玻璃材料以产生令人满意的光洁度。
固体接触热增强包含使热玻璃的表面与较冷的固体表面接触。如同液体接触增强一样，在淬火过期间可能容易产生过度的热变化，如液体接触增强中所见的那样。玻 璃片的表面光洁度、淬火表面或片材厚度的一致性的任何缺陷都会导致片材某个区域 的不良接触，并且这种不良接触可能导致较大热变化，其在处理期间倾向于使玻璃破 裂并且如果片材幸存的话也可能导致不希望的双折射。附加地，使热玻璃片与固体物 体接触可导致形成表面缺陷，诸如切屑、格纹、龟裂、裂纹、划痕等。随着片材尺寸 的增加，在玻璃片的整个表面上实现良好物理接触也可能变得越来越困难。与固体表 面的物理接触也可以在淬火期间机械地压制片材，从而增加了在此过程期间破坏片材 的可能性。此外，在开始接触时极高速的温度改变可导致在薄片处理期间的破裂，并 且因此薄玻璃衬底的接触冷却在商业上是不可行的。
申请人的热增强盖玻璃及相关传导冷却过程和方法的概述
本公开超越上述传统方法以便按照商业规模有效地、高效地且均匀地热增强薄盖玻璃片，而不产生常规方法中常见的各种缺陷，例如，在不损坏盖玻璃表面、不引起 双折射、没有不均匀的增强、和/或不导致不可接受的破裂等。可以通过本文公开的一 个或多个实施方案来生产先前无法获得的较薄热钢化/增强盖玻璃片。本文讨论的系统 和方法通过以精确方式提供非常高的传热速率来完成这一点，其中对盖玻璃进行良好 的物理控制和轻柔处理。在具体的实施方案中，本文讨论的方法和系统在冷却/淬火部 分中利用小间隙气体轴承，申请人已经确定所述冷却/淬火部分允许在冷却开始时以更 高相对温度处理薄盖玻璃片，从而导致更高的热增强水平。如下所述，这种小间隙气 体轴承冷却/淬火部分通过跨越该间隙到散热器的热传导而不是使用基于高空气流动的 对流冷却来实现非常高的传热速率。通过将盖玻璃支撑在间隙内的气体轴承上，实现 这种高速率传热导，同时不使盖玻璃与液体或固体材料接触。如下所述，申请人还已 经确定，在至少一些实施方案中，本文讨论的方法和系统形成具有一种或多种独特性 质的热增强盖玻璃(特别是热增强薄盖玻璃(例如，用于消费电子产品))。
通过根据本公开的方法和/或系统处理的盖玻璃片的一些实施方案具有比先前已知 的更高水平的永久热致应力。在不希望受到理论的束缚的情况下，据信所实现水平的热致应力可由于原因的组合而获得。本文详述的方法中的传热的高度均匀性减小或消 除盖玻璃中的物理和不希望的热应力，从而允许消费电子玻璃片以更高的传热速率进 行钢化而不破裂。此外，本方法可以在较低的玻璃片粘度下执行(在淬火开始时有较高 的初始温度)，同时仍保持所需的盖玻璃平坦度和形状，这在冷却方法中提供了更大的 温度改变，从而增加所实现的热增强水平。
热钢化盖玻璃片
如上所述，申请人已经开发了用于形成热增强盖玻璃片(特别是薄盖玻璃片)的系统 和方法，并且如本节所论述的，如本文所述的那样形成的热增强薄盖玻璃片具有先前通过常规热钢化方法或其他钢化方法无法实现的一种或多种独特性质和/或性质组合。 本公开的热钢化盖玻璃或消费电子玻璃可用于多种消费电子产品(例如，计算机、平板 电脑、个人手持设备、触敏显示器、家用电器、移动电话、便携式媒体播放器、电视 机、笔记本电脑、手表、平板电脑等)。
热钢化盖玻璃片的结构和尺寸
参考图4和图5，根据示例性实施方案示出具有高表面压应力和/或高中心张力的热增强盖玻璃片。图4示出热增强盖玻璃或玻璃陶瓷制品或片材500的透视图，并且 图5是根据一个或多个实施方案的热增强盖玻璃片500的图解局部截面。
如图4所示，增强盖玻璃或玻璃陶瓷制品500(例如、片材、梁、板)包括第一主表 面510、第二主表面520(到片材500的背侧的虚线，其如本文所公开的那样可以是半透 明的)、以及在其间延伸的主体522。第二主表面520在主体522的与第一主表面510 相对的侧面上，使得增强盖玻璃或玻璃陶瓷片500的厚度t被定义为第一主表面510 与第二主表面520之间的距离，其中厚度t也是深度的尺寸。增强盖玻璃或玻璃陶瓷片 500的宽度w被限定为第一主表面510和第二主表面520之一的与厚度t正交的第一尺 寸。增强盖玻璃或玻璃陶瓷片500的长度l被限定为第一主表面510和第二主表面520 之一的与厚度t和宽度w正交的第二尺寸。
在示例性实施方案中，盖玻璃片500的厚度t小于盖玻璃片500的长度l。在其他 示例性实施方案中，盖玻璃片500的厚度t小于盖玻璃片500的宽度w。在又一些其他 示例性实施方案中，盖玻璃片500的厚度t小于盖玻璃片500的长度l和宽度w两者。 如图5所示，盖玻璃片500还在第一主表面510和第二主表面520处和/或附近具有永 久性热致压应力区域530和540，其通过片材中心部分中的永久性热致中心张应力(即 张力)区域550来平衡。
方法和系统可用于形成具有各种各样厚度范围的增强盖玻璃片。在各种实施方案中，盖玻璃片500的厚度t的范围是从0.1mm至5.7mm或6.0mm，除了终点值之外， 包括0.2mm、0.28mm、0.4mm、0.5mm、0.55mm、0.7mm、1mm、1.1mm、1.5mm、 1.8mm、2mm和3.2mm。考虑的实施方案包括热增强盖玻璃片500，其厚度t的范围 如下：从0.1mm至20mm、从0.1mm至16mm、从0.1mm至12mm、从0.1mm至 8mm、从0.1mm至6mm、从0.1mm至4mm、从0.1mm至3mm、从0.1mm至2mm、 从0.1mm至小于2mm、从0.1mm至1.5mm、从0.1mm至1mm、从0.1mm至0.7mm、 从0.1mm至0.5mm和从0.1mm至0.3mm。
在一些实施方案中，使用厚度为3mm或更小的盖玻璃片。在一些实施方案中，盖 玻璃厚度是约(例如，加或减1％)8mm或更小、约6mm或更小、约3mm或更小、约 2.5mm或更小、约2mm或更小、约1.8mm或更小、约1.6mm或更小、约1.4mm或 更小、约1.2mm或更小、约1mm或更小、约0.8mm或更小、约0.7mm或更小、约 0.6mm或更小、约0.5mm或更小、约0.4mm或更小、约0.3mm或更小或约0.28mm 或更小。
在一些实施方案中，热增强盖玻璃片具有高纵横比-即，长度和宽度与厚度的比率较大。因为本文讨论的热钢化方法不依赖于高压或大体积的空气，所以可以通过使用 本文讨论的气体轴承和高热传递速率系统在钢化之后保持各种盖玻璃片性能(诸如表面 粗糙度和平坦度)。类似地，本文讨论的热钢化方法允许在保持期望或必要的形状的同 时热增强高纵横比盖玻璃片(即，长度与厚度的比率较高、或宽度与厚度的比率较高或 两者的盖玻璃片)。具体而言，可以增强长度与厚度比率和/或宽度与厚度比率(“纵横比”) 约为至少10:1、至少20:1、以及高达并超过1000:1的片材。在考虑的实施方案中，可 以增强纵横比为至少200:1、至少500:1、至少1000:1、至少2000:1、至少4000:1的片 材。
根据示例性实施方案，增强盖玻璃或玻璃陶瓷片500的长度l大于或等于宽度w，诸如大于宽度w的两倍、大于宽度w的五倍、和/或不大于宽度w的五十倍。在一些此 类实施方案中，增强盖玻璃或玻璃陶瓷片500的宽度w大于或等于厚度t，诸如大于厚 度t的两倍、大于厚度t的五倍、和/或不大于厚度t的五十倍。
在一些实施方案中，诸如针对以下讨论的关于图27-30公开的应用，例如，盖玻璃或玻璃陶瓷片500的长度l为至少1cm，诸如至少3cm、至少5cm、至少7.5cm、至 少20cm、至少50cm，和/或不大于50m，诸如不大于10m、不大于7.5m、不大于5 m。在一些此类实施方案中，盖玻璃或玻璃陶瓷片500的长度w为至少1cm，诸如至 少3cm、至少5cm、至少7.5cm、至少20cm、至少50cm，和/或不大于50m，诸如 不大于10m、不大于7.5m、不大于5m。参考图4，盖玻璃或玻璃陶瓷呈片材500的 形式，所述片材500的厚度t小于5厘米，诸如2.5cm或更小、1cm或更小、5mm或 更小、2.5mm或更小、2mm或更小、1.7mm或更小、1.5mm或更小、1.2mm或更小，或者在考虑的实施方案中甚至是1mm或更小，诸如0.8mm或更小；和/或厚度t为至 少10μm，诸如至少50μm、至少100μm、至少300μm。
在其他考虑的实施方案中，盖玻璃或玻璃陶瓷制品的尺寸可以被设置为与本文所公开的不同。在考虑的实施方案中，盖玻璃或玻璃陶瓷制品的长度l、宽度w和/或厚 度t可以相对于彼此变化，例如对于更复杂的几何形状(大体参见图30)，其中本文公开 的尺寸至少适用于具有长度l、宽度w和厚度t的上述定义的对应盖玻璃或玻璃陶瓷制 品的各方面。
在一些实施方案中，盖玻璃片500的第一表面510或第二表面520中的至少一个 具有相对较大的表面积。在各种实施方案中，第一表面510和/或第二表面520的面积 为至少100mm2，诸如至少900mm2、至少2500mm2、至少5000mm2、至少100cm2、 至少900cm2、至少2500cm2、至少5000cm2，和/或不大于2500m2，诸如不大于100 m2、不大于5000cm2、不大于2500cm2、不大于1000cm2、不大于500cm2、不大于 100cm2。这样，盖玻璃或玻璃陶瓷片500可具有相对较大的表面积；除了通过本文公 开的方法和系统，其可能难以或无法热增强，特别是同时具有本文讨论的盖玻璃片的 厚度、表面质量和/或应变均匀性。此外，除了通过本文公开的方法和系统，在不依靠 离子交换或盖玻璃类型改变的情况下，可能难以或无法实现应力分布，特别是应力分 布的负张应力部分(大体参见图6)。
热增强盖璃片压应力和张应力
如以上所指出，本文讨论的热增强盖玻璃片可具有出人意料的高表面压应力(例如， 在图5所示的区域530、540中)、出人意料的高中心张应力(例如，在图5所示的区域 550中)和/或独特的应力分布(见图6)。在考虑到如本文所讨论的盖玻璃片500的低厚度 和/或其他独特物理性质(例如，非常低的粗糙度、高平坦度、各种光学性质、假想温度 性质等)的情况下，这是特别真实的。
通过本文公开的方法和系统形成的盖玻璃的压应力(例如，在图5所示的区域530、540中)可以取决于玻璃厚度t而变化。在各种实施方案中，厚度为3mm或更小的盖玻 璃(例如盖玻璃片500)的压应力(例如，表面压应力)如下：至少80MPa、至少100MPa、 至少150MPa、至少200MPa、至少250MPa、至少300MPa、至少350MPa、至少400 Mpa和/或不大于1GPa。在考虑的实施方案中，厚度为2mm或更小的盖玻璃的压应 力如下：至少80MPa、至少100MPa、至少150MPa、至少175MPa、至少200MPa、 至少250MPa、至少300MPa、至少350MPa、至少400Mpa和/或不大于1GPa。在考 虑的实施方案中，厚度为1.5mm或更小的盖玻璃的压应力如下：至少80MPa、至少 100MPa、至少150MPa、至少175MPa、至少200MPa、至少250MPa、至少300MPa、 至少350Mpa和/或不大于1GPa。在考虑的实施方案中，厚度为1mm或更小的盖玻 璃的压应力如下：至少80MPa、至少100MPa、至少150MPa、至少175MPa、至少 200MPa、至少250MPa、至少300MPa和/或不大于1GPa。在考虑的实施方案中，厚 度为0.5mm或更小的盖玻璃的压应力如下：至少50MPa、至少80MPa、至少100MPa、 至少150MPa、至少175MPa、至少200MPa、至少250MPa和/或不大于1GPa。
在一些实施方案中，通过本文公开的方法和系统(例如，在图5所示的区域550中)形成的盖玻璃中的热致中心张力可以大于40MPa、大于50MPa、大于75MPa、大于 100MPa。在其他实施方案中，热致中心张力可以小于300MPa或小于400MPa。在一 些实施方案中，热致中心张力可以是从约50MPa至约300MPa、约60MPa至约200 MPa、约70MPa至约150MPa、或约80MPa至约140MPa。在一些实施方案中，热 增强盖玻璃片具有较高薄度，即是特别薄的。因为可以通过本文讨论的系统和方法施 加非常高的传热速率，所以可以在厚度小于0.3mm的SLG片中产生显著的热效应(例 如，至少10MPa或甚至至少20MPa的中心张力)。事实上，可以热增强非常薄的片材(即至少薄至0.1mm的片材)。在本文中进一步详细描述了已实现和可实现的、被认为 取决于厚度和其他变量的特定热应力水平。
参考图6，图4的增强盖玻璃或玻璃陶瓷片500的概念应力曲线560(在室温25℃ 和标准大气压下)示出在正张应力下的增强盖玻璃或玻璃陶瓷片500的内部部分550、 以及在负张应力(例如，正压应力)下的增强盖玻璃或玻璃陶瓷片500的在内部部分550 之外并邻接内部部分550的部分530、540。申请人认为，通过限制穿过盖玻璃或玻璃 陶瓷片500的开裂的开始和/或传播，负张应力至少部分地加强了增强盖玻璃或玻璃陶 瓷片500。
据信是本发明技术所特有的，如本文所公开的，在给定增强盖玻璃或玻璃陶瓷片500的相对较大表面积和/或较薄厚度的情况下，应力分布560中的张应力在内部部分 550的正张应力与在内部部分550之外并邻接内部部分550的部分530、540的负张应 力之间急剧地转变。这种急剧的转变可以被理解为张应力的改变率(即斜率)，其可以被 表示为应力的大小(例如，100MPa、200MPa、250MPa、300MPa、400MPa，即正张 应力+σ和负张应力-σ的峰值的差异)除以发生改变的厚度的距离(诸如1mm的距离、 诸如500μm、250μm、100μm的距离)，(其是用于量化改变率的距离，其可以是制品 厚度的一部分，而未必是制品几何形状的大小)。在一些此类实施方案中，张应力的改 变不穿过7000MPa除以1mm，诸如不大于5000MPa除以1mm。在考虑的实施方案 中，正张应力和负张应力的峰值的差异是至少50MPa，诸如至少100MPa、至少150 MPa、至少200MPa、至少250MPa、至少300MPa、至少400MPa、至少500Mpa、 和/或不大于50GPa。在考虑的实施方案中，盖玻璃或玻璃陶瓷片500的峰值负张应力 的大小为至少50MPa，诸如至少100MPa、至少150MPa、至少200MPa、至少250MPa、 至少300MPa、至少400MPa、至少500MPa。由本文讨论的系统和方法产生的急剧张 应力曲线转变被认为指示：针对给定厚度在盖玻璃片表面处实现更高大小的负张应力 的能力、和/或制造更薄盖玻璃制品以实现更高水平的负张应力(诸如以实现如本文所公 开的切块的碎裂潜力)的能力。常规的热钢化方法可能无法实现此类急剧张应力曲线。
根据一个示例性实施方案，张应力的高改变速率是在应力分布560的厚度方向伸展上持续的上述量值中的至少一个或更大值，即至少盖玻璃片500的2％的厚度，诸如 至少5％的厚度、至少10％的厚度、至少15％的厚度、或至少25％的厚度。在考虑的 实施方案中，增强深入地延伸到增强盖玻璃或玻璃陶瓷片500中，使得具有高张应力 改变速率的厚度方向伸展集中在距离第一表面的厚度的20％与80％之间的深度处，这 可以例如进一步区分化学钢化。
在至少一些考虑的实施方案中，增强盖玻璃或玻璃陶瓷制品包括其在离子含量方面的组合物改变，概念性地示为图6中的点线562。更具体地，在此类实施方案中，增 强盖玻璃或玻璃陶瓷制品500的组合物包括影响应力分布560的交换或注入的离子。 在一些此类实施方案中，交换或注入的离子在负张应力下未完全延伸通过增强盖玻璃 或玻璃陶瓷制品500的部分530、540，因为负张应力也是本文所公开的热钢化的结果。
因此，具有离子交换强度增加的张应力分布560的曲线在曲线切线在不连续或突变564的任一侧上彼此不同的方向上包括不连续或突变564。突变564在负张应力下位 于部分530、540内，使得张应力在紧邻不连续或突变564的任一侧上为负。不连续或 突变564可对应于不同离子含量的深度，然而在一些此类实施方案中，在离子含量方 面，负张应力下的部分530、540的其他部分仍然具有与正张应力下的部分550相同的 组合物。
换言之，对于至少一些增强盖玻璃或玻璃陶瓷制品500，在有或没有离子交换或植入的情况下，增强盖玻璃或玻璃陶瓷片500的部分530、540中的至少一部分(其在负张 应力下并且在内部部分550之外以及邻接内部部分550)的组合物与内部部分550的至 少一部分(在正张应力下)的组合物相同。在此类实施方案中，应力分布的至少一些负张 应力与增强盖玻璃或玻璃陶瓷片500的组合物(例如，离子组合物)的改变无关。这种结 构可以通过提供足够强度来至少在一定程度上简化增强盖玻璃或玻璃陶瓷片500的组 合物而不用和/或较少利用化学钢化。此外，由于组合物中的不连续/改变，这种结构可 以减小所述增强盖玻璃或玻璃陶瓷片500内的应力集中，从而可减小组合物不连续处 的分层和/或开裂的可能性。
热钢化盖玻璃片破裂性能
如果在张应力区域550中存储足够的能量，则盖玻璃在被充分损坏时会像安全玻璃或“切块”一样破裂。如本文所用，当面积为25cm2的盖玻璃片破裂成40块或更多块 时，认为将盖玻璃片切块。在一些实施方案中，切块被用作表示盖玻璃片被“完全钢化” 的定性测量(即，对于2mm或更厚的盖玻璃，其中盖玻璃片具有至少65MPa的压应力 或至少67MPa的边缘压缩)。在各种实施方案中，盖玻璃片500在张应力区域550中 具有足够的张应力，使得一块25cm2的盖玻璃片500破裂成40片或更多片。
参考图7，具有如本文公开的关于盖玻璃或玻璃陶瓷片(诸如片材500)的性质的盖玻璃或玻璃陶瓷制品610已经断裂，例如使用中心冲头或其他仪器和/或大体根据美国 国家标准协会(ANSI)Z97.1(冲击试验)和ASTM 1048标准。根据示例性实施方案，盖 玻璃或玻璃陶瓷制品610已经被增强到在断裂时发生切块的程度，从而形成多个小颗 粒块616(例如，碎片、片)。在一些实施方案中，在其中用锤子或冲头施加冲击以引起 盖玻璃开裂成颗粒片的碎裂测试中，盖玻璃或玻璃陶瓷制品610所具有的热致应力足 以在盖玻璃或玻璃陶瓷制品610的50mmx50 mm的区域内产生不小于40个的多个颗 粒块616。示出了具有约1cm的金属销长度614的标准办公室图钉612以供参考。
根据各种考虑的实施方案，尽管建筑增强玻璃或玻璃陶瓷制品610的厚度较薄，但应力分布(大体参见图6)向增强盖玻璃或玻璃陶瓷制品610赋予高碎裂潜力，使得在 断裂时，增强盖玻璃或玻璃陶瓷制品610打碎成特别小的颗粒块616，所述颗粒块在第 一表面或第二表面中的任一表面上的面积小于90mm2，诸如小于50mm2、诸如小于 20mm2、诸如小于10mm2、诸如小于5mm2、和/或至少10μm2。在一些此类实施方案 中，增强盖玻璃或玻璃陶瓷制品610的碎裂潜力是使得在增强盖玻璃或玻璃陶瓷制品 断裂时，颗粒块616的至少20％(例如，至少50％、至少70％、至少95％)具有上述量 之一的第一表面或第二表面中的至少一个的面积。
至少部分由于在一些实施方案中可以使用本发明的技术通过本文所公开的张应力 来制造的盖玻璃或玻璃陶瓷制品610的特别薄的几何形状，增强盖玻璃或玻璃陶瓷制品610的破裂潜力使得在断裂时，增强盖玻璃或玻璃陶瓷制品610打碎成特别低体积 的颗粒块，所述颗粒快的体积小于50mm3，诸如小于40mm3、诸如小于30mm3、诸 如小于25mm3，和/或至少50μm3的体积。
至少部分由于在一些实施方案中可以使用本发明的技术通过本文所公开的张应力 来制造的盖玻璃或玻璃陶瓷制品610的特别大的面积，增强盖玻璃或玻璃陶瓷制品610的破碎潜力使得在断裂时，增强盖玻璃或玻璃陶瓷制品610打碎成至少100个体积至 少为50μm3的颗粒块616，诸如至少200个、至少400个、至少1000个、至少4000 个体积至少为50μm3的颗粒块616。
现在参考图8和图9，在1.1mm厚的玻璃片上执行实验，构成所述玻璃片的玻璃 包括按重量计至少70％的二氧化硅、和/或按重量计至少10％的氧化钠、和/或按重量 计至少7％的氧化钙，并且使用本文所公开的设备和过程来增强。如图8所示，已经发 现每平方厘米玻璃的颗粒块616的数量通常与相应盖玻璃或玻璃陶瓷制品610的中心 处的正张应力的大小有关。类似地，如图9所示，基于在淬火期间的玻璃片表面与散 热器/气体轴承之间的间隙的尺寸以及基于间隙中使用的气体的导热率还发现相应盖玻 璃或玻璃陶瓷制品610的破碎潜力与以下有关：热区中的玻璃的温度(例如参见图21、 图22和图23)、以及在淬火期间有效地施加到盖玻璃表面的计算的预期传热系数(h)(以 cal/cm2·s·℃(公制单位watt/m2·°K)为单位)。
热钢化盖玻璃片假想温度
在各种实施方案中，通过本文讨论的系统和方法形成的热增强盖玻璃片(例如，盖玻璃片500)具有高假想温度。将理解的是，在各种实施方案中，本文讨论的盖玻璃材 料的高假想温度与盖玻璃片500的高钢化水平、高中心张应力和/或高表面压应力相关。 可以通过任何合适的方法(包括差示扫描量热法、布里渊光谱法或拉曼光谱法)来确定表 面假想温度。
根据示例性实施方案，盖玻璃或玻璃陶瓷片500的一部分(诸如在第一表面510和/或第二表面520处或附近)具有特别高的假想温度，诸如至少500℃、诸如至少600℃、 或者在一些实施方案中甚至至少700℃(诸如对于钠钙玻璃)。根据示例性实施方案，盖 玻璃或玻璃陶瓷片500的一部分(诸如在第一表面510和/或第二表面520处或附近)相 对于相同化学组合物的退火玻璃具有特别高的假想温度，诸如至少10℃以上，至少 30℃以上、至少50℃以上、至少70℃以上、或甚至至少100℃以上。通过目前公 开的发明技术可以实现高假想温度，这至少部分是由于增强系统中的从热区到冷却区 的快速转变(例如，参见图21、图22和图23)。申请人认为高假想温度可以对应于玻璃 抗破坏性的增加或与玻璃抗破坏性的增加相关。
在确定表面假想温度的一些方法中，可能需要打破玻璃以减轻由热增强过程引起的“钢化应力”以便以合理的准确度测量假想温度。众所周知的是，通过拉曼光谱分析 法测量的特征结构带以受控方式相对于假想温度以及相对于硅酸盐玻璃中的外加应力 而偏移。如果钢化应力是已知的，则该偏移可以用于非破坏性地测量热增强盖玻璃片 的假想温度。
总体参考图10，钢化方法若干示例性盖玻璃制品的假想温度的确定。在D.RTallant、T.A.Michalske和W.L.Smith的“The effects of tensile stress on the Ramanspectrum of silica glass”J.Non-Cryst.Solids，106 380-383(1988)中报道了应力对二氧化 硅玻璃的拉曼光谱的影响。具有65重量％或更高的二氧化硅的商用玻璃具有基本上相 同的响应。尽管所报道的应力响应是针对单轴应力，但在单轴应力状态(诸如在钢化玻璃中观察到的应力状态)的情况下，σxx＝σyy，可以预料该峰值的偏移量是通过单轴应力 预料的偏移量的两倍。钠钙玻璃和玻璃2中的1090cm-1附近的峰值对应于石英玻璃中 观察到的1050cm-1的峰值。应力对二氧化硅中的1050cm-1的峰值的影响以及对SLG 和其他硅酸盐玻璃中的对应峰值的影响可以通过等式a)ω(cm-1)＝1054.93-0.00232σ来表 示为以MPa为单位的应力σ的函数。
根据拉曼谱带位置产生校准曲线，作为SLG和另一种玻璃(玻璃2)的假想温度的函数。对玻璃样品进行不同时间的热处理，所述时间比通过τ＝10*η/G计算的结构弛豫时 间长2-3倍，其中η是粘度并且G是剪切模量。在热处理之后，将玻璃在水中猝火以 便将假想温度冻结在热处理温度。然后，在200-1800cm-1的范围内使用442nm的激光、 10-30s的曝光时间和100％的功率，在50x的放大率和1-2μm的光斑尺寸下，通过显 微拉曼光谱分析法来测量玻璃表面。在这种情况下，使用计算机软件(Renishaw WIRE 4.1版)来匹配1000-1200cm-1下的峰值位置。通过等式b)ω(cm-1)＝1110.66-0.0282·Tf给 出了在空气侧的SLG中测量的1090cm-1拉曼峰值的良好拟合(作为假想温度Tf(以℃为 单位)的函数)。对于玻璃2，通过等式c)ω(cm-1)＝1102.00-0.0231·Tf给出了良好拟合。
通过使用等式a)、b)和c)中建立的关系，可以将盖玻璃的假想温度表示为测量的拉曼峰值位置与由表面压应力引起的校正因数的函数。100MPa的压应力σc使拉曼谱 带位置偏移，相当于假想温度的约15至20摄氏度的减小。以下公式适用于SLG：
Figure BDA0003191876660000191
适用于玻璃2的等式是：
Figure BDA0003191876660000192
在这些等式中，ω是针对1090cm-1附近的峰值的测量峰值波数，σc是通过任何合适技术测量的表面压应力，从而产生以℃为单位的假想温度的应力校正测量值。作为 与所确定的假想温度相关的增加的抗破坏性的演示，制备了四块玻璃片样品，通过常 规钢化方法将两个6mm的钠钙玻璃(SLG)片制备为约70MPa和110MPa的表面压应 力(CS)，并且通过本文公开的方法和系统将两个1.1mm的SLG片制备为大致相同水平 的CS。两个附加的片材作为对照，每个片材有各自的厚度。每个试验片材的表面都承 受标准维氏压痕。施加不同水平的力，每次持续15秒，并且等待24小时后，分别检 查压痕。如表I所示，针对每个样品确定50％开裂阈值(被限定为所出现的开裂的平均 数量是趋向引发开裂的压头的四个点中的两个点的载荷)。
表I表示通过常规对流气体钢化处理的SLG的维氏裂纹萌生阈值(反映在6mm的 片材中)与退火或即将交付的SLG片的维氏裂纹萌生阈值基本相同，即从零牛与一牛(N) 之间上升到约一牛到小于两牛。这与表面假想温度(Tfs或Tf表面)相对于通过常规钢化提 供的玻璃化转变温度(Tg＝550℃，对于SLG，定义为η＝1012-13.3泊)的约25℃至35℃ 的相对适中上升相关。相比之下，通过使用本方法和系统进行钢化，维氏裂纹萌生阈 值提高到大于10N，比通过常规钢化赋予的维氏抗破坏性增加了10倍。在所体现的玻 璃中，Tfs减Tg为至少50℃、或至少75℃、或至少90℃、或在从约75℃至100℃ 的范围内。即使在包括更低水平的热增强的实施方案中，所体现的玻璃仍然可以例如 提供增加的阻力(诸如5N的水平)在某些考虑的实施方案中，在15秒的维氏裂纹萌生 测试之后的50％开裂阈值可以等于或大于5N、10N、20N或30N。
Figure BDA0003191876660000201
以下的无量纲假想温度参数θ可以用于在所产生的假想温度方面比较热增强方法的相对性能。在这种情况下，在表面假想温度θs方面给出：
θs＝(Tfs-T退火)l(T软化-T退火) (3)
其中Tfs是表面假想温度，T退火(粘度η＝1013.2泊下的玻璃温度)是退火点，并且T软化(粘度η＝107.6泊下的玻璃温度)是片材玻璃的软化点。图10是取决于在两个不同玻璃 的热增强期间施加的传热速率h的测量的表面假想温度的θs的曲线图。如图10所示， 两种不同玻璃的结果彼此相当接近地叠加。这意味着参数θ提供用于直接比较不同玻 璃的假想温度的手段，与生产它们所需的传热速率h相关。每个h下的结果的垂直范 围对应于淬火开始时的初始温度T0的值的变化。在实施方案中，参数θs包括从约(例 如，加或减10％)0.2至约0.9、或0.21至0.09、或0.22至0.09、或0.23至0.09、或0.24 至0.09、或0.25至0.09、或0.30至0.09、或0.40至0.09、或0.5至0.9、或0.51至0.9、 或0.52至0.9、或0.53至0.9、或0.54至0.9、或0.54至0.9、或0.55至0.9、或0.6至 0.9、或甚至0.65至0.9。
热钢化盖玻璃片回火性参数
在各种实施方案中，通过本文讨论的系统和方法形成的热增强盖玻璃片(例如，盖玻璃片500)具有高回火性和/或传热值。玻璃的“特定热应力”由下式给出：
Figure BDA0003191876660000211
其中α是玻璃的(低温线性)CTE，E是玻璃材料的弹性模量，并且μ是玻璃材料的 泊松比。该值用于指示在承受温度梯度时给定玻璃组合物内产生的应力水平。它也可 以用作热“回火性”的估计量。然而，在较高传热速率下(例如像在约800W/m2K及以上)， 玻璃的高温或“液相线”CTE开始影响钢化性能。因此，在此类条件下，基于对粘度曲 线上的变化的CTE值的积分的近似，发现回火性参数Ψ是有用的：
Figure BDA0003191876660000212
其中αS CTE是以1/℃(℃-1)表示的低温线性CTE(相当于玻璃从0-300℃的平均线性膨胀系数)，αL CTE是以1/℃(℃-1)表示的高温线性CTE(相当于观察的在玻璃化转变点与 软化点之间某处要发生的高温平台值)，E是以GPa(非MPa)表示的玻璃弹性模量(其允 许(无量纲)参数Ψ的值的范围通常在0与1之间)，T应变是以℃表示的玻璃应变点温度(粘 度η＝1014.7泊下的玻璃温度)，并且T软化是以℃表示的玻璃软化点(粘度η＝107.6泊下的 玻璃温度)。
针对具有不同性质的玻璃，对热增强方法和所得的表面压应力进行建模以确定钢化参数Ψ。在108.2泊的相同起始粘度下以及在不同传热系数下对玻璃进行建模。表II 中表示各种玻璃的性质、以及在108.2泊下的每种玻璃的温度、以及每种玻璃的回火性 参数Ψ的计算值。
表II
玻璃 模量 CTE低 CTE高 10<sup>8.2</sup>泊℃ 软化点℃ 应变点℃ Ψ
SLG 72 8.8 27.61 705 728 507 0.76
2 73.3 8.53 20.49 813 837 553 0.77
3 65.5 8.26 26 821 862 549 0.83
4 65 8.69 20.2 864 912 608 0.74
5 63.9 10.61 22 849 884 557 0.84
6 58.26 3.5 20.2 842 876 557 0.49
7 73.6 3.6 13.3 929 963 708 0.44
8 81.1 3.86 12.13 968 995 749 0.48
表II中的结果表明Ψ与玻璃的热增强性能成比例。在图11中进一步示出这种相关性，这提供高传热速率(2093W/m2K(0.05cal/s·cm2·℃)的传热系数)和仅1mm的玻璃片 厚度的具体实例。如图所示，七种不同的玻璃的所得压应力的变化与建议的回火性参 数Ψ的变化很相关。
热盖建筑玻璃片传热系数以及与表面压应力和中心应力的关系
在另一个方面中，已经发现，对于任何玻璃，在传热系数h的任何给定值(以 cal/cm2-s-℃表示)下，可以通过双曲线拟合表面压应力(σcs，以MPa为单位)相对厚度(t， 以mm为单位)(在0mm至6mm的范围内)的曲线，其中P1和P2是h的函数，使得：
Figure BDA0003191876660000221
或将Ψ代入表达式，压缩应力σcs(Glass,h,t)的曲线由下式给出：
Figure BDA0003191876660000222
其中上述(6)或(7)中的常数P1、P2各自是传热值h的连续函数，由下式给出：
Figure BDA0003191876660000223
以及
Figure BDA0003191876660000224
在图12和图13中，常数P1、P2分别被绘制为h的函数。因此，通过在上面的表 达式(6)或(7)中使用给定h的P1的值以及该相同h的对应P2，指定了对应于在该h下 可获得的表面压应力(CS)的曲线，其作为厚度t的函数。
在一些实施方案中，通过简单地将在相同传导下预测的压应力除以2，可以使用类似的表达式来预测热增强盖玻璃片的中心张力(CT)(特别是厚度等于或小于6mm)以及 热传递系数(诸如800W/m2K以上)。因此，预期的中心张力可由下式给出：
Figure BDA0003191876660000225
其中P1CT和P2CT如下给出：
Figure BDA0003191876660000226
以及
Figure BDA0003191876660000227
在一些实施方案中，对于给定的热增强物理实例，h和hCT可以具有相同的值。然而，在一些实施方案中，它们可以变化，并且提供单独变量并允许它们之间的变化允 许(在描述性能曲线内)捕捉2:1CS/CT的典型比率不成立的实例。
目前公开的方法和系统的一个或多个实施方案已经在表III所示的所有传热速率值 (h和hCT)下产生了热增强SLG片。
表III
Figure BDA0003191876660000231
在一些实施方案中，传热值速率(h和hCT)可以是从约0.024至约0.15、约0.026至约0.10、或约0.026至约0.075cal/s·cm2·℃。
图14示出取决于厚度t(以mm为单位)的玻璃片表面压缩的以MPa为单位的新开 放性能空间，通过根据以上等式6-9的h的选定值C(h,t)·Ψ(SLG)的图，其中Ψ(SLG)对 应于表II中SLG的Ψ值。标记为GC的迹线表示通过气体对流钢化可实现的SLG片 的最大应力相对薄度的估计范围，即0.02cal/s·cm2·℃(或840W/m2K)到0.03 cal/s·cm2·℃或1250W/m2K，假定在该方法中可以在10泊的加热玻璃粘度或约704℃ (高于对流气体方法的能力)下使用这些传热系数水平。
基于气体对流钢化过程的最高报告片材CS值的实例由图例中标记为气体的三角形标记示出。值601表示商用设备的广告产品性能能力，而值602基于在玻璃加工会 议上的口头报告。标记为LC的迹线表示估计为可通过液体接触钢化实现的SLG片的 最大应力相对薄度的曲线，由0.0625cal/s·cm2·℃(或大约2600W/m2K)的传热速率h给 出，还假定在108.2泊或约704℃的初始加热玻璃粘度下进行处理。基于液体接触钢化 方法的最高报告片材CS值的实例由图例中标记为液体的圆圈标记示出。在2mm厚度 下的两个值中的较高者基于硼硅酸盐盖玻璃片的钢化报告，并且已经通过 (ΨSLG)/(Ψborosilicate)针对图缩放所实现的应力以进行缩放直接比较。
标记为704的迹线表示在0.20cal/s cm2·℃(或约8370W/m2K)的传热速率以及704℃的起始温度(即将淬火之前)下的通过当前公开的方法和系统的一个或多个实施 方案可实现的应力。由此可实现的盖玻璃片上的应力水平表示与液体钢化强度水平几 乎相同的改进范围，因为液体钢化表示现有技术的气体对流钢化。但是标记为704的 迹线不是上限-实施方案已经被示为该值以上是可行的，因为在甚至较高温度下(在盖玻 璃的较低粘度下)对小间隙气体轴承热增强的形状和平坦度的良好控制。标记为730的 迹线示出在730℃(非常接近或高于盖玻璃软化点)的SLG片材起始温度下通过0.20 cal/s·cm2·℃(或约8370W/m2K)的传热速率实现的一些附加增强性能。由此实现压应力 的显著改进并且由此实现盖玻璃片强度的显著改进，特别是通过高传热速率的组合以 及使用通过对密闭气体轴承中的片材平坦度和形状的良好处理和控制而实现的高初始 温度，并且这种改进在2mm和以下的厚度特别显著。
图15示出在2mm及以下的上述图14的迹线，但是压应力作为针对通过本公开的 一个或多个实施方案产生的钢化盖玻璃片的选定实例绘制的厚度的函数，显示了通过 本公开实现的热增强水平和薄度的极端组合。
具有低表面粗糙度和高平坦度的热钢化盖玻璃片
在各种实施方案中，本文公开的热增强盖玻璃片(诸如片材500)具有高的热应力和 低的已形成表面粗糙度。本文公开的过程和方法可以热增强盖玻璃片而不增加已形成表面的表面粗糙度。例如，在处理之前和之后，通过原子力显微镜(AFM)对进入的浮法 盖玻璃空气侧表面和进入的熔合成形的盖玻璃表面进行表征。对于进入的1.1mm的钠 钙浮法盖玻璃，Ra表面粗糙度小于1nm(0.6-0.7nm)，并且根据本方法，Ra表面粗糙度 不通过热增强而增加。类似地，根据本公开，通过热增强来保持1.1mm的熔合成形盖 玻璃片的Ra表面粗糙度小于0.3nm(0.2-0.3)。因此，至少在10μm x 10μm的面积上， 热增强盖玻璃片在至少第一表面上的表面粗糙度(即Ra粗糙度)的范围是从0.2nm至1.5 nm、0.2nm至2.0nm、0.2nm至0.7nm、0.2nm至0.4nm，甚至诸如0.2nm至0.3nm。 在示例性实施方案中，可以在10μm x 10μm的面积上测量表面粗糙度，或者在一些实 施方案中，可以在15μm x 15μm的面积上测量表面粗糙度。
在一些考虑的实施方案中，本文公开的热增强盖玻璃片既具有高的热应力又具有低的已成形表面粗糙度和/或涂覆表面。本文公开的过程和方法可以热增强盖玻璃片， 而不增加盖玻璃片的平滑的已形成或已交付表面的表面粗糙度，并且同样不损伤敏感 的低辐射涂层或防反射涂层或其他涂层。在处理之前和之后，通过原子力显微镜(AFM) 对进入的浮法盖玻璃空气侧表面和进入的熔合成形的盖玻璃表面进行表征。Ra表面粗 糙度小于1nm(诸如0.6nm至0.7nm)以用于在1.1mm的钠钙浮法盖玻璃的空气侧上进 入并且根据本公开不通过热增强而增加。Ra表面粗糙度小于0.3nm(诸如0.2nm至0.3 nm)以用于在1.1mm的熔合成形盖玻璃片材上进入并且同样根据本公开不通过热增强 而增加。因此，在考虑的实施方案中，根据本公开，热增强盖玻璃片在至少第一表面 上具有在至少0.2nm范围内的表面粗糙度和/或不大于1.5nm(诸如不大于0.7nm，诸如 不大于0.4nm、或甚至诸如不大于0.3nm)的Ra粗糙度；或者具有热增强片材，所述热 增强片材在其上具有可在增强之前施加的类型的涂层；或者具有这些低粗糙度值和涂 层的组合，是从与作为起始材料的对应盖玻璃片一起使用的本发明方法获得的。申请 人的理解是，表面质量和/或表面涂层的这种保存先前需要使用对流气体钢化或者可能 需要低传热液体钢化过程，这相对于通过当前过程和方法可用的总范围产生有限的热 增强效应。
在另一个实施方案中，本文描述的热增强盖玻璃片具有高平坦度。在各种实施方案中，本文讨论的增强系统利用受控气体轴承以便在运输和加热期间支撑盖玻璃材料， 并且在一些实施方案中，可以用于辅助控制和/或改进盖玻璃片的平坦度，从而导致比 先前可获得的更高的平坦度，特别是对于薄的和/或高度增强的盖玻璃片。例如，可以 增强至少0.6mm的片材，同时改进后增强的平坦度。本文体现的热增强盖玻璃片的平 坦度可以包括：沿着其第一表面或第二表面之一的任何50mm长度的100μm或更小 的总指示器跳动(TIR)、在第一表面或第二表面之一上的50mm长度内的300μm或更 小的TIR、在第一表面或第二表面之一上的50mm长度内的200μm或更小的TIR、100 μm或更小的TIR，或70μm或更小的TIR。在示例性实施方案中，沿着玻璃片的任何 50mm或更小的轮廓测量平坦度。在考虑的实施方案中，具有本文公开的厚度的片材 在第一表面或第二表面之一上的20mm长度内的平坦度是200μm或更小的TIR，诸如 平坦度是100μm或更小的TIR，平坦度是70μm或更小的TIR，平坦度是50μm或更 小的TIR。
根据考虑的实施方案，本文讨论的增强盖玻璃或玻璃陶瓷制品(例如，图4所示的盖玻璃片500)具有高度尺寸一致性，使得沿着主体522的1cm的长度方向伸展的其厚 度t的改变不大于50μm，诸如不大于10μm、不大于5μm、不大于2μm。由于实际 考虑(诸如冷却板对准和/或可能扭曲大小的表面不规则性)，如本文所公开的，对于给 定的厚度、面积和/或负张应力大小，这种尺寸一致性可能是通过固体淬火不可实现的。
根据考虑的实施方案，本文讨论的增强盖玻璃或玻璃陶瓷制品具有至少一个主表面(例如，图4中增强盖玻璃或玻璃陶瓷片500的第一表面510和第二表面520)，其是 平坦的，使得沿其长度方向的1cm的分布保持在直线的50μm内，诸如在20μm、10μm、 5μm、2μm内；和/或沿其宽度方向的1cm的分布保持在直线的50μm以内，诸如20 μm、10μm、5μm、2μm内。由于实际考虑(诸如由于流体的对流和相关力而在这些方 法中增强的盖玻璃的翘曲或弯曲)，如本文所公开的，对于给定的厚度、面积和/或负张 应力大小，这种高平坦度可能是通过液体淬火不可实现的。
热增强盖玻璃片CTE
另一方面包括热增强的低热膨胀系数(CTE)盖玻璃片。如以上讨论的(例如参见等式7和10)，热增强效应显著取决于构成盖玻璃片的盖玻璃的CTE。然而，低CTE玻 璃的热增强可以提供具有有利性质的增强玻璃组合物，所述有利性质诸如增加的耐化 学性，或由于低碱含量而产生的与电子装置更好的兼容性。CTE为65、60、55、50、 45、40和甚至35x10-6℃-1及以下的盖玻璃片能够具有像安全玻璃一样的破裂图案(“切 块”)，其厚度小于4mm、小于3.5mm、小于3mm、甚至小于2mm。可以使用本文所 述的方法来增强CTE值为40x10-6℃-1及以下的盖玻璃。在相同厚度下，通过本文处讨 论的系统和方法增强的这种低CTE玻璃可以具有与通过常规商业(气体对流)过程增强 的SLG片类似的表面压缩。在一些实施方案中，对于具有以下厚度的盖玻璃片：不大 于1cm、不大于5mm、不大于3mm、不大于2mm、不大于1.5mm、不大于1mm、 不大于0.75mm、不大于0.5mm、不大于0.3mm、不大于0.2mm或不大于0.1mm， 低CTE玻璃的压应力可以包括至少50MPa、至少100MPa、至少125MPa、至少150 MPa、至少200MPa、至少250MPa、至少300MPa或至少400MPa。
根据本公开形成的盖玻璃片在消费者电子装置中具有多种应用，例如在电子装置、 移动电话、便携式媒体播放器、电视机、笔记本计算机、手表、家用电器、平板计算 机显示器中以及在层压材料(诸如各种消费者电子装置中使用的玻璃-夹层-玻璃层压材 料)中。可生产强度更大且更薄的层压材料，从而减轻重量和节约成本，并提高燃料效 率。理想地，热增强薄片材可以被冷弯并且被层压到形成的较厚玻璃，从而提供简单 且可靠的制造过程而不需要薄片材的任何热成形。
热钢化盖玻璃片的Alpha
以下的表IV表示通过本公开的方法获得的结果(在表中标识为“方法源”I)以及品质 因数Alpha，其作为钢化过程中获得的热交换系数的粗略量度。Alpha由下式给出：
Figure BDA0003191876660000271
其中CS是物理压应力(以MPa为单位)，t是以毫米为单位的厚度，CTE是以℃-1为单位的热膨胀系数，并且E是以(MPa)为单位的玻璃弹性，并且产出的单位为℃/mm。
表IV
Figure BDA0003191876660000272
样品1和样品3是从所公开的方法获得的可重复值，样品1使用空气作为过程中 的气体并且样品3使用氦气作为过程中的气体。样品2表示在本过程中使用空气的“冠 军”值，即迄今为止不可靠重复。通过本公开的方法处理的盖玻璃样品(样品1-3)全部在 117℃/mm处超过Alpha。申请人认为，随着玻璃厚度降低，Alpha与厚度的斜率可能 具有降低的固有倾向。本文公开的玻璃所具有的Alpha大于20t+77，其中t是盖玻璃的 厚度，在一些实施方案中，以mm为单位。
热增强系统和过程
在各种实施方案中，用于增强盖玻璃片的过程包括将盖玻璃片(诸如盖玻璃片500) 的至少一部分支撑或引导到冷却或淬火区，在所述冷却或淬火区中片材被快速冷却，从而产生具有本文讨论的一种或多种性质的增强盖玻璃片。在各种实施方案中，盖玻 璃片至少部分通过递送到盖玻璃片表面与一个或多个散热器之间的间隙的气体的流动 或压力支撑。一般而言，当片材移动到冷却区中时，玻璃片的温度高于玻璃的转变温 度，并且在各种实施方案中，盖玻璃片在冷却区内通过导热冷却而不是通过对流冷却。 传导是通过相邻分子之间的交互来传递能量的传热过程，并且对流是通过流体(例如， 空气、氦气等)的运动来传递能量的传热过程，诸如其中加热的流体从热源移开并且被 更冷的流体替代。因此，本系统与常规的基于对流的玻璃增强/钢化系统明显不同，在 所述常规系统中玻璃片的冷却期间的主要传热模式是对流。
在一些实施方案中，用于增强盖玻璃片的整体过程包括在热区中加热盖玻璃片以及然后在冷却区中冷却盖玻璃片。盖玻璃片所具有的转变温度是盖玻璃粘度值为 η＝1012-1013.3泊的温度。将盖玻璃充分加热以便使盖玻璃片高于转变温度，然后将盖玻 璃移动到冷却区中。任选地，盖玻璃可以通过转变区从热区转变到冷却区。在冷却区 中，盖玻璃片表面定位在散热器附近，在盖玻璃片的任一侧上有一个散热器，其中在 一个盖玻璃表面与散热器的相对表面之间各自具有间隙。通过散热器中的多个孔口将 气体递送到间隙中，并且在一些实施方案中，该递送的气体形成空气轴承，所述空气 轴承在散热器之间支撑盖玻璃以使得盖玻璃表面不与散热器接触。在冷却区内，盖玻 璃片通过传导冷却而不是通过对流冷却，并且被充分冷却以固定或产生片材的热致表 面压缩和热致中心张力，其提供如本文所讨论的增加的强度。在各种实施方案中，通 过在冷却区内具有非常低的间隙尺寸来实现主要通过传导的冷却，使得盖玻璃片接近 但不接触散热器的相对表面。
用于实现所描述的过程的设备可以包括用于将盖玻璃片加热到转变温度以上的温 度的加热区、以及用于冷却加热的盖玻璃片以提供增强的盖玻璃片的冷却区。设备可以在加热区与冷却区之间包括任选的过渡区。冷却区可以包括散热器，所述散热器具 有限定间隙的一对相对表面，在所述间隙内接收加热的盖玻璃片。冷却区可以包括设 置在该间隙的相对侧上的一对气体轴承，其用于将盖玻璃片支撑在间隙内。间隙可以 被配置成通过传导而不是通过对流来冷却加热的盖玻璃片。在一些实施方案中，气体 轴承可以包括用于将气体递送到间隙的多个孔口，并且气体轴承表面充当散热器，能 够通过传导而不是通过对流从加热的盖玻璃片传导走热量。
本文公开的增强方法和设备(大体参见图21-25)允许通过本发明的热钢化形式来增 强盖玻璃或玻璃陶瓷制品(大体参见图4-7和图27-30)。所述方法允许陡峭的张应力相对厚度/深度曲线(大体参见图6)，特别是在盖玻璃或玻璃陶瓷制品表面附近的斜率中的陡峭，这使得能够针对相应制品表面附近的给定厚度将盖玻璃或玻璃陶瓷制品增强到 特别高水平的负张应力，而不需要通过离子交换或层压不同玻璃来增强。然而，在一 些实施方案中，本文公开的热钢化过程可以用离子交换来增强或者应用于玻璃-玻璃层 压。本文公开的热钢化方法使得在大面积制品(例如，片材)中实现特别高水平的增强， 所述大面积制品对于通过常规热钢化方法的增强来说可能过大，诸如由于接触淬火设 备的对准限制、常规对流系统的冷却速率限制、和/或与液体淬火钢化相关联的翘曲损 坏。本文所公开的方法独特地允许在特别薄的片材中的高水平的增强，所述薄片材对 于通过常规钢化方法的增强来说可能过薄，诸如由于对增强方法期间的薄盖玻璃或玻 璃陶瓷制品的破裂或断裂以及与固体或液体淬火相关联的接触力的敏感度、和/或由于 常规对流硬化的冷却速率限制。然而，在其他考虑的实施方案中，可以通过至少一些 固体或液体淬火(诸如与本文公开的独特增强方法相结合)来制造本文公开的盖玻璃或 玻璃陶瓷制品。
在图16的流程图中示出根据本公开的方法的一个实施方案。过程或方法100包括步骤140，即提供温度高于玻璃片转变温度的盖玻璃片。方法或过程100还包括步骤 160，即至少部分通过气体(通过气体流动和压力)来支撑盖玻璃片。步骤160包括，在 盖玻璃片被气体支撑的同时，冷却片材：1)通过传导而不是通过对流(通过气体到散热 器)，并且2)在处于环境温度下足以产生或固定片材的热致表面压应力和热致中心张应 力。
根据图16的实施方案的变型(被描绘为图17的流程图中的方法100')，方法可以包括步骤110，即充分加热盖玻璃片以使得片材高于盖玻璃的转变温度。作为冷却步骤 160的一部分或作为其准备，在步骤120中，方法100'还包括提供具有第一散热器表面 和第二散热器表面(大体参见图21-25)的散热器(无论作为单件还是以分开件)，每个散 热器表面在其中具有孔口。在步骤130A中，方法还包括跨第一间隙定位面向第一散热 器表面的第一片材表面，并且在步骤130B中，方法还包括跨第二间隙定位面向第二散 热器表面的第二片材表面。散热器表面可以包括孔口和/或可以是多孔的。在步骤160 中，方法100’还可以包括通过传导而不是通过对流(通过气体到相应散热器表面)来冷却 板，足以增强盖玻璃(例如，以便在片材中充分地产生或固定热致表面压应力和热致中 心张应力)。步骤160还可以包括通过孔口或多孔散热器将气体递送到第一间隙和第二 间隙，并且在一些此类实施方案中，递送气体以形成在散热器附近支撑盖玻璃片的空 气轴承。在一些实施方案中，仅通过散热器的孔口或仅通过多孔散热器的一个或多个 孔和孔口来递送气体。
本公开的这些和其他相关方法通过使用传导作为主导冷却模式而不是对流，违背了当前主导的气体对流冷却技术。本文所述的方法不是采用固体与气体(玻璃与空气) 的热交换，而是采用固体与固体(玻璃与散热器)的热交换，其通过少量气体(例如，玻 璃表面与散热器之间没有物理接触)在小间隙中调解，以便开始和完成产生热增强的冷 却。虽然在气体(例如，空气轴承气体)流入小间隙中时存在一些对流，但通过气体并进 入散热器的直接跨间隙传导是主导冷却模式。申请人已经确定，相对于对流为主的冷 却过程，热传导的优势增加了传热速率。
因为固体与固体的传导(甚至跨间隙)允许比对流更快的热流动，所以较薄盖玻璃片 所需的冷却速率增加不受气体速度和体积的限制。根据各种实施方案，在没有通常由对流系统中的气体流动和间隙尺寸施加的约束的情况下，可以为其他目的选择、控制 或优化气体流动和间隙尺寸，诸如用于控制间隙中的气垫的刚度、用于支撑片材、用 于扁平化或以其他方式使片材成形、用于优化导热、用于在热增强期间保持片材平坦 度和/或形状、和/或用于平衡片材处理容易性与高冷却速率。例如，在一些实施方案中， 因为冷却不是通过对流的，所以由于支撑气体轴承的非常低的气体流速，氦气在本公 开的系统中变成经济上可行的空气替代物，并且在此类实施方案中，氦提供约五倍于 空气的导热率。即使价格假定是当前可用价格的数倍，氦气在本公开的系统的低流速 下也成为经济上可行的替代方案。
此外，因为本公开的系统在冷却期间减少在盖玻璃片上流动的空气的体积(相对于 对流系统)，所以本文讨论的系统和方法减少了典型地由常规基于对流的钢化系统中所需的高速、高体积空气流动引起的热薄盖玻璃片变形的潜在风险。这也允许在没有变 形或者最小变形的情况下处理较软、较高温度的盖玻璃片，从而进一步改进可实现的 增强程度。消除高空气流速也减轻了有时在以下方面中看到的问题：将片材输送到淬 火室(逆着高空气流动移动)以及防止高流动、较冷空气进入和冷却用于加热板的炉的相 邻部分。
此外，通过气体的传导的使用可以减轻与常规液体接触或固体接触淬火钢化相关联的接触损伤、翘曲、成形等。使用气体作为中间导体通过避免固体与固体的接触来 保持加工制品的表面质量。通过气体调解高传导速率也避免了液体接触。一些类型的 液体淬火可引起不希望的变形、钢化中的空间变化和盖玻璃表面的污染。这些实施方 案主要提供非接触(除了气体)但非常高速的冷却。在其他实施方案中，如上所述，可以 包括固体或液体接触。
热钢化系统/方法的功耗
避免高空气流速的另一个优点在于通过使用固体-气体-固体传导作为主要盖玻璃 冷却机构实现的功率和能量的节省。图18和图19的点A和B表示每平方米盖玻璃片 的空气轴承的峰值功率使用的高端估计(通过相对较高流动下的压缩空气供应)。压缩空 气的实际低端峰值功率使用可能小至所示值的1/16。点A和点B不包括散热器的主动 冷却，然而，其可以包括在一些实施方案中，特别是在机器处于连续、准连续或高频 操作的情况下。
再次参考图18和图19，点A'和B'表示在考虑到散热器表面的主动冷却时在点A 和点B处空气轴承操作的保守估计的峰值功率水平，假定通过热-机械(或电)效率比为 7.5至1的主动冷却系统来完成等效于盖玻璃片温度中的300℃的下降的热负荷(对于 点A’下降在2.1秒的时限内并且对于点B’在1秒内)。(这些点近似对应于本文描述的 设备中被实际钢化的盖玻璃片。)
虽然图18和图19的区域R内的四个点示出通过本公开的方法和系统可获得的改进的重要性(至少在某种程度上)，但应该指出的是，因为功率需求是所表示的数量，所 以在附图中可能显著低估全部收益。例如，如曲线N所表示的，鼓风机的峰值功率不 能被有效地打开和关闭，通常需要门控气道以阻挡大风扇，所述大风扇在不需要空气 时仍然旋转(但负荷减小)。通常可以更有效地适应例如根据本公开易于实现的流体冷却 系统(诸如冷却水厂)的峰值功率需求(由点A'和B'表示)，并且将显著降低有效峰值功 率，从而只有在接近完全连续操作时才接近A'和B'。因此，如图所示，总能源需求的 差异将倾向大于峰值能源需求的差异。在一些实施方案中，本文所述的过程所具有的 峰值功率小于120Kw/m2、小于100Kw/m2、小于80KW/m2以便热增强厚度为2mm 或更小的盖玻璃片。
在热钢化期间的来自薄盖玻璃片的传热
一般而言，在本发明的系统和方法中，来自薄盖玻璃片的传热包括传导分量、对流分量和辐射分量。如上所指出的以及本文中详细解释的，本公开的热钢化系统通过 利用热传导作为用于淬火薄盖玻璃片的主要机构来提供薄盖玻璃钢化。
以下是申请人对基础理论的理解。玻璃钢化技术领域的普通技术人员可以很容易想到，其中传导效应通常非常如此小以致于通常被忽略以有利于单独分析对流和辐射， 询问是否通过经由气体(诸如空气)的传导实际上可实现薄盖玻璃片(诸如在2毫米及以 下)的足够高的冷却速率—并且如果是的话，是否可以在实际间隙尺寸下实现此类速率。
在使用本文所述系统的过程中体现的条件下的导热量可以经由以下确定。首先，在如本公开中的通过传导进行热增强的背景下，必须在沿着热斜率的传导方向上评估 间隙内的气体的导热率。正在冷却的片材的表面处或附近的高温空气具有比较低温空 气显著更高的导热率，所述较低温空气诸如在散热器表面处或其附近的室温或接近室 温的空气((干)室温空气(25℃)的标称导热率约为0.026W/m·K)。使用假定整个间隙上 的空气在冷却开始时处于两个相对表面平均温度的近似。在冷却开始时，盖玻璃片可 以例如处于670℃的温度，而散热器表面可以例如在30℃处开始。因此，间隙中的 空气的平均温度将为350℃，在该温度下干燥空气具有约0.047W/m·K的导热率；比 其在室温下的导热率高75％以上并且是足够高的以便通过本发明的系统内的所述尺寸 的间隙来传导大量的热能，如以下所讨论的那样，假定片材被精加工到合理高度的表 面和厚度一致性。
为了说明，Qcond，即通过距离为g的间隙的传热的速率的传导分量(在与所述间隙距离g的方向垂直的方向上)(该间隙所具有的面积为Ag)可以由下式给出：
Figure BDA0003191876660000321
其中k是在热传导方向(或相反方向)上评估的间隙中材料(气体)的导热率，Ts是盖 玻璃表面的温度，并且THS是散热器表面(或在其他实施例中是热源表面)的温度。如以上提及的，严格评估k将需要合并沿着(或反对)传导热流方向的气体的导热率，因为气 体的导热率随着温度而变化—但是作为良好的近似，在两个表面温度Ts和THS的平均 值下，k可以被看作间隙中气体的k值。
以传热系数为单位(以热流功率/平方米/开氏温度为单位)重新构造等式(14)给出：
Figure BDA0003191876660000322
所以跨间隙传导的有效传热系数是间隙中介质(在这种情况下为空气)的导热率(以 W/m·K为单位)除以间隙长度(以米为单位)，从而给出以Watt/平方米/度为单位的温差 值。表V表示仅由于传导的间隙尺寸从10μm直到200μm(每个步长为10μm)的空气 填充间隙和氦气填充间隙的传热系数(k/g)。
表V
Figure BDA0003191876660000331
图20(现有技术)示出约35年前的工业标准曲线(添加了2mm下的参考线)，从而 示出了在某些假定条件下完全钢化玻璃片所需的传热系数(作为以mm为单位的厚度的 函数)。从表V与图20的比较中可以看出，约40μm的空气填充间隙可以允许通过传 导来完全钢化2mm厚的盖玻璃。虽然稍微小于40微米是相当小的间隙，但传送机应 用中的平面多孔空气轴承通常可以在低至20微米的间隙下可靠地运行。因此，针对通 过散热器表面中的孔供给的空气间隙，可以达到37微米。在使用氦气(或者氢气，具有 类似的导热率)作为气体的情况下，可以使用约200μm的间隙来完全钢化2mm厚的盖 玻璃。针对相同的传热系数，使用氦气或氢气作为气体允许约5倍大的间隙尺寸。换 言之，在使用氦气或氢气作为间隙中气体的情况下，在相同间隙尺寸下，间隙使可用 于淬火的传热系数增加约5倍。所以即使在空气的情况下，间距也不是不切实际的， 并且在高传导率的气体下，间隙间距相对容易实现，即使对于小于2毫米的片材厚度 也是如此。
除了通过传导而不是通过对流(通过气体)来冷却之外，另一个实施方案包括通过传 导而不是通过对流(通过气体)来加热(或加热和/或冷却)。关于传导和对流的相对贡献， 无论是针对加热还是冷却，跨间隙(或多个间隙)的传热的速率的对流分量Qconv可由下式给出：
Figure BDA0003191876660000341
其中m是气体的质量流速，Cp是气体的比热容，Ti是在气体流入间隙时的气体进入温度，并且e是在间隙中流动的气体、片材表面和散热器/热源表面(间隙的“壁”)之间 的热交换的有效性。e的值从0(表示零表面-气体热交换)变化到1(表示气体完全达到表 面的温度)。传热领域的技术人员可以使用例如e-NTU方法来计算e的值。
然而，在通常情况下，如果片材表面与散热器/热源表面之间的间隙很小，则e的值将非常接近等于1，这意味着气体几乎完全加热—平均而言，等于两个表面在任一侧 上的温度的平均值—在其离开间隙之前。假定e＝1(略高估对流传热速率)，并且气体通 过散热器/热源的表面供应到间隙，可以假定间隙中气体的初始温度与散热器/热源表面 的温度相同(Ti＝THS)。由于对流而引起的传热的速率可以然后简化为：
Figure BDA0003191876660000342
在典型用于玻璃和类似材料的热增强或热处理的温度下，从在处理下的片材向外的辐射传热相对较小。为了主要通过传导来冷却(或加热，假定在加热时来自热源的辐 射量不是过高的)片材(例如，图21中所示的片材200)，在间隙(例如，图21所示的间 隙204a、204b)的区域中，因此仅要求：
Qcond＞Qconv (18)
将(18)与等式(14)和(17)组合给出了以下条件：
Figure BDA0003191876660000343
其在被保持时将基本上确保在所讨论的间隙区域中，主要通过传导来冷却(或加热) 薄片。因此，对于每平方米的间隙面积，气体的质量流速m应当小于2kAg/gCp,或2k/gCp。在一个实施方案中，m<B(2kAg/gCp)，其中B是对流冷却与传导冷却的比率。如本文 所用，B是小于一且大于零的正常数，具体地具有2/3或更小、或甚至4/5或9/10或更 小的值。一般来说，m应当保持尽可能低，从而符合使用气体流动来控制盖玻璃片(例 如，图21所示的片材200相对于散热器表面)(例如，图21所示的散热器表面201b、 202b)的位置或热交换表面本身的位置的需要。对流冷却与传导冷却的比率可以是从小 于1到1x10-8的任何值。在一些实施方案中，B小于0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.1、5x10-2、1x10-2、5x10-3、1x10-3、5x10-4、1x10-4、5x10-5、1x10-5、5x10-6、1x10-6、5x10-7、 1x10-7、5x10-8、或1x10-8。在一些实施方案中，m被最小化，符合使用气体流动来支 撑和控制相对于散热器表面的片材位置的需要。在其他实施方案中，应该选择m以控 制热交换表面本身相对于片材的位置。
在各种实施方案中，与常规的基于对流的钢化系统相比，本公开的基于传导的冷却系统内的气体的质量流速m实质更低。如本文所讨论的，这种实质更低的气体流速 允许传导系统以实质减少的功率使用来操作。此外，在至少一些实施方案中，与常规 对流冷却系统相比，减小的气体流速度还导致实质更安静的冷却系统。在此类实施方 案中，噪声的减小可以通过减少听力受损的可能性以及甚至减少或消除操作者使用听 力保护的需要来增加操作者的安全性。
如将理解的，在盖玻璃材料片被支撑在相对散热器表面之间的空气轴承上的实施方案中，将发生从盖玻璃片两侧到两个散热器表面的热传导。因此，在此类实施方案 中，盖玻璃片具有第一片材表面和第二片材表面，并且通过将第一片材表面(例如，盖 玻璃片的下表面)定位成邻近第一散热器表面(例如，下散热器的表面)以使得第一间隙 位于第一片材表面与第一散热器表面之间、以及通过将第二片材表面(例如，盖玻璃片 的上表面)定位成邻近第二散热器表面(例如，上散热器的表面)以使得第二间隙位于第 二片材表面与第二散热器表面之间对盖玻璃片进行冷却。在此类实施方案中，允许发 生从第一片材表面到第一散热器表面以及从第二片材表面到第二散热器表面的导热。 在此类实施方案中，第一间隙具有跨第一间隙的长度g1和第一间隙面积Ag1，并且第二 间隙具有跨第二间隙的长度g2和第二间隙面积Ag2。在此类实施方案中，提供第一气体 到第一间隙的第一流动，并且提供第二气体到第二间隙的第二流动。如将理解的，类 似于以上讨论，第一气体具有热容Cp1和导热率k1，并且第一流动设置为质量流速m1。 在此类实施方案中，m1大于零且小于(2k1Ag1)/(g1Cp1)。此外，第二气体具有热容Cp2和 导热率k2，并且第二流动设置为质量流速m2。在此类实施方案中，m2大于零且小于 (2k2Ag2)/(g2Cp2)。在此类实施方案中，第一流动和第二流动接触盖玻璃片，使得盖玻璃 片被支撑而不接触散热器表面。以这种方式，以一定方式通过传导而不是通过对流来 冷却片材以便产生片材的表面压应力和中心张力。
包括高传导冷却区的盖玻璃增强系统
参考图21，示出了高传导玻璃冷却/淬火站和通过传导而不是通过对流来冷却的玻 璃片的图解截面。热玻璃片200的第一(主)表面200a和第二(主)表面200b跨越相应的间隙204a和204b，各自面对相应第一散热器201a和第二散热器202a的相应第一表面 201b和第二表面202b。如箭头所表示的，通过第一表面201b和第二表面202b供给气 体230以便供应间隙204a、204b并且有助于保持盖玻璃片居中或以其他方式定位在散 热器201a、202a之间。如箭头240所示，空气或其他气体可以离开，从而经过散热器 201a、202a的边缘。根据本文的讨论，通过选择间隙204a、204b的尺寸和气体以及气 体230的流速，将通过传导而不是通过对流来冷却盖玻璃片200。在具体实施方案中， 通过散热器201a和202a来冷却盖玻璃片200，以使得多于20％、特别多于50％、并 且更具体地多于80％的离开加热制品(诸如盖玻璃片200)的热能穿过间隙(诸如间隙 204a和204b)并且被散热器201a和202a接收。
在一些实施方案中，间隙204a、204b被配置来具有足够的跨间隙的厚度或距离，使得通过传导而不是通过对流来冷却加热的盖玻璃片。如将理解的，间隙204a、204b 的尺寸通常是主盖玻璃表面与相对散热器表面之间的距离。
在一些实施方案中，间隙204a和204b所具有的厚度可以是约(例如，加或减1％)100 μm或更大(例如，在以下范围内：约100μm至约200μm、约100μm至约190μm、约 100μm至约180μm、约100μm至约170μm、约100μm至约160μm、约100μm至 约150μm、约110μm至约200μm、约120μm至约200μm、约130μm至约200μm、 或约140μm至约200μm)。在其他实施方案中，间隙204a和204b所具有的厚度可以 是约(例如，加或减1％)100μm或更小(例如，在以下范围内：约10μm至约100μm、 约20μm至约100μm、约30μm至约100μm、约40μm至约100μm、约10μm至约90μm、约10μm至约80μm、约10μm至约70μm、约10μm至约60μm、或约10μm 至约50μm)。
散热器201a、202a可以是实心配置或多孔配置。合适的材料包括但不限于铝、青铜、碳或石墨、不锈钢等。散热器的大小可以被设计为足以处理盖玻璃片的尺寸，并 且能够有效且高效地传热而不用显著改变散热器温度。在散热器201a和/或202a是多 孔的情况下，它们可以仍然包括用于使气体流动的附加孔口或孔或者可以使用多孔结 构来提供流动，或两者。在一些实施方案中，散热器还包括允许流体流动以用于控制 散热器温度的通道，在图23-25和下面更详细地描述。
消除现有技术的高气体流量可以使得能够使用散热器面中的非常小的孔口或孔206，如图21所示，以向间隙提供气体。在一些实施方案中，孔口在最小方向(例如， 在圆形孔口的情况下是直径)上被测量时可以小于2mm、小于1.5mm、小于1mm、小 于0.5mm、小于0.25mm，或小于或等于200μm、150μm、100μm、50μm、30μm、 20μm、或10μm。在一些实施方案中，孔口从约(例如，加或减1％)10μm至约1mm、 约20μm至约1mm、或约50μm至约1mm。
在从孔口的边缘到边缘测量时，相邻孔口206之间的间隔可以从约(例如，加或减1％)10μm至约3mm、约20μm至约2mm、或者约50μm至约1mm。小孔口或孔可 用作单独限流器，从而提供高性能的气体轴承型动力学(诸如片材支撑的高度的刚度和 一致性)以定位片材和控制间隙尺寸，从而允许热增强效应的高均匀性以避免或减少应 力双折射。此外，因为可以使用非常小的孔或孔口，所以跨间隙面向片材表面的散热 器表面处的固体物质的相对量可以被最大化，由此增加传导热流。
根据各种实施方案，使用此类孔口206作为向间隙204a、204b提供气体的唯一路径，并且期望地使用位于接近与散热器表面201b、202b垂直的方向上的孔口206，确 保了空气轴承型动力学被优化，并且不受来自较大孔口的气体流动或来自除了通过邻 近片材200的散热器表面201b、202b之外的来源的气体流动的损害，或者受到其他过 度横向流动的损害。在其他实施方案中，可以通过其他源(诸如除了孔口206或孔之外) 将气体提供到间隙204a、204b。因此，本公开的各方面允许通过使用低气体流动和固 体-气体-固体传导来节省功率和能量(诸如相对于常规对流钢化过程)。
图22-25示出根据本公开的盖玻璃增强系统300的示例性实施方案。图22示出系统300的示意性截面图，其中可以通过来自盖玻璃片的热量通过气体传导到传导散热 器中来冷却盖玻璃片。设备包括热区310、冷区330和过渡气体轴承320。过渡气体轴 承320将盖玻璃制品(例如，盖玻璃片400a)从热区310移动或引导至冷区330，以使得 盖玻璃与轴承之间不发生接触或基本不发生接触。热区310具有气体轴承312，从热区 增压室318供给每个气体轴承312，并且轴承312具有通过轴承312插入到孔中的筒式 加热器314，其用于将热区气体轴承312加热到期望的开始过程温度。盖玻璃片(热 区)400a保持在热区气体轴承312之间持续足够长的时间以使其达到期望的预冷却温度 (例如，高于转变温度)。
在一些实施方案中，可以主要通过使热量从散热器传导通过薄气体阻挡层来完成在热区中加热片材。在热区中使用的传导加热方法可以与本文所述的冷却方法类似， 但是相反(例如，将热量推入盖玻璃片中)。
在一些实施方案中，热区气体轴承312与盖玻璃片400a之间的间隙316可以是相对较大的，大约为0.05”(1.27mm)至0.125”(3.175mm)或更大，因为盖玻璃片400a可以 被相对缓慢地加热并且从热气体轴承312到盖玻璃片400a中的热辐射足以用于该目 的。在其他实施方案中，热区间隙尺寸可以小至每侧150微米或每侧500微米。在一 些实施方案中，较小间隙可能是有利的，因为它们使得轴承能够具有更好的“刚度”-即 在玻璃处于软化状态时使盖玻璃居中并使其变平的能力。在一些实施方案中，该方法 可以例如通过由气体轴承312提供的压力来重新形成盖玻璃片-使其变平-在初始加热 步骤中。在一些实施方案中，顶部和底部热区轴承可以在致动器上，从而允许以连续 方式改变间隙宽度，或者可替代地，当间隙较大时允许将盖玻璃带入热区并且然后压 缩间隙以便在盖玻璃仍然柔软时使所述盖玻璃变平。
过程温度取决于许多因素，包括盖玻璃组合物、盖玻璃厚度、盖玻璃性质(CTE等)以及所期望的增强水平。通常，开始过程温度可以是盖玻璃化转变温度与利特尔顿软 化点之间的任何值，或者在一些实施方案中甚至是更高的。例如，对于SLG，系统300 将盖玻璃片400a加热到约(例如，加或减1％)640℃至约730℃、或约690℃至约 730℃之间的温度。在一些实施方案中，系统300将盖玻璃片400a加热到一定温度： 从约(例如，加或减1％)620℃至约800℃、约640℃至约770℃、约660℃至约 750℃、约680℃至约750℃、约690℃至约740℃或约690℃至约730℃。
将盖玻璃片400a加热到其期望的开始过程温度(例如，高于盖玻璃化转变温度)，并且然后使用任何合适的手段将其从热区310移动到冷区330。在一些实施方案中，将 盖玻璃片400a从热区310移动到冷区330可以通过以下来完成：例如(1)将整个组件倾 斜以使得作用在盖玻璃片上的重力迫使它移动到冷区，(2)阻断来自热区310的最左侧 出口的气流(在本实施方案中封闭侧面)，由此迫使从所有气体轴承发出的所有气体从冷 区的最右边侧出口排出，从而致使将流体力施加在盖玻璃片400a上并致使其移动到冷 区330，或者(3)通过(1)和(2)的组合。
过渡轴承增压室328可以向过渡气体轴承320供应气体。过渡气体轴承320的表 面后方的固体材料厚度可以是较薄的、具有低热质量和/或低导热率，从而允许从热区 310到冷区330的热传导减少。过渡气体轴承320可以用作两个区310和330之间的热 中断或过渡，并且可以用于从热区的较大间隙316向下过渡到冷区330的小间隙336。 此外，过渡气体轴承320的低热质量和/或低导热率限制传热量并且因此限制盖玻璃片 400a在经过过渡气体轴承320时经受的冷却。
一旦盖玻璃片(冷区)400b移动进入冷区330以及进入通道330a中，则通过机械止动块或任何其他合适的阻挡机构(被示为停止门341)阻止其离开右侧出口。一旦消费电 子玻璃或盖玻璃片400b充分冷却以使得中心已经过玻璃化转变(例如，在1mm厚的 SLG的情况下，到低于约490℃，在该实例中对应于表面处的约325℃)，则停止门 341可以移动，从而解锁冷区通道330a，并且然后可以将玻璃片400b从系统300移除。 如果期望的话，盖玻璃片400b可以在移除之前留在冷区330中直到接近室温的某个温 度。
如上所述，在热区310内，盖玻璃片400被加热到高于盖玻璃片的盖玻璃化转变 温度的温度。在图22所示的实施方案中，冷区330包括通道330a，其用于通过开口 330b接收加热的盖玻璃片400b、传送盖玻璃片400b、并且在冷区中冷却盖玻璃片400b。 在一个或多个实施方案中，通道330a包括传送系统，所述传送系统可以包括气体轴承、 辊轮、传送带、或用于物理运输盖玻璃片通过冷区的其他装置。如图22所示，冷区330 包括被增压室338供给的气体轴承332，所述增压室338与热区增压室318和过渡增压 室328分开。
如图22所示，冷区330包括邻近通道330a设置的一个或多个散热器331。在利用 两个散热器的情况下，此类散热器可以设置在通道330a的相对侧上，跨通道间隙330a 彼此面对。在一些实施方案中，散热器包括形成气体轴承332的一部分的多个孔口331a， 并且冷区330的冷气体轴承332的表面用作两个散热器表面。由于通道330a内的较低 空气流速以及通道间隙330a的较小尺寸，因此在冷区330内主要通过从盖玻璃片开始、 跨越间隙以及到固体散热器331中的热传导来冷却盖玻璃片400b，而盖玻璃片400b 不接触散热器表面。
在一些实施方案中，散热器和/或其表面可以被分段。如上所述，在一些实施方案中，散热器可以是多孔的，并且在此类实施方案中，通过其递送用于气体轴承332的 气体的孔口是多孔散热器的孔。多个孔口332b、气体源和通道间隙330a可以流体连通。 在一些实施方案中，气体流动通过孔口331a以便在通道间隙330a中形成气垫、层或 轴承。一些实施方案的气垫防止盖玻璃片400b接触散热器331的表面。气体还用作经 过其的盖玻璃片400b通过传导冷却而不是通过对流冷却的气体。
因为冷却基本上是通过跨间隙的固体到固体导热发生的，所以可能需要解决在对流占主导地位的冷却中不存在的问题。例如，为了钢化大薄片材，(1)可以快速将片材 引入冷区中，任选地以比基于对流的淬火中使用的速度更高的速度，和/或(2)以准连续 模式操作所述过程，其中在连续流中一个接一个地加热和冷却多个片材，其中在所述 片材间的空间很小，并且其中散热器被主动冷却以使得其达到热平衡，从而使得大片 材的前缘和后缘具有相似的热历史。
在一些实施方案中，流过孔口331a的气体冷却散热器。在一些实施方案中，流过孔口的气体有助于从盖玻璃开始、跨过间隙、到散热器中的导热，并且还冷却散热器 331。在一些情况下，可以使用单独的气体或流体来冷却散热器331。例如，散热器331 可以包括用于使冷却流体流过其中以冷却散热器331的通道334，如相对于图23更充 分地描述的。通道334可以被封闭。
在使用两个散热器(即，第一散热器和第二散热器)的情况下，可以使用一个或多个 气体源来向通道间隙330a提供气体。气体源可以包括彼此相同的气体或不同的气体。因此，通道间隙330a可以包括一种气体、来自不同气体源的气体的混合物、或相同的 气体源。示例性气体包括空气、氮气、二氧化碳、氦气或其他惰性气体、氢气及其各 种组合。当气体即将开始传导地冷却盖玻璃片400b之前，气体可以在进入通道330a 时通过其导热率来描述。在一些情况下，气体所具有的导热率可以是约(例如，加或减 ±1％)0.02W/(m·K)或更大、约0.025W/(m·K)或更大、约0.03W/(m·K)或更大、约0.035 W/(m·K)或更大、约0.04W/(m·K)或更大、约0.045W/(m·K)或更大、约0.05W/(m·K) 或更大、约0.06W/(m·K)或更大、约0.07W/(m·K)或更大、约0.09W/(m·K)或更大、 约0.1W/(m·K)或更大、约0.15W/(m·K)或更大、或约0.2W/(m·K)或更大。
本文描述的方法和系统允许高传热速率，如上所讨论的，所述高传热速率即使在非常薄的盖玻璃片内也允许形成增强程度的温差。在使用空气作为气体的情况下，在 盖玻璃片与散热器之间存在间隙，仅通过传导，传热速率可高达350、450、550、650、 750、1000和1200kW/m2或更多的。在使用氦气或氢气的情况下，可以实现5000kW/m2或更多的传热速率。
一个或多个实施方案的散热器331可以是静止的，或者可以是可移动的以修改通道间隙330a的厚度。盖玻璃片400b的厚度的方位可以是通道间隙300a的厚度的约0.4 倍到约0.6倍，所述通道间隙300a的厚度被限定为散热器331的相对表面(例如，在图 22的布置中为散热器331的上表面和下表面)之间的距离。在一些情况下，通道间隙被 配置成具有足够的厚度，使得通过传导而不是通过对流来冷却加热的盖玻璃片。
在一些实施方案中，通道间隙所具有的厚度可以使得当盖玻璃片400b被传送通过通道330a或位于通道330a内时，盖玻璃片400b的主表面与散热器表面之间的距离(例 如，以上讨论的间隙尺寸)是约(例如，加或减1％)100μm或更大(例如，在以下范围内： 约100μm至约200μm、约100μm至约190μm、约100μm至约180μm、约100μm 至约170μm、约100μm至约160μm、约100μm至约150μm、约110μm至约200μm、 约120μm至约200μm、约130μm至约200μm、或约140μm至约200μm)。在一些 实施方案中，通道间隙所具有的厚度可以使得当盖玻璃片400b被传送通过通道时，盖 玻璃片与散热器表面之间的距离(一个或多个间隙336)是约(例如，加或减1％)100μm 或更小(例如，在以下范围内：约10μm至约100μm、约20μm至约100μm、约30μm 至约100μm、约40μm至约100μm、约10μm至约90μm、约10μm至约80μm、约 10μm至约70μm、约10μm至约60μm、或约10μm至约50μm)。通道间隙330a的 总厚度取决于盖玻璃片400b的厚度，但通常可以被表征为散热器表面与盖玻璃片之间 距离的2倍加上盖玻璃片的厚度。在一些实施方案中，盖玻璃片与散热器之间的距离 或间隙336可能不相等。在此类实施方案中，通道间隙330a的总厚度可以被表征为盖 玻璃片与每个散热器表面之间的距离的总和加上盖玻璃片的厚度。
在一些情况下，通道间隙的总厚度可以小于约(例如，加或减1％)2500μm(例如，在以下范围内：约120μm至约2500μm、约150μm至约2500μm、约200μm至约2500 μm、约300μm至约2500μm、约400μm至约2500μm、约500μm至约2500μm、约 600μm至约2500μm、约700μm至约2500μm、约800μm至约2500μm、约900μm 至约2500μm、约1000μm至约2500μm、约120μm至约2250μm、约120μm至约 2000μm、约120μm至约1800μm、约120μm至约1600μm、约120μm至约1500μm、 约120μm至约1400μm、约120μm至约1300μm、约120μm至约1200μm、或者约 120μm至约1000μm)。在一些情况下，通道间隙的总厚度可以是约2500μm或更多(例 如，在以下范围内：约2500μm至约10,000μm、约2500μm至约9,000μm、约2500μm 至约8,000μm、约2500μm至约7,000μm、约2500μm至约6,000μm、约2500μm至 约5,000μm、约约2500μm至约4,000μm、约2750μm至约10,000μm、约3000μm 至约10,000μm、约3500μm至约10,000μm、约4000μm至约10,000μm、约4500μm 至约10,000μm、或约5000μm至约10,000μm)。
散热器331中的孔口331a可以被定位成垂直于散热器表面或者可能以20度或更小的角度定位，诸如与散热器表面的垂线相距约(例如，加或减1％)15度或更小、约 10度或更小、或约5度或更小。
在一些实施方案中，散热器(冷轴承332)表面后方的材料可以是具有高传热速率的 任何合适材料，包括金属(例如，不锈钢、铜、铝)、陶瓷、碳等。如图22所示，与过 渡轴承320的表面后方的材料相比，该材料可以是相对较厚的，使得散热器可以容易 地接受相对大量的热能。在示例性实施方案中，散热器331的材料是不锈钢。
图23是与图22的设备类似的设备的剖视透视截面，尽管从右向左反转，并且还 包括系统300的冷区330旁边的装载/卸载区340，其包括装载/卸载气体轴承342以及 位于其上的盖玻璃片400c。而且，图23的设备在热区310、过渡轴承320和冷区330 中使用紧密的通道间隙(图中未示出)。
图23中的插图示出冷区气体轴承332a的替代性实施方案，其中通过在气体轴承供给孔333之间的冷却剂通道334主动地冷却气体轴承322a，其中供给孔供给轴承322a 的表面中的孔。冷却通道334限定在散热器区段333b之间，所述散热器区段333b被 组装在一起以形成散热器331及其面对盖玻璃片400b的表面。
冷却通道334可以在气体轴承332的固体材料中被定位成非常靠近散热器331的表面，其中在散热器/气体轴承表面与冷却剂通道334的最接近表面边缘之间存在的固 体轴承材料的区域具有与冷却剂通道334的最接近表面边缘相同的宽度。因此，在一 些实施方案中，在冷却剂通道334与面对盖玻璃400b的表面之间的散热器331/气体轴 承332a的固体材料中没有截面减小的区域。这与典型的对流气体冷却设备不同，因为 高气体流速要求在气体喷嘴阵列的中间设置显著的空间以供气流逸出。在使用主动冷 却的情况下，相对于最靠近盖玻璃表面的固体材料，散热器331/气体轴承332a在气体 喷嘴设计的固体材料中具有截面减小的区域。截面减小的区域通常定位在主动冷却流 体与处理中的盖玻璃片之间，以便为从片材返回的大量加热气体提供高体积路径。
图24示出冷区气体轴承332的又另一个替代性实施方案，其与图23的插图的冷 区气体轴承类似。在该实施方案中，在包含气体轴承供给孔333的气体轴承供给构件 335与气体承载面构件337a之间形成冷却剂通道334，这提供面对气体轴承332的表 面的盖玻璃片400b。图25示出又另一个替代性冷区气体轴承332c，其具有与图24的 实施方案类似的结构，但是在轴承板构件337b与盖玻璃片400b之间具有多孔构件339， 使得多孔构件339形成面对盖玻璃片400b的表面。
应当理解的是，在各种实施方案中，可以使用或操作本文关于图16-26描述的盖玻璃增强方法和系统以形成具有本文讨论的任何盖玻璃制品实施方案的特征、特性、尺 寸、物理性质等的任何组合的盖玻璃或玻璃陶瓷制品(诸如盖玻璃片500)。
已经受本文所述的热增强方法的盖玻璃片可以通过经受离子交换来进一步加工以 进一步增强其强度。在一些此类考虑的实施方案中，对如本文所述的热增强盖玻璃的表面进行离子交换可以使上述压应力增加至少20MPa，诸如至少50MPa、诸如至少70MPa、诸如至少80MPa、诸如至少100MPa、诸如至少150MPa、诸如至少200MPa、 诸如至少300MPa、诸如至少400MPa、诸如至少500MPa、诸如至少600Mpa和/或 不大于1GPa。
用于热调节和/或加热盖玻璃片的系统和过程
除了热增强薄盖玻璃片之外，本文所述的方法和系统也可用于附加的热调节过程。 虽然在此具体讨论了冷却，但是所述系统和方法可以用于通过传导方法将热量传递到盖玻璃片中。因此，本公开的过程的附加实施方案，包括通过传导的气体而不是通过 对流来加热。在图26的流程图中示出这种过程或方法700。
方法700包括两个主要步骤。第一步骤(步骤710)包括提供具有至少一个表面的制品(诸如盖玻璃片)。第二步骤(步骤720)包括加热或冷却制品表面的一部分，多达并包 括制品的整个表面。如子部分720a所示，通过传导而不是对流(通过来去热源或散热器 源的气体)来执行步骤720，并且在子部分720b中充分执行步骤720以便完成对制品或 制品表面部分的热调节，并且在子部分720b中对于部分的面积以高传热速率(至少为 450kW/m2)执行步骤720的冷却/加热的传导。
例如，制品可以被热调节-即加热或冷却-通过冷却或加热制品表面的一部分(多达 并包括制品的整个表面(具有面积的部分))，通过传导而不是通过对流，通过来去散热器或热源的气体而不是通过固体到固体的接触来调解所述传导，足以完成制品或制品 表面部分的热调节，并且在加热或冷却的至少一些时间期间以至少450、550、650、750、 800、900、1000、1100、1200、1500、2000、3000、4000或甚至5000或更多kW/平方 米的速率执行传导。
除了钢化之外，由本文讨论的系统和方法提供的高功率传递速率允许所有类型的热处理或调节，包括在钢化期间的加热和冷却、盖玻璃的边缘增强、陶瓷、玻璃或其 他材料的烧制或烧结等。此外，由于主要通过传导来提取或递送热量，因此对已处理 的制品中的热历史和热分布提供严格控制，同时保持表面光滑度和质量。因此，在本 公开的又一个方面中，对已处理的制品中的热历史和热分布提供严格控制，因为主要 通过传导来提取或递送热量，还保持表面光滑度和质量。因此，可以使用本公开的系 统和方法，以便在厚度方向和片材平面所在的方向上通过以下方式来有意地改变来自 增强过程的应力分布：改变间隙、改变散热器/热源材料、改变散热器/热源温度、改变 气体混合物-并且所有这些可以通过在片材移动时沿片材路径的定位、跨片材路径的定 位、或者可能与此同时不仅仅通过定位而变化(对于大多数变量)。
包含增强盖玻璃片的装置、产品和结构
本文所述的增强的盖玻璃或玻璃陶瓷制品和片材在宽广范围的制品、设备、产品、结构等中具有广泛的用途。本文对盖玻璃或玻璃陶瓷的论述也称为消费电子玻璃。根 据本公开的盖玻璃或玻璃陶瓷可在以下项的任何表面上使用：电子设备、移动电话、 便携式媒体播放器、电视机、笔记本电脑、手表、用户可穿戴设备(例如，Fitbit)、相 机镜头、相机显示器、家用电器、平板电脑显示器以及可能需要根据本文所述的性质 和尺寸的表面的任何其他电子设备。
参考图27，建筑体1010(诸如建筑物、房屋、交通工具等)包括呈窗户、壁部分(例如，表面)、分隔件等形式的玻璃或玻璃陶瓷制品1012。在预期的实施方案中，可增强 玻璃或陶瓷制品1012，以使得玻璃或陶瓷制品1012在其表面上或附近具有负张应力， 这由其内部的正张应力进行平衡，如本文所公开的。此外，玻璃或玻璃陶瓷制品1012 可具有一种组合物，其通过具有相对较高的二氧化硅含量(诸如至少70重量％(诸如至 少75重量％)的二氧化硅)，可耐受室外环境中可能存在的化学物质和/或腐蚀。
根据示例性实施方案，玻璃或玻璃陶瓷制品1012具有与其厚度垂直的主表面(大体 参见图4所示的片500)，其中相对于用于其他应用(例如，透镜、电池部件等)的玻璃或玻璃陶瓷制品，主表面具有大面积(例如，至少5cm2、至少9cm2、至少15cm2、至少 50cm2、至少250cm2)。在考虑的实施方案中，当玻璃或玻璃陶瓷制品1012具有如本 文所公开的厚度时，通过玻璃或玻璃陶瓷制品1012的总光透射率针对约300nm至约 800nm的波长为至少约50％(例如，至少65％、至少75％)，所述厚度诸如以下厚度： 小于5cm、小于3cm、小于2cm、小于1.75cm、小于1.5cm、小于1cm、小于5mm、 小于3mm、小于2mm、小于1.75mm、小于1.5mm、小于1mm、小于0.8mm、小 于0.6mm、小于0.5mm、小于0.4mm、小于0.2mm、和/或至少10微米，诸如至少 50微米。
玻璃或玻璃陶瓷制品1012的较薄厚度可以不损害玻璃或玻璃陶瓷制品1012在建筑、汽车或相对于常规制品的其他应用中的功能，因为由本文公开的发明方法提供的 玻璃或玻璃陶瓷制品1012的高水平的强度。薄玻璃或玻璃陶瓷制品1012可能在此类 建筑、汽车、消费电子或其他应用中是特别有用，因为玻璃或玻璃陶瓷制品1012可以 比常规此类制品更轻，从而减小对应整体结构的重量。对于汽车来说，结果可以是更 高的燃料效率。对于建筑物来说，结果可以是更坚固或较不资源密集型的结构。对于 消费者电子产品来说，更轻的装置具有更高的抗冲击性和/或对重复跌落或冲击的恢复 性。在其他设想的实施方案中，本文公开的玻璃或玻璃陶瓷制品可具有较小幅度、较 大厚度的区域，透射较少的光，和/或可以用于不同的应用，例如像关于图27-30公开 的那些应用。
参考图28，表面1110包括玻璃或玻璃陶瓷制品1112，其如本文公开那样制造和/或具有本文讨论的应力分布、结构和/或物理性质的任何组合，并作为工作台面和/或作 为显示器的一部分。在一些实施方案中，通过盖玻璃或玻璃陶瓷制品1012的总透射率 针对约800nm至约1500nm的红外波长为至少约30％(例如，至少50％)，从而便于使 用表面1110作为灶具。在一些实施方案中，盖玻璃或玻璃陶瓷制品1112所具有热膨 胀系数(CTE)是约10x10-7℃-1至约140x10-7℃-1、约20x10-7℃-1至约120x10-7℃-1、约 30x10-7℃-1至约100x10-7℃-1、约40x10-7℃-1至约100x10-7℃-1、约50x10-7℃-1至约 100x10-7℃-1或约60x10-7℃-1至约120x10-7℃-1。在各种实施方案中，所述过程理想地适 用于具有中等至高CTE的玻璃组合物。通过本文描述的方法良好工作的示例性盖玻璃 包括碱性铝硅酸盐，诸如
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玻璃、硼铝硅酸盐和钠钙玻璃。在一些实 施方案中，使用的盖玻璃所具有的CTE大于40、大于50、大于60、大于70、大于80、 或大于90x10-7/℃。如本文所公开的，一些此类CTE对于本文所述的热钢化来说可能 特别低，其中负张应力的程度不大于50MPa和/或至少10MPa。
参见图29，设备1210(例如，手持式计算机、平板电脑、便携式计算机、蜂窝电话、电视机、手表、显示板等)包括一个或多个盖玻璃或玻璃陶瓷制品1212、1214、1216， 其如本文公开那样制造和/或具有如本文公开的任何组合的应力分布、结构和/或物理性 质，并且还包括电子部件1218(例如，显示器、电子显示器、控制器、存储器、微芯片 等)和外壳1220。在实施方案中，电子部件1218和/或电子显示器可包括液晶显示器和 /或至少一个发光二极管(LED)。在实施方案中，电子显示器可以是触敏显示器。在另 一些实施方案中，形成或覆盖电子显示器的基于玻璃的层可包括第一主表面或第二主 表面上的用于用户的触觉反馈的表面特征部。例如，凸起的突出部、脊部、轮廓或凸 起是用于触觉反馈的非限制性示例性表面特征部。在实施方案中，提供了至少部分地 位于外壳1220内的电子部件1218。在实施方案中，提供了完全位于外壳1220内的电 子部件1218。在设想的实施方案中，外壳1220可以是或包括如本文所公开的盖玻璃或 玻璃陶瓷制品。在设想的实施方案中，用于电子部件1218的衬底1222可以是如本文 所公开的盖玻璃或玻璃陶瓷制品。
在一些实施方案中，盖玻璃或玻璃陶瓷制品1212、1214可以用作前板衬底和背板衬底，并且盖玻璃或玻璃陶瓷制品1216可以用作装置1210中的盖玻璃。根据一个示 例性实施方案，装置1210的盖玻璃或玻璃陶瓷制品1216是碱铝硅酸盐玻璃。这种组 合物可以允许通过如本文所公开的热钢化来增强盖玻璃或玻璃陶瓷制品1216，并且可 以通过离子交换来附加地增强，从而在其表面处或附近提供特别高程度的负张应力(例 如，至少200MPa、至少250MPa)。在其他实施方案中，盖玻璃或玻璃陶瓷制品1216 可以包括碳酸钠、氧化钙、碳酸钙镁、二氧化硅(例如，至少70重量％)、氧化铝和/或 其他组分；并且可以通过本文公开的发明方法来增强。玻璃或玻璃陶瓷制品1216可以 是特别薄的或以其他方式构造，诸如具有如本文公开的任何尺寸、性质和/或组成。
在实施方案中，外壳1220可包括前表面、后表面和至少一个侧表面1220。外壳1220可包括一个或多个基于玻璃的层，所述一个或多个基于玻璃的层包括如本文公开 那样制造和/或具有如本文公开的任何组合的应力分布、结构和/或物理性质的盖玻璃或 玻璃陶瓷制品。在实施方案中，基于玻璃的层可以是如本文所公开的盖玻璃或玻璃陶 瓷制品。基于玻璃的层(例如，1212、1214、1216)可形成消费电子产品的任何表面。在 一个或多个实施方案中，基于玻璃的层从至少一个侧表面(例如，1220)穿过外壳前表面 延伸到相对的侧表面。在实施方案中，提供了处于或邻近外壳1220的前表面的基于玻 璃的层。在另一些实施方案中，基于玻璃的层可包括第一主表面或第二主表面上的用 于用户的触觉反馈的表面特征部。例如，凸起的突出部、脊部、轮廓或凸起是用于触 觉反馈的非限制性示例性表面特征部。在实施方案中，基于玻璃的层(例如，1212、1214、 1216)可按1维、2维、2.5维(例如，显示器玻璃的边缘处的曲率)或3维进行成型。
在其他实施方案中，基于玻璃的层(例如，1212、1214、1216)可具有至少一个成斜面的或弯曲的边缘，包括其中基于玻璃的层的整个外周边成斜面或弯曲的实施方案。 在实施方案中，基于玻璃的层的平均厚度可不超过1.5mm，可不超过1.0mm，可不超 过0.7mm，可不超过0.5mm，或者可具有在大约0.5mm至大约1.0mm、或大约0.1mm 至大约1.5mm的范围内的平均厚度、或大约0.5mm至大约0.7mm的平均厚度。在又 一些实施方案中，基于玻璃的层的一个或多个主表面可包括防刮擦层、防反射层和防 眩光层。基于玻璃的层的一个或多个主表面也可包括这些层的任何组合或全部。
盖玻璃或玻璃陶瓷制品可包括玻璃材料，所述玻璃材料基本上光学清晰、透明并且没有光散射。在这些实施方案中，盖玻璃材料可在大约400nm至大约780nm的波 长范围内呈现出大约85％或更大、大约86％或更大、大约87％或更大、大约88％或更 大、大约89％或更大、大约90％或更大、大约91％或更大或者大约92％或更大的平均 透光率。在一个或多个另选实施方案中，玻璃材料可以是不透明的或者在大约400nm 至大约780nm的波长范围内呈现出小于大约10％、小于约9％、小于大约8％、小于大 约7％、小于大约6％、小于大约5％、小于大约4％、小于大约3％、小于大约2％、小 于大约1％或者小于大约0％的平均透光率。在一些实施方案中，这些光反射比和透射 比值可以是总反射比或总透射比(考虑到玻璃材料的两个主表面上的反射比或透射比)。 玻璃材料可任选地呈现出诸如白色、黑色、红色、蓝色、绿色、黄色、橙色等的颜色。
现参见图30，根据本文公开的方法制造的和/或具有如本文公开的任何组合的应力 分布、结构和/或物理性质的盖玻璃或玻璃陶瓷制品1310具有曲率和/或可变横截面尺寸D。此类制品可具有本文公开的厚度，如尺寸D的平均值或尺寸D的最大值。虽然 盖玻璃或玻璃陶瓷制品1310被示为弯曲的片材，但是可以通过本文公开的方法来增强 其他形状，诸如更复杂的形状。在设想的实施方案中，盖玻璃或玻璃陶瓷制品1310可 用作前窗格、后窗格或者消费电子产品的任何表面。
在各种实施方案中，根据本文所公开的方法制造的和/或具有本文所公开的任何组 合的应力分布、结构和/或物理性质的盖玻璃材料可用于形成(诸如在汽车玻璃侧灯中使 用的)至少一片盖玻璃-夹层-玻璃层压材料。可生产强度更大且更薄的层压材料，从而减轻重量和节约成本，并提高燃料效率。理想地，热增强薄片材可以被冷弯(大体参见 图30)并且被层压到形成的较厚玻璃，从而提供简单且可靠的制造过程而不需要薄片材 的任何热成形/成型。
热增强盖玻璃片的玻璃和玻璃陶瓷材料
所讨论的系统和方法可用于热调节、增强和/或钢化各种各样的盖玻璃和/或陶瓷材 料。
本文所述的方法和系统通常可与几乎任何玻璃组合物一起使用，并且一些实施方案可与玻璃层压材料、玻璃陶瓷和/或陶瓷一起使用。在各种实施方案中，所述方法可 与具有高CTE的玻璃组合物一起使用。在实施方案中，通过本文所述的方法和系统增 强的盖玻璃包括碱铝硅酸盐(诸如
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的
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玻璃)、SLG、无钠或无碱玻璃等。 在一些实施方案中，通过本文讨论的方法和系统增强的盖玻璃所具有的CTE大于 40x10-7/℃、大于50x10-7/℃、大于60x10-7/℃、大于70x10-7/℃、大于80x10-7/℃或大于 90x10-7/℃。
在一些应用和实施方案中，通过本文讨论的过程和系统增强的盖玻璃(诸如盖玻璃 片500)可以具有被配置用于化学耐久性的组合物。在一些此类实施方案中，组合物包含按重量计至少70％的二氧化硅、和/或按重量计至少10％的氧化钠、和/或按重量计 至少7％的氧化钙。具有此类组合物的常规制品可能难以被化学钢化至较深的深度，和 /或针对较薄厚度可能难以(如果不是不可能的话)通过常规过程来热钢化到足够大小的 负表面张应力，诸如由于常规过程的脆弱性和力。然而，在考虑的实施方案中，本文 公开的发明方法允许具有这种组合物的增强盖玻璃或玻璃陶瓷制品或片材(诸如盖玻璃 片500)，其中负张应力从第一表面和第二表面(例如，盖玻璃片500的表面510、表面 520)中的至少一个延伸到相应增强盖玻璃或玻璃陶瓷片中并达到一定距离，所述距离是 增强盖玻璃或玻璃陶瓷片的厚度的至少10％，诸如至少厚度的12％、厚度的15％、厚 度的16％、厚度的17％、厚度的18％、厚度的19％、厚度的20％、或厚度的21％。
在一些实施方案中，如本文讨论的那样增强的盖玻璃或玻璃陶瓷片和制品具有在盖玻璃片热增强之前放置在盖玻璃上的一个或多个涂层。本文讨论的方法可用于生产 具有一个或多个涂层的增强盖玻璃片，并且在一些此类实施方案中，在热增强之前将 涂层放置在盖玻璃上并且涂层不受热增强方法的影响。有利地保存在本公开的盖玻璃 片上的具体涂层包括低E涂层、反射涂层、防反射涂层、防指纹涂层、截止滤光片、 热解涂层等。
根据示例性实施方案，本文所讨论的盖玻璃或玻璃陶瓷片或制品(例如图29所示的 装置1210的制品1212、1214)是硼铝硅酸盐玻璃。在一些实施方案中，本文讨论的盖 玻璃或玻璃陶瓷片或制品(例如图29所示的装置1210的制品1212、1214)通常是非碱 性玻璃，但仍具有如本文公开的应力分布和结构。这种组合物以减小玻璃的松弛程度， 从而促进晶体管与其的耦合。在一些实施方案中，本文讨论的盖玻璃片/制品是柔性玻 璃片。在其他实施方案中，本文中讨论的盖玻璃片/制品包含两个或更多个盖玻璃片的 层合物。
在一些考虑的实施方案中，通过本文讨论的过程和系统增强的盖玻璃(诸如盖玻璃 片500)可以包括无定形衬底、晶体衬底或其组合，诸如玻璃陶瓷衬底。通过本文讨论 的过程和系统增强的盖玻璃(诸如盖玻璃片500)可以包括碱性铝硅酸盐玻璃、含碱硼硅 酸盐玻璃、碱性铝磷酸盐玻璃、或碱性铝硼硅酸盐玻璃。在一个或多个实施方案中， 通过本文讨论的过程和系统增强的盖玻璃(诸如盖玻璃片500)在其未经离子交换的部分 中可以包括具有以摩尔百分比(mol％)为单位的成分的盖玻璃，所述成分包括：约(例如， 加或减1％)40mol％至约80mol％范围内的SiO2、约10mol％至约30mol％范围内的 Al2O3、约0mol％至约10mol％范围内的B2O3、约0mol％至约20mol％范围内的R2O、 和/或约0mol％至约15mol％范围内的RO。在一些考虑的实施方案中，组合物可以包 括以下任一者或两者：约0mol％至约5mol％范围内的ZrO2和约0mol％至约15mol％ 范围内的P2O5。在一些考虑的实施方案中，TiO2可能以约0mol％至约2mol％存在。
在一些考虑的实施方案中，用于本文讨论的增强盖玻璃或玻璃陶瓷片或制品的组合物可以用0-2mol％的选自包括以下的组的至少一种澄清剂来配料：Na2SO4、NaCl、 NaF、NaBr、K2SO4、KCl、KF、KBr和SnO2.根据一个或多个实施方案的盖玻璃组合 物还可以包括以下范围内的SnO2：约0至约2mol％、约0至约1mol％、约0.1至约2 mol％、约0.1至约1mol％或约1至约2mol％。在一些实施方案中，本文公开的增强 盖玻璃或玻璃陶瓷片500的盖玻璃组合物可以基本上不含AS2O3和/或Sb2O3。
在考虑的实施方案中，本文讨论的增强盖玻璃或玻璃陶瓷片或制品可以包括通过离子交换方法进一步增强的碱性铝硅酸盐盖玻璃组合物、或碱性铝硼硅酸盐玻璃组合 物。一种示例性盖玻璃组合物包括SiO2、B2O3和Na2O，其中(SiO2+B2O3)≥66mol％和 /或Na2O≥9mol％。在一个实施方案中，盖玻璃组合物包含至少6重量％的氧化铝。在 另一个实施方案中，本文讨论的增强盖玻璃或玻璃陶瓷片或制品可以包括具有一种或 多种碱土金属氧化物的玻璃组合物，使得碱土金属氧化物的含量为至少5重量％。在 一些实施方案中，合适的盖玻璃组合物还包含K2O、MgO和CaO中的至少一种。在一 个具体实施方案中，用于本文讨论的增强盖玻璃或玻璃陶瓷片或制品的盖玻璃组合物 可以包括61-75mol％的SiO2；7-15mol％的Al2O3；0-12mol％的B2O3；9-21mol％的 Na2O；0-4mol％的K2O；0-7mol％的MgO；以及/或0-3mol％的CaO。
适用于本文讨论的增强该玻璃或玻璃陶瓷片或制品的另一个示例性盖玻璃组合物 包括：60-70mol.％的SiO2；6-14mol.％的Al2O3；0-15mol.％的B2O3；0-15mol.％的 Li2O；0-20mol.％的Na2O；0-10mol.％的K2O；0-8mol.％的MgO；0-10mol.％的CaO； 0-5mol.％)ZrO2；0-1mol.％的SnO2；0-1mol.％的CeO2；小于50ppm的AS2O3；以及 小于50ppm的Sb2O3；其中12mol.％≤(Li2O+Na2O+K2O)≤20mol.％和/或0mol.％≤ (MgO+CaO)≤10mol.％。适用于本文讨论的增强盖玻璃或玻璃陶瓷片或制品的另又一 个示例性玻璃组合物包括：63.5-66.5mol.％的SiO2；8-12mol.％的Al2O3；0-3mol.％的 B2O3；0-5mol.％的Li2O；8-18mol.％的Na2O；0-5mol.％的K2O；1-7mol.％的MgO； 0-2.5mol.％的CaO；0-3mol.％)ZrO2；0.05-0.25mol.％的SnO2；0.05-0.5mol.％的CeO2； 小于50ppm的AS2O3；以及小于50ppm的Sb2O3；其中14mol.％≤(Li2O+Na2O+K2O) ≤18mol.％和/或2mol.％≤(MgO+CaO)≤7mol.％。
在特别考虑的实施方案中，适用于本文讨论的增强盖玻璃或玻璃陶瓷片或制品的碱性铝硅酸盐玻璃组合物包含氧化铝、至少一种碱金属，并且在一些实施方案中包括 大于50mol.％的SiO2，在其他实施方案中包括至少58mol.％的SiO2，并且在另外的 实施方案中包括至少60mol.％的SiO2，其中比率(Al2O3+B2O3)/∑修饰剂(即修饰剂之和) 大于1，其中在所述比率中组分以mol％表示并且修饰剂为碱金属氧化物。在具体实施 方案中，这种盖玻璃组合物包括：58-72mol.％的SiO2；9-17mol.％的Al2O3；2-12mol.％ 的B2O3；8-16mol.％的Na2O；和/或0-4mol.％的K2O，其中(Al2O3+B2O3)/∑修饰剂(即 修饰剂总量)的比值大于1。在又一个实施方案中，增强盖玻璃或玻璃陶瓷片500可以 包括碱性铝硅酸盐玻璃组合物，其包括：64-68mol.％的SiO2；12-16mol.％的Na2O； 8-12mol.％的Al2O3；0-3mol.％的B2O3；2-5mol.％的K2O；4-6mol.％的MgO；and 0-5 mol.％的CaO，其中66mol.％≤SiO2+B2O3+CaO≤69mol.％；Na2O+K2O+B2O3+ MgO+CaO+SrO>10mol.％；5mol.％≤MgO+CaO+SrO≤8mol.％；(Na2O+B2O3)- Al2O3≤2mol.％；2mol.％≤Na2O-Al2O3≤6mol.％；并且4mol.％≤(Na2O+K2O)- Al2O3≤10mol.％。在替代性实施方案中，本文讨论的增强盖玻璃或玻璃陶瓷片或制品 可以包括碱性铝硅酸盐玻璃组合物，其包括：2mol％或更多的Al2O3和/或ZrO2、或者4mol％或更多的Al2O3和/或ZrO2。
在考虑的实施方案中，用于本文讨论的增强盖玻璃或玻璃陶瓷片或制品的合适玻璃陶瓷的实例可以包括Li2O-Al2O3-SiO2系统(即LAS系统)玻璃陶瓷、MgO-Al2O3-SiO2系统(即MAS系统)玻璃陶瓷、和/或包含主导晶相的玻璃陶瓷，所述主导晶相包括P- 石英固溶体、P-锂辉石ss、堇青石和焦硅酸锂。本文讨论的增强盖玻璃或玻璃陶瓷片 或制品的特征可在于其形成方式。例如，本文讨论的增强盖玻璃或玻璃陶瓷片或制品 可表征为可浮法成形的(即，通过浮法玻璃生产过程形成的)、可向下拉制的、并且特别 地，可熔融成形的、或可拉槽的(即，通过诸如熔融拉制过程或狭槽拉制过程的向下过 程来形成)。
浮法成形的增强盖玻璃或玻璃陶瓷片或制品的特征可在于光滑表面和一致厚度，并且通过将熔融盖玻璃浮法放置在熔融金属(通常为锡)床上而制成。在示例性过程中， 供给到熔融锡床表面上的熔融盖玻璃或玻璃陶瓷形成浮法玻璃或玻璃陶瓷带。当盖玻 璃带沿着锡槽流动时，温度逐渐下降，直到盖玻璃或玻璃陶瓷带固化成可从锡提升到 滚筒上的固体盖玻璃或玻璃陶瓷制品。一旦离开锡槽，盖玻璃或玻璃陶瓷制品可以被 进一步冷却和退火以减小内部应力。在盖玻璃或玻璃陶瓷制品是玻璃陶瓷的情况下， 通过浮法玻璃生产过程形成的盖玻璃制品可以经受陶瓷化过程，通过所述陶瓷化过程 产生一种或多种晶相。
向下拉制过程生产具有相对原始表面的一致厚度的盖玻璃或玻璃陶瓷制品。因为盖玻璃或玻璃陶瓷制品的平均弯曲强度受表面缺陷的量和尺寸控制，所以具有最小接 触的原始表面具有更高的初始强度。当这种高强度盖玻璃或玻璃陶瓷制品然后被进一 步增强(例如化学地)时，所得强度可以高于具有已研磨和抛光表面的盖玻璃或玻璃陶瓷 制品的强度。向下拉制的盖玻璃或玻璃陶瓷制品可被拉制成小于约2mm的厚度。此外， 向下拉制的盖玻璃或玻璃陶瓷制品具有非常平坦、光滑的表面，所述表面可用于其最 终应用而无需昂贵的研磨和抛光。在盖玻璃或玻璃陶瓷制品是玻璃陶瓷的情况下，通 过向下拉制过程形成的盖玻璃或玻璃陶瓷制品可以经受陶瓷化过程，通过所述陶瓷化 过程产生一种或多种晶相。
例如，熔合拉制过程使用具有用于接收熔融玻璃原料的通道的拉制槽。在通道两侧上，通道的堰沿着通道长度在顶部开放。当通道充满熔融材料时，熔融玻璃溢出堰。 由于重力作用，熔融玻璃沿着拉制槽的外表面流下作为两个流动的玻璃膜。拉制槽的 这些外表面向下和向内延伸，使得它们在拉制槽下方的边缘处结合。两个流动的玻璃 膜在这个边缘处结合以形成单个流动的盖玻璃制品。融合拉制方法的优点在于，因为 在通道上流动的两个盖玻璃膜熔合在一起，所以所得到的盖玻璃制品的外表面都不与 设备的任何部分接触。因此，熔融拉制的盖玻璃制品的表面性质不受这种接触的影响。 在盖玻璃或玻璃陶瓷制品是玻璃陶瓷的情况下，通过熔融方法形成的盖玻璃或玻璃陶 瓷制品可以经受陶瓷化方法，通过所述陶瓷化方法产生一种或多种晶相。
狭槽拉制过程与熔融拉制方法不同。在狭槽拉制过程中，将熔融原料玻璃提供给拉制槽。拉制槽的底部具有开放槽以及沿着槽长度延伸的喷嘴。熔融玻璃流动通过狭 槽/喷嘴并且作为连续盖玻璃制品向下拉制并进入退火区域。在盖玻璃或玻璃陶瓷制品 是玻璃陶瓷的情况下，通过狭槽拉制方法形成的盖玻璃制品可以经受陶瓷化方法，通 过所述陶瓷化方法产生一种或多种晶相。
在一些实施方案中，盖玻璃制品可以使用如美国专利号8,713,972、美国专利号9,003,835、美国专利公开号2015/0027169和美国专利公开号20050099618中所述的薄 轧制方法形成，所述专利申请的内容通过引用整体并入本文。更具体地说，盖玻璃或 玻璃陶瓷制品可以通过以下方式形成：供应熔融玻璃的垂直流；用一对成形辊对所供 应的熔融玻璃或玻璃陶瓷流进行成形，所述辊保持在约500℃或更高、或者约600℃ 或更高的表面温度，以形成具有所形成的厚度的成形盖玻璃带；用一对定尺寸辊对所 形成的玻璃带进行定尺寸，所述辊保持在约400℃或更低的表面温度，以生产具有小 于所形成的厚度的期望厚度以及期望厚度一致性的已定尺寸的玻璃带。用于形成盖玻 璃带的设备可以包括：用于供应熔融玻璃的供给流的玻璃供给装置；保持在约500℃ 或更高的表面温度的一对成形辊，所述成形辊彼此紧密相邻地间隔开，从而限定成形 辊之间的玻璃成形间隙，其中所述玻璃成形间隙垂直定位在玻璃供给装置的下方以用 于接收熔融玻璃的供应流，并且在成形辊之间使熔融玻璃的供应流变薄以形成具有形 成的厚度的成形玻璃带；以及保持在约400℃或更低的表面温度的一对定尺寸辊，所 述定尺寸辊彼此紧密相邻地间隔开，从而在定尺寸辊之间限定盖玻璃定尺寸间隙，其 中玻璃定尺寸间隙垂直定位在成形辊的下方以用于接收成形盖玻璃带并使成形盖玻璃 带变薄，以便产生具有期望厚度和期望厚度一致性的已定尺寸的盖玻璃带。
在一些情况下，当玻璃的粘度不允许使用熔融或狭槽拉制方法时，可以使用薄轧制过程。例如，当玻璃表现出小于100kP的液相线粘度时，可以利用薄轧制来形成盖 玻璃或玻璃陶瓷制品。盖玻璃或玻璃陶瓷制品可以被酸抛光或以其他方式处理以便移 除或减少表面缺陷的影响。
在考虑的实施方案中，本文讨论的盖玻璃或玻璃陶瓷片或制品所具有的组合物随侧表面而不同。在盖玻璃或玻璃陶瓷片500的一侧上，示例性组合物是：69-75重量％ 的SiO2、0-1.5重量％的Al2O3、8-12重量％的CaO、0-0.1重量％的Cl、0-500ppm的 Fe、0-500ppm的K、0.0-4.5重量％的MgO、12-15重量％的Na2O、0-0.5重量％的SO3、 0-0.5重量％的SnO2、0-0.1重量％的SrO、0-0.1重量％的TiO2、0-0.1重量％的ZnO、 和/或0-0.1重量％的ZrO2。在本文讨论的盖玻璃或玻璃陶瓷片或制品的另一侧上，示 例性组合物是：73.16重量％的SiO2、0.076重量％的Al2O3、9.91重量％的CaO、0.014 重量％的Cl、0.1重量％的Fe2O3、0.029重量％的K2O、2.792重量％的MgO、13.054 重量％的Na2O、0.174重量％的SO3、0.001重量％的SnO2、0.01重量％的SrO、0.01 重量％的TiO2、0.002重量％的ZnO、和/或0.005重量％的ZrO2。
在其他考虑的实施方案中，本文讨论的盖玻璃或玻璃陶瓷片或制品的组合物包括： 55-85重量％的SiO2、0-30重量％的Al2O3、0-20重量％的B2O3、0-25重量％的Na2O、 0-20重量％的CaO、0-20重量％的K2O、0-15重量％的MgO、5-20重量％的BaO、 0.002-0.06重量％的Fe2O3、和/或0.0001-0.06重量％的Cr2O3。在其他考虑的实施方案 中，本文讨论的玻璃或玻璃陶瓷片或制品的组合物包括60-72mol％的SiO2、3.4-8mol％ 的Al2O3、13-16mol％的Na2O、0-1mol％的K2O、3.3-6mol％的MgO、0-0.2mol％的 TiO2、0.01-0.15mol％的Fe2O3、6.5-9mol％的CaO、和/或0.02-0.4mol％的SO3。
实施例
设备设置-如以上详细描述的，所述设备包括三个区-热区、过渡区和冷区或淬火区。 将热区和淬火区的顶部和底部热轴承(散热器)之间的间隙被设置期望的间距。设置热区、过渡区和淬火区的气体流速以确保玻璃材料、片材或部分在空气轴承上居中。将 热区预加热到期望的T0，玻璃制品随后将从该T0开始淬火。为了确保均匀的加热，在 单独的预热装置(诸如间歇炉或连续炉)中预热盖玻璃制品。通常，盖玻璃片在装载到热 区之前被预热超过5分钟。对于钠钙玻璃，在450℃左右进行预热。在预热阶段之后， 将玻璃制品装载到热区并允许其平衡，其中平衡是玻璃在T0下均匀的地方。T0可以通 过所期望的增强/钢化程度来确定，但通常保持在软化点与玻璃化转变温度之间的范围 内。达到平衡的时间至少取决于盖玻璃的厚度。例如，对于约1.1mm或更小的盖玻璃 片，在约10秒内发生平衡。对于3mm的盖玻璃片，在约10秒至30秒内发生平衡。 对于较厚片材(高达约6mm)，平衡时间可能在60秒左右。一旦盖玻璃已经平衡到T0， 它就迅速通过空气轴承上的过渡区转移并进入冷区或淬火区。盖玻璃制品在淬火区中 快速淬火至低于玻璃化转变温度Tg的温度。取决于期望的淬火程度和/或在移除时的 期望盖玻璃温度，盖玻璃片可以在淬火区中保持1秒、10秒或几分钟或更长的任何时 间段。在移除之后，任选地允许在处理之前冷却盖玻璃。
表VI总结了以下实施例。
实施例1-将厚度为5.7mm的钠钙硅酸盐玻璃片(例如，包括至少70重量％的二氧化硅、和/或至少10重量％的氧化钠、和/或至少7重量％的氧化钙)在450℃下预热 10分钟，之后将其转移到热区，在所述热区中将所述玻璃片在690℃的T0下保持60 秒。在平衡到T0之后，将所述玻璃片迅速转移到充满氦气的间隙为91μm(其中间隙是 玻璃片表面图最近散热器之间的距离)的淬火区，在所述淬火区中将所述玻璃片保持10 秒。所得制品表面压缩为-312MPa，中心张力为127MPa，并且平坦度为83μm。
实施例2-将厚度为5.7mm的钠钙硅酸盐玻璃片在450℃下预热10分钟，然后将 其转移到热区，在所述热区中将所述玻璃片在690℃的T0下保持60秒。在平衡之后， 将所述玻璃片迅速转移到间隙为91μm的淬火区，在所述淬火区中将其保持10秒钟。 所得制品表面压缩为-317MPa，中心张力为133MPa，并且平坦度为约89.7μm。
实施例3-将厚度为1.1mm的钠钙硅酸盐玻璃片在450℃下预热10分钟，然后将 其转移到热区，在所述热区中将所述玻璃片在700℃的T0下保持10秒。在平衡之后， 将所述玻璃片迅速转移到充满氦气的间隙为56μm的淬火区，在所述淬火区中将其保 持10秒钟。所得制品的表面的假想温度被测量为661℃，表面压缩为-176MPa，中心 张力为89MPa，平坦度为190μm，并且维氏开裂阈值为10-20N。
实施例4-将厚度为0.55mm的钠钙硅酸盐玻璃片在450℃下预热10分钟，然后 将其转移到热区，在所述热区中将所述玻璃片在720℃的T0下保持10秒。在平衡之后， 将所述玻璃片迅速转移到间隙为25μm的淬火区，在所述淬火区中将其保持10秒钟， 从而导致有效传热速率为0.184cal/(cm2-s-℃)。所得制品表面压缩为-176MPa，并且中 心张力为63MPa。此外，所得增强制品所具有的平坦度为约168微米(对于最初温度 710℃的样品)和125微米(对于最初温度720℃的样品)。
实施例5-将厚度为1.5mm的
Figure BDA0003191876660000541
玻璃片在550℃下预热10分钟，然后将其转移到热区，在所述热区中将所述玻璃片在790℃的T0下保持30秒。在平衡 之后，将所述玻璃片迅速转移到间隙为226μm的淬火区，在所述淬火区中将其保持10 秒钟。玻璃制品的平坦性的改进被测量为113μm(处理之前)和58μm(处理之后)。
实施例6-将厚度为0.7mm的钠钙硅酸盐玻璃片在450℃下预热10分钟，然后将 其转移到热区，在所述热区中将所述玻璃片在730℃的T0下保持10秒。在平衡之后， 将所述玻璃片迅速转移到充满氦气的间隙为31μm的淬火区，在所述淬火区中将其保 持10秒钟，从而导致有效传热速率为0.149cal/(cm2-s-℃)。所得制品表面压缩为-206 MPa，中心张力为100MPa，并且平坦度为82μm。在断裂时，观察到玻璃片“切块”(对 于厚度为2mm或更大的片材切块使用的标准术语-即5x5平方厘米的玻璃片破裂成40 片或更多片)，这表明片材是完全钢化的。
实施例7-将厚度为3.3mm的Borofloat-33玻璃片在550℃下预热10分钟，然后 将其转移到热区，在所述热区中将所述玻璃片在800℃的T0下保持30秒。在平衡之后， 将所述玻璃片迅速转移到间隙为119μm的淬火区，在所述淬火区中将其保持10秒钟。 所得制品的平坦度为120μm。当该部分断裂时，观察到“切块”(对于厚度为2mm或更 大的片材切块使用的标准术语-即5x5平方厘米的玻璃片破裂成40片或更多片)，这表 明片材是完全钢化的。
实施例8-将厚度为3.2mm的钠钙硅酸盐玻璃片在450℃下预热10分钟，然后将 其转移到热区，在所述热区中将所述玻璃片在690℃的T0下保持30秒。在平衡之后， 将所述玻璃片迅速转移到间隙为84μm的淬火区，在所述淬火区中将其保持10秒钟。 所得制品表面压缩为-218MPa，中心张力为105MPa，并且平坦度为84μm。
实施例9-将厚度为0.3mm的钠钙硅酸盐玻璃片在450℃下预热10分钟，然后将 其转移到热区，在所述热区中将所述玻璃片在630℃的T0下保持10秒。在平衡之后， 将所述玻璃片迅速转移到间隙为159μm的淬火区，在所述淬火区中将其保持10秒钟。 所得制品具有可通过灰场偏振测定法观察到的膜应力，这表明玻璃已经结合了热应力。
实施例10-将厚度为0.1mm的
Figure BDA0003191876660000551
玻璃片在550℃下预热10分钟，然后将其转移到热区，在所述热区中将所述玻璃片在820℃的T0下保持10秒。在 平衡之后，将所述玻璃片迅速转移到间隙为141μm的淬火区，在所述淬火区中将其保 持10秒钟，从而导致有效传热速率为0.033cal/(cm2-s-℃)。在断裂时，所得制品显示 出与残余应力玻璃一致的行为。
实施例11-将厚度为1.1mm的钠钙硅酸盐玻璃片在450℃下预热10分钟，然后 将其转移到热区，在所述热区中将所述玻璃片在700℃的T0下保持10秒。在平衡之后， 将所述玻璃片迅速转移到间隙为65μm的淬火区，在所述淬火区中将其保持10秒钟， 从而导致有效传热速率为0.07cal/(cm-s-℃)。所得制品的表面的假想温度被测量为 657℃，表面压缩为-201MPa，中心张力为98MPa，平坦度为158μm，并且维氏开裂 阈值为10-20N。
实施例12-将厚度为1.1mm的
Figure BDA0003191876660000552
玻璃片在550℃下预热10分钟，然后将其转移到热区，在所述热区中将所述玻璃片在810℃的T0下保持10秒。在 平衡之后，将所述玻璃片迅速转移到间隙为86μm的淬火区，在所述淬火区中将其保 持10秒钟，从而导致有效传热速率为0.058cal/(cm2-s-℃)。所得制品的表面的假想温 度被测量为711℃，表面压缩为-201MPa，中心张力为67MPa，并且维氏开裂阈值为 20-30N。
实施例13-将厚度为1.1mm的
Figure BDA0003191876660000553
玻璃片在550℃下预热10分钟，然后将其转移到热区，在所述热区中将所述玻璃片在800℃的T0下保持10秒。在平衡 之后，将所述玻璃片迅速转移到间隙为91μm的淬火区，在所述淬火区中将其保持10 秒钟。所得制品的表面的假想温度被测量为747℃，表面压缩为-138MPa，中心张力为 53MPa，平坦度为66μm，并且维氏开裂阈值为20-30N。
表VI
Figure BDA0003191876660000561
附加的实施例-用氦气和约90微米的间隙204a、204b(图21)处理厚度为5.7mm的玻璃片(包括至少70重量％的二氧化硅和/或至少10重量％的氧化钠和/或至少7重量％ 的氧化钙)。将玻璃加热至约690℃的初始温度并快速冷却。所得的增强制品在其表面 上具有约300MPa的负张应力并且在中心具有约121MPa的正张应力。而且，所得的 增强制品的平坦度约为106.9微米。
附加的实施例-在使用本文公开的发明技术的一个实验中，用氦气和约160微米的间隙204a、204b(图21)处理厚度为1.1mm的玻璃片(包括至少70重量％的二氧化硅和 /或至少10重量％的氧化钠和/或至少7重量％的氧化钙)。将玻璃加热至约680℃的初 始温度并快速冷却。所得的增强制品在其表面上具有约112MPa的负张应力并且在中心具 有约54MPa的正张应力。在增强之前，玻璃片具有约96微米的平坦度，但是所得到的增 强制品具有约60微米的平坦度。因此，增强方法也使增强的玻璃或玻璃陶瓷制品变平。
通过阅读整个说明书和所附权利要求书，其他方面和优点将显而易见。
如各个示例性实施方案中所示的，盖玻璃和玻璃陶瓷的构造和布置仅是说明性的。尽 管在本公开中仅详细描述了一些实施方案，但是在未实质背离本文所述主题的新颖传授内 容和优点的情况下许多修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状以及比例、 参数的值、安装安排、材料的使用、颜色、取向的变化)。示出为一体成形的一些元件可以 由多个零件或元件构成，元件的位置可以是相反的或其他方式变化的，并且分离元件或位 置的特性或数量也可以改变或变化。根据替代性实施方案，任何方法、逻辑算法或方 法步骤的顺序或序列可以被改变或重新排序。在各个示例性实施方案的设计、操作状况、和布置中还可以进行其他替换、修改、改变以及省略，而不偏离本发明技术的范围。

Claims (27)

1.一种基于玻璃的层，其包括与第二主表面相对的第一主表面，其中其间定位有内部区域；
其中所述基于玻璃的层的所述第一主表面与所述第二主表面之间的平均厚度小于2mm；
其中所述基于玻璃的层的所述第一主表面和所述第二主表面的至少一部分的离子含量和化学成分与所述基于玻璃的层的所述内部区域的至少一部分的离子含量和化学成分相同；
其中所述基于玻璃的层的所述第一主表面和所述第二主表面处于大于150Mpa的压应力下，并且所述基于玻璃的层的所述内部区域处于张应力下；
其中所述基于玻璃的层的所述第一主表面的表面粗糙度介于0.2与1.5nm Ra粗糙度之间，
其中所述基于玻璃的层包括以毫米表示的厚度t；
其中所述基于玻璃的层包括玻璃，所述玻璃具有以1/℃表示的低温线性CTEαS CTE、以1/℃表示的高温线性CTEαL CTE、以GPa表示的弹性模量E、以℃为单位表示的应变温度T应变和以℃为单位表示的软化温度T软化；
其中所述基于玻璃的层的所述第一主表面具有某一热致表面压应力，所述热致表面压应力小于600MPa并且大于
Figure FDA0003838417190000011
以MPa为单位；
其中P1由以下式子给出
Figure FDA0003838417190000012
P2由以下式子给出
Figure FDA0003838417190000013
并且h大于或等于0.020cal/s·cm2·℃。
2.如权利要求1所述的基于玻璃的层，其中所述基于玻璃的层内的应力取决于相对于所述第一主表面和所述第二主表面的位置而变化，其中所述基于玻璃的层内的所述应力在小于500μm的所述基于玻璃的层的所述厚度的距离上具有至少200MPa的斜率。
3.如权利要求1所述的基于玻璃的层，其中所述基于玻璃的层的所述第二主表面的表面粗糙度介于0.2与1.5nm Ra粗糙度之间。
4.如权利要求1所述的基于玻璃的层，其中沿着所述第一主表面和所述第二主表面的50mm的轮廓，所述基于玻璃的层的所述第一主表面和所述第二主表面在至少50μm的总指示跳动的程度上是平坦的。
5.如权利要求1所述的基于玻璃的层，其中所述基于玻璃的层的所述第一主表面和所述第二主表面的面积为至少2500mm2。
6.如权利要求1所述的基于玻璃的层，其中所述基于玻璃的层还包括所述第一主表面或所述第二主表面上的用于触觉反馈的表面特征部。
7.如权利要求1所述的基于玻璃的层，其中所述基于玻璃的层的所述平均厚度为0.1mm至1.5mm。
8.如权利要求1所述的基于玻璃的层，其中所述基于玻璃的层还包括受压区高度，所述受压区高度>17％的所述第一主表面与所述第二主表面之间的距离。
9.如权利要求1所述的基于玻璃的层，其中所述玻璃是钠钙玻璃、碱铝硅酸盐玻璃、含碱硼硅酸盐玻璃、碱铝磷硅酸盐玻璃或碱铝硼硅酸盐玻璃。
10.如权利要求1所述的基于玻璃的层，其中所述基于玻璃的层的所述第一主表面或所述第二主表面还包括防刮擦层、防反射层和防眩光层中的至少一个。
11.一种基于玻璃的层，
其中所述基于玻璃的层包括以毫米表示的厚度t、以毫米表示的长度l和以毫米表示的宽度w，其中t小于l并且小于w；
其中所述基于玻璃的层包括第一主表面和由所述厚度t分开的第二主表面，沿着所述基于玻璃的层的所述第一主表面的任何50mm或更小的轮廓，所述基于玻璃的层的所述第一主表面在100μm的总指示跳动(TIR)的程度上是平坦的；
其中所述基于玻璃的层包括玻璃，所述玻璃具有以1/℃表示的低温线性CTEαS CTE、以1/℃表示的高温线性CTEαL CTE、以GPa表示的弹性模量E、以℃为单位表示的应变温度T应变和以℃为单位表示的软化温度T软化；
其中所述基于玻璃的层的所述第一主表面具有某一热致表面压应力，所述热致表面压应力小于600MPa并且大于
Figure FDA0003838417190000031
以MPa为单位；
其中P1由以下式子给出
Figure FDA0003838417190000032
P2由以下式子给出
Figure FDA0003838417190000033
并且h大于或等于0.020cal/s·cm2·℃。
12.如权利要求11所述的基于玻璃的层，其中沿着所述基于玻璃的层的所述第一主表面和所述第二主表面的50mm的轮廓，所述基于玻璃的层的所述第一主表面和所述第二主表面在至少50μm的总指示跳动的程度上是平坦的。
13.如权利要求11所述的基于玻璃的层，其中所述基于玻璃的层的所述第一主表面或所述第二主表面还包括防刮擦层、防反射层和防眩光层中的至少一个。
14.如权利要求11所述的基于玻璃的层，其中所述基于玻璃的层具有至少一个成斜面的边缘。
15.如权利要求11所述的基于玻璃的层，其中所述基于玻璃的层的所述第一主表面或所述第二主表面的表面粗糙度介于0.2与1.5nm Ra粗糙度之间。
16.如权利要求11所述的基于玻璃的层，其中所述基于玻璃的层的所述第一主表面和所述第二主表面的面积为至少2500mm2。
17.如权利要求11所述的基于玻璃的层，其中所述基于玻璃的层在400nm与780nm之间是透射的。
18.如权利要求11-17中任一项所述的基于玻璃的层，其中所述玻璃是钠钙玻璃、碱铝硅酸盐玻璃、含碱硼硅酸盐玻璃、碱铝磷硅酸盐玻璃或碱铝硼硅酸盐玻璃。
19.一种基于玻璃的层，其包括与第二主表面相对的第一主表面，其中其间定位有内部区域；
沿着所述基于玻璃的层的所述第一主表面的任何50mm或更小的轮廓，所述基于玻璃的层在100μm的总指示跳动(TIR)的程度上是平坦的；
所述基于玻璃的层包括玻璃材料，所述玻璃材料具有以℃为单位表示的软化温度T软化和以℃为单位表示的退火温度T退火和在所述基于玻璃的层的所述第一主表面上测量的在以℃为单位表示时由Tfs表示的表面假想温度；
所述基于玻璃的层具有由(Tfs-T退火)/(T软化-T退火)给出的无量纲表面假想温度参数θs；
其中所述参数θs在0.20至0.9的范围内，
其中所述基于玻璃的层包括以毫米表示的厚度t；
其中所述玻璃材料具有以1/℃表示的低温线性CTEαS CTE、以1/℃表示的高温线性CTEαL CTE、以GPa表示的弹性模量E、以℃为单位表示的应变温度T应变和以℃为单位表示的软化温度T软化；
其中所述基于玻璃的层的所述第一主表面具有某一热致表面压应力，所述热致表面压应力小于600MPa并且大于
Figure FDA0003838417190000041
以MPa为单位；
其中P1由以下式子给出
Figure FDA0003838417190000042
P2由以下式子给出
Figure FDA0003838417190000043
并且h大于或等于0.020cal/s·cm2·℃。
20.如权利要求19所述的基于玻璃的层，其中所述基于玻璃的层的所述第一主表面和所述第二主表面的面积为至少2500mm2。
21.如权利要求19所述的基于玻璃的层，其中在所述基于玻璃的层的所述第一主表面上测量的所述表面假想温度比所述玻璃的玻璃化转变温度高至少50℃。
22.如权利要求19所述的基于玻璃的层，其中在基于玻璃的层的所述第一主表面上测量的所述表面假想温度比所述玻璃的玻璃化转变温度高至少75℃。
23.如权利要求19所述的基于玻璃的层，其中所述基于玻璃的层还包括所述第一主表面或所述第二主表面上的用于触觉反馈的表面特征部。
24.如权利要求19所述的基于玻璃的层，其中所述基于玻璃的层的平均厚度为0.1mm至1.5mm。
25.如权利要求19所述的基于玻璃的层，其中所述基于玻璃的层还包括受压区高度，所述受压区高度>17％的所述第一主表面与所述第二主表面之间的距离。
26.如权利要求19所述的基于玻璃的层，其中所述玻璃是钠钙玻璃、碱铝硅酸盐玻璃、含碱硼硅酸盐玻璃、碱铝磷硅酸盐玻璃或碱铝硼硅酸盐玻璃。
27.如权利要求19所述的基于玻璃的层，其中所述基于玻璃的层包括至少一个成斜面的边缘。
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