CN115140955A - 具备增强的抗分层可靠性的具有塑料框架的玻璃制品 - Google Patents
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Abstract
本公开内容的实施方式涉及一种玻璃制品。所述玻璃制品包括具有第一主表面和第二主表面的玻璃片材。第二主表面与第一主表面相对。玻璃制品还包括由塑料材料制成的框架。塑料材料具有以ppm/℃为单位的热膨胀系数(α)。玻璃制品进一步包括将玻璃片材的第二主表面粘合至框架的粘合剂。粘合剂具有以MPa为单位的剪切模量(G)。选择框架的塑料材料和粘合剂以使得G≤500,000α‑3。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2021年3月31日提交的美国临时申请号No.63/168,450的优先权的权益,通过引用将其内容作为整体结合在此。
技术领域
本公开内容涉及一种具有塑料框架的玻璃制品,更具体地,涉及一种其中选择粘合剂层和塑料框架以提供与等效金属框架相同水平的机械可靠性的玻璃制品。
背景技术
车辆内饰包括装饰表面并且可以在这些表面中结合有显示器。用于形成显示表面的材料通常限于聚合物,它们不表现出玻璃的耐久性和光学性能。因此,玻璃片材是被期望的,特别是当用作显示器的罩盖时。形成这种玻璃制品的现有方法包括将玻璃片材粘合到金属框架上,这提供了增强的机械可靠性。然而,这种金属框架在材料价格和制造方面成本更高。此外,金属框架比其他非金属材料(诸如塑料)更重。
发明内容
根据一方面,本公开内容的实施方式涉及一种玻璃制品。所述玻璃制品包括具有第一主表面和第二主表面的玻璃片材。第二主表面与第一主表面相对。玻璃制品还包括由塑料材料制成的框架。塑料材料具有以ppm/℃为单位的热膨胀系数(α)。玻璃制品进一步包括将玻璃片材的第二主表面粘合至框架的粘合剂。粘合剂具有以MPa为单位的剪切模量(G)。在一个或多个实施方式中,选择框架的塑料材料和粘合剂以使得G≤Aα-3,并且其中A的单位为(MPa)(ppm/℃)+3并且等于500,000。
根据另一方面,本公开内容的实施方式涉及一种制备玻璃制品的方法。在该方法中,使用粘合剂将玻璃片材粘附至框架。玻璃片材具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面。框架由具有以ppm/℃为单位的热膨胀系数(α)的塑料材料制成,并且粘合剂具有以MPa为单位的剪切模量(G)。在一个或多个实施方式中,选择框架的塑料材料和粘合剂以使得G≤Aα-3,并且其中A的单位为(MPa)(ppm/℃)+3并且等于500,000。
根据又一方面,本公开内容的实施方式涉及一种车辆内饰部件。所述车辆内饰部件包括具有第一主表面和第二主表面的玻璃片材。第二主表面与第一主表面相对。在第一主表面和第二主表面之间限定玻璃厚度(tg)。玻璃片材由具有玻璃弹性模量(Eg)和玻璃热膨胀系数(αg)的玻璃材料制成。所述车辆内饰部件还包括由塑料材料制成并且具有塑料厚度(tp)的框架。塑料材料具有塑料弹性模量(Ep)和塑料热膨胀系数(αp)。粘合剂将玻璃片材的第二主表面粘合至框架,并且粘合剂具有剪切模量(G)。选择框架的塑料材料、粘合剂和玻璃片材的玻璃材料,以使得
其他特征和优点将在下面的详细描述中阐述,并且对于本领域技术人员而言,这些特征和优点通过所述描述是显而易见的,或者通过实践如本文所述的包括后面的详细描述、权利要求书以及附图在内的实施方式而认识到。
应当理解,前面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的,并且旨在提供概述或纲要以理解权利要求的性质和特征。
附图说明
附图被包括以提供进一步的理解,并且附图被并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图图示了一个或多个实施方式,并且与说明书一起用于解释各个实施方式的原理和操作。在附图中:
图1是根据示例性实施方式的具有车辆内饰系统的车辆内饰的透视图;
图2A和图2B分别描绘了根据示例性实施方式的具有塑料框架的V形玻璃制品和具有塑料框架的C形玻璃制品;
图3描绘了根据示例性实施方式的玻璃制品和加工卡盘的分解透视图;
图4示意性地描绘了根据示例性实施方式的具有与参考金属框架等效的可靠性的塑料框架的设计空间;
图5描绘了根据示例性实施方式的基于参考金属框架的塑料框架的设计空间的示例实施方式;
图6描绘了根据示例性实施方式,与参考金属框架机械等效的塑料框架的实施方式的粘合剂剪切模量和热膨胀系数的曲线图,该曲线图与将塑料框架的热膨胀系数与剪切模量相关联的幂律曲线拟合;
图7描绘了根据示例性实施方式,基于等效金属框架的厚度,将塑料框架的热膨胀系数与塑料框架的厚度相关联的曲线图;
图8描绘了根据示例性实施方式,基于等效金属框架的刚度,将塑料框架的热膨胀系数与塑料框架的厚度相关联的曲线图;和
图9描绘了根据示例性实施方式的玻璃片材的几何尺寸。
具体实施方式
现在将详细参考用于车辆内饰系统的具有塑料框架的玻璃制品的各个实施方式,其示例在附图中示出。如以下将更详细描述的,玻璃制品包括粘附至框架的玻璃片材。为了降低这种玻璃制品的材料和制造成本,期望由塑料材料形成框架。然而,由于环境天气条件和发动机运转,装有玻璃制品的车辆(例如汽车)经常经受极端温度。与传统使用的金属框架相比,塑料框架通常会由于极端温度而经历更大的尺寸变化,这可能会导致在将玻璃片材连接到框架的粘合剂层中产生更大的内应力。根据本公开内容,开发了一种基于具有塑料框架的玻璃制品的热可靠性和机械可靠性的设计窗口。具体地,本公开内容的实施方式建立了粘合剂材料和塑料框架的机械性能之间的关系,这使得玻璃制品与具有金属框架的可比玻璃制品一样可靠。这些和其他方面和优点将结合下文和附图中提供的示例性实施方式进行更全面的描述。这些实施方式是通过说明而非限制的方式呈现的。
为了为以下讨论提供背景,将结合车辆内饰系统的特定应用来描述具有塑料框架的玻璃制品的示例性实施方式。
图1示出了包括三个不同实施方式的车辆内饰系统20、30、40的车辆的示例性内饰10。车辆内饰系统20包括具有包含显示器26的表面24的基座,其被示出为中控台基座22。车辆内饰系统30包括具有包含显示器36的表面34的基座,其被示出为仪表盘基座32。仪表盘基座32典型地包括也可包含显示器的仪表面板38。车辆内饰系统40包括具有表面40和显示器46的基座,其被示出为方向盘基座42。在一个或多个实施方式中,本文中的任何实施方式的车辆内饰系统包括基座,该基座是扶手、支柱、座椅靠背、地板、头枕、门板、或车辆内饰中包含表面的任何部分。在实施方式中,此类表面是弯曲的、平面的、或者包括弯曲部分和平面部分。
本文中描述的玻璃制品的实施方式尤其可用于每一车辆内饰系统20、30、40中。在一些这类实施方式中,本文中讨论的玻璃制品可包括罩盖玻璃片材,所述罩盖玻璃片材也覆盖仪表盘、中控台、方向盘、门板等的非显示表面。在此类实施方式中,玻璃材料可以基于其重量、美学外观等来选择,并且可以设有包括图案(例如,拉丝金属外观、木纹外观、皮革外观、彩色外观等等)的涂层(例如,油墨或颜料涂层),以便在视觉上使玻璃部件与相邻的非玻璃部件相匹配。在具体实施方式中,此类墨水和颜料涂层可以具有在显示器26、36、38、46无活动时提供无载安全面(deadfront)或颜色匹配功能性的透明度等级。进一步地,尽管图1的车辆内饰描绘了汽车(例如,小汽车、货车、公交车等)形式的车辆,但本文中公开的玻璃制品也可并入诸如火车、海用船舶(小艇、轮船、潜水艇等)、和飞行器(例如,无人机、飞机、喷气式飞机、直升机等)之类的其他车辆中。
在实施方式中,表面24、34、44可以是平坦的或平面的(例如,具有10m或更大的曲率半径),或者在实施方式中,表面24、34、44可以是各种弯曲形状中的任一者,诸如图2A和图2B中分别示出的V形或C形弯曲玻璃制品。首先参照图2A,示出了V形玻璃制品50的实施方式的侧视图。玻璃制品50包括玻璃片材52,其具有第一主表面54、与第一主表面54相对的第二主表面56、和将第一主表面54接合至第二主表面56的次表面58。第一主表面54和第二主表面56限定玻璃片材52的厚度T。在实施方式中,玻璃片材52的厚度T可以在约0.3mm至约2mm的范围内,例如在约0.5mm至约1.1mm的范围内。在车辆中,第一主表面54面向车辆的乘员。
在实施方式中,第一主表面54和/或第二主表面56可包括一个或多个表面处理。可施加于第一主表面54和第二主表面56中的一者或两者的表面处理的示例包括防眩光涂层、抗反射涂层、提供触摸功能性的涂层、装饰性(例如,油墨或颜料)涂层、和/或易清洁涂层。
在图2A中可以看出,玻璃片材52具有设置在第一平坦区段62a与第二平坦区段62b之间的弯曲区域60。在实施方式中,弯曲区域60的曲率半径R可以在从约50mm至小于实质上平坦或平面的曲率半径(例如,R≥10m)的范围内。进一步地,如图2A中所示,弯曲区域60可相对于第一主表面54限定凹曲面,但在其他实施方式中,弯曲区域60可相对于第一主表面54反而是凸曲面。
在图2A的玻璃制品50中,使用粘合剂层66将框架64粘附至玻璃片材52的第二主表面56。在实施方式中,粘合剂层66可以是结构性粘合剂,诸如增韧环氧树脂、柔性环氧树脂、丙烯酸树脂、硅树脂、氨基甲酸酯、聚氨酯、和硅烷改性聚合物。在实施方式中,粘合剂层66在框架64与玻璃片材52之间的厚度可以在约0.5mm至约3mm的范围内,例如约1mm。
部分地,框架64便于将玻璃制品50安装至车辆内饰基座(诸如图1中示出的中控台基座22、仪表盘基座32、和/或方向盘基座42)。此外,对于弯曲玻璃制品50,框架64可具有将玻璃片材52(至少在弯曲区域60中)保持其弯曲形状的弯曲框架支撑表面65。在弯曲玻璃制品50的实施方式中,玻璃片材52可以以弯曲区域60并非永久性的方式进行成型。即,如果未使用粘合剂层66将玻璃片材52粘附至框架64,则玻璃片材52会弹回至平面、非弯曲的配置。因此,玻璃片材52可受力以产生曲率,并在玻璃制品50的寿命期间仍然受力。因此,以这种方式,在弯曲玻璃制品50的成型过程中,即使在很小的弯曲半径下,也可以保持期望的曲率。
图2B描绘了玻璃制品50、特别是C形玻璃制品50的另一实施方式。与图2A的V形玻璃制品50相比,图2B的C形玻璃制品50具有更大的弯曲区域60和更短的平坦区段62a、62b。但V形和C形是可根据本公开内容建立的弯曲玻璃制品50的两个示例。在其他实施方式中,玻璃制品50尤其可包括具有相对的曲率以建立S形的弯曲区域60、与平坦区段62a相随以建立J形的弯曲区域60、和由平坦区段62a分离以建立U形的弯曲区域60。
在玻璃制品50为弯曲的实施方式中,玻璃制品50通过冷成型技术来成型。一般而言,冷成型的工艺涉及如图3的分解图中所示在玻璃片材52位于卡盘68上的同时向玻璃片材52施加弯曲力。由此可见,卡盘68具有弯曲成型表面70,并且玻璃片材52弯曲成与弯曲成型表面70一致。在实施方式中,弯曲成型表面70具有第一曲率半径,并且在将玻璃片材52弯曲成与弯曲成型表面70一致时,玻璃片材52将具有在第一曲率半径的10%、或7%、或5%、或2%以内的第二曲率半径。此外,在实施方式中,框架64的弯曲支撑表面65具有第三曲率半径,该第三曲率半径在第一曲率半径或第二曲率半径之一或两者的10%、或7%、或5%、或2%以内。在实施方式中,第一、第二和第三曲率半径为50mm或更大。
在实施方式中,冷成型工艺还可以包括将显示器和/或触摸面板附接至玻璃片材52的第二主表面56。在实施方式中,显示器可以是发光二极管(LED)显示器、有机LED(OLED)显示器、微型LED显示器、量子点LED(QLED)显示器、液晶显示器(LCD)、或电致发光显示器(ELD)等。在实施方式中,触摸面板提供交互式触摸功能。可以使用例如光学透明粘合剂将显示面板和/或触摸面板粘附至玻璃片材52的第二主表面56。
有利地,在于玻璃片材52中建立曲率之前更加容易地将表面处理施加至平坦玻璃片材52,并且冷成型允许处理的玻璃片材52在没有破坏表面处理(与和热成型技术相关的高温破坏表面处理的趋势相比,这需要将表面处理在更加复杂的工艺中施加至弯曲制品)的情况下进行弯曲。在实施方式中,冷成型工艺在低于玻璃片材52的软化温度的温度下来执行。特别是,冷成型工艺可在室温(例如,约20℃)或稍微升高的温度下、例如在200℃或更低、150℃或更低、100℃或更低、或在50℃或更低的温度下来执行。
根据本公开内容,玻璃制品50的框架64由塑料制成。在实施方式中,“塑料”包括其中聚合物材料是最大组成成分之一的任何聚合物材料或组合物,例如还可以包括各种典型加工添加剂中的任何一种的组合物,诸如着色剂、填料、阻燃剂、抗氧化剂、光滑助剂、增塑剂等。此外,“塑料”包括具有纤维增强聚合物基体的复合材料,包括连续纤维复合材料以及短纤维复合材料。在实施方式中,塑料还可以被定义为在三个轴中的至少一个轴上具有高热膨胀系数(例如,>40ppm/℃)和在三个轴中的至少一个轴上具有低模量(例如,<10GPa)的材料。适合用作框架64的塑料的示例包括聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物共混物(PC/ABS)以及玻璃纤维和/或碳纤维增强PC/ABS。
与金属(诸如钢、铝和镁的合金)相比,塑料的热膨胀系数(CTE)通常更高,这意味着塑料材料通常会因温度波动而经历更大的尺寸变化。当经受与车辆可能经历的环境天气条件相关的例如-20°F至120°F范围内的温度时,塑料的较高热膨胀系数将导致框架64在极端温度下比传统的金属框架更多地膨胀或收缩。这种额外的膨胀或收缩在粘合剂层66中产生应力,这可能导致玻璃片材52从框架64上分层。
由于与使用塑料框架相关的分层可能性增加,发明人已经基于粘合剂层66和框架64的机械性能之间的关系确定了具有塑料框架64的玻璃制品50的设计空间。
在粘合剂层66中产生的热诱导应力是由玻璃制品50的各部件之间的热膨胀系数差异产生的应变所引起的。如果应力超过粘合剂层66的强度,则玻璃片材52和框架64之间可能会发生分层,从而导致玻璃制品50失效。粘合剂层66中的应力可以建模为玻璃片材52、框架64和粘合剂层66的特性的函数。具体地,粘合剂层66中的最大剪切应力(τmax)由以下方程式(1)给出:
其中αx是热膨胀系数(下标x为m代表金属,p代表塑料,g代表玻璃,或者0、1分别代表初始值或新值);Gadh代表粘合剂剪切模量(G0、G1等);tadh代表粘合剂厚度;ΔT代表温度变化(从粘合时的温度);L代表框架长度的1/2;以及β在以下方程式(2)中给出:
其中Ex是杨氏模量,并且tx是材料厚度。上述方程式适用于平面玻璃制品50和弯曲玻璃制品50。具体而言,与弯曲玻璃制品50和平面玻璃制品50所经历的热膨胀系数不匹配引起的热应力相比,弯曲玻璃制品50的弯曲应力通常较小,并且此外,对于等效的金属和塑料框架来说,与设计曲率相关的弯曲应力是相同的,因为曲率是相同的。
如上所述,金属框架通常用于玻璃制品中,并且具有这种金属框架的玻璃制品已经针对与粘合剂层中产生的热应力相关的可靠性进行了严格测试。因此,本发明人开发的塑料框架64的设计空间源自于基于各自的材料特性找到粘合剂层66和塑料框架64的组合,从而产生具有金属框架的传统玻璃制品将经历的等效粘合应力。对于对应于具有金属框架的玻璃制品的最大剪切应力的τ0和对应于根据本公开内容的具有塑料框架64的玻璃制品50的最大剪切应力的τ1,则两种设计之间的最大剪切应力等效性由下式给出:
τ0=τ1 (3)
鉴于期望用塑料框架64代替传统金属框架,框架的尺寸将保持相同,使得长度L相同,tanh(βL)近似相同并接近1。此外,对于具有金属框架的玻璃制品和具有塑料框架64的玻璃制品50而言,粘合剂厚度tadh和温差ΔT是相同的。此外,针对每个玻璃制品,将使用相同的玻璃片材(相同的厚度和模量)。使用方程式1、2和3,在具有金属框架的玻璃制品和具有塑料框架64的玻璃制品50之间建立了以下关系(方程式4):
(αm-αg)2G0fmg=(αp-αg)2G1fpg=常数 (4)
其中常数以具有金属框架的玻璃制品为基础进行比较:
(αm-αg)2G0fmg=常数 (5)
方程式4和5使用了分数项f,其考虑了框架的杨氏模量和厚度以及玻璃的杨氏模量和厚度,并且分数项f可以从方程式1-3推导出来。与具有塑料框架64的玻璃制品50相关的分数项fpg为:
在具有金属框架的玻璃制品的分数项fmg中,金属的杨氏模量和厚度代替了塑料的杨氏模量和厚度。分数项fpg和fmg被限制在0和1之间的范围内,特别是在0.05和0.95之间。该限制允许基于塑料框架64的CTE、杨氏模量和厚度以及一系列粘合剂剪切模量值(Gadh)生成设计空间。使用这四个变量,图4描绘了一设计空间,其中具有塑料框架64的玻璃制品50的粘合剂剪切应力与具有金属框架的给定玻璃制品等效。即图4描绘了根据以下方程式7的设计空间:
(αp-αg)2G1fpg=常数 (7)
图4中的描述是基于操纵塑料CTE或塑料的杨氏模量的示意图。标记为αp1和αp2的曲线表示框架64的塑料材料的CTE的边界条件。例如,塑料材料的边界条件可以在约5ppm/℃至约100ppm/℃的范围内。随着分数项fpg从0变化到1,粘合剂层66的剪切模量G1将根据方程式7变化。类似地,标记为Ep1和Ep2的曲线表示框架64的塑料材料的杨氏模量的边界条件。例如,塑料材料的边界条件可以在约4GPa至约40GPa的范围内。根据方程式6,分数项fpg基于塑料材料的杨氏模量和框架64的厚度tp确定,因此,当杨氏模量的边界条件的分数项fpg从0变为1时,框架厚度tp将根据方程式6变化。由四条曲线αp1、αp2、Ep1和Ep2界定的区域表示具有塑料框架64的玻璃制品50的设计,其在最大剪切应力方面将等效于用作定义常数的参考的具有金属框架的玻璃制品。在实施方式中,基于各种合金(例如钢合金、铝合金、镁合金等)的等效金属框架,常数在约10(ppm/℃)2Mpa至约300(ppm/℃)2MPa的范围内,例如在约13.6(ppm/℃)2MPa至约257(ppm/℃)2MPa的范围内。
在具体示例中,用于定义设计空间的常数基于具有如表1所示的特性的具有金属(铝合金)框架的示例玻璃制品。
表1.具有金属框架的参考玻璃制品的材料特性
使用上述边界条件(αp=5-100ppm/℃和Ep=4-40GPa)和基于表1中参考框架材料的常数,在图5中开发了设计空间,其中粘合剂层66的剪切模量(Gadh)和塑料框架64的厚度(tp)相对于材料分数项fpg绘制。由黑色阴影表示的实线和虚线内包含的空间是方程式7的解对所有四个变量同时有效并且满足等效粘合剂剪切应力的条件的空间。例如,如果塑料具有中等CTE,诸如αp=50ppm/℃,并且塑料在Ep=4GPa时也不太硬,那么等效应力的所得塑料厚度tp约为2mm,并且粘合剂剪切模量Gadh约为2MPa。随着给定的杨氏模量下塑料的CTE变小,粘合剂需要具有更高的剪切模量Gadh和/或需要增加框架厚度tp。
确定等效应力的塑料框架64特性的第二种方法是使用蒙特卡罗模拟。该过程使用随机选择的αp和fpg值,每个值以均匀的分布(即,在选定范围内的概率相等)分布。本示例选择的范围是αp=5ppm/℃至80ppm/℃,且fpg=0.1至0.9。方程式(7)改写为:
使用蒙特卡罗模拟的结果,绘制了G1对αp的曲线图,并在图6中示出。对数据进行幂律曲线拟合,使得G1是αp的函数,方程式如以下方程式9所示。
系数A和指数b针对特定的等效金属框架设计。对于具有表1的特性的等效金属框架玻璃制品,幂律方程为G1=146,683αp -3.35,用于图6中所示的曲线。从图6可以看出,满足方程式8的数据点限定了由幂律曲线定义的曲线。在实施方式中,指数b为-3.5至-3.0。此外,在实施方式中,系数A为100,000至500,000。在一个或多个实施方式中,系数A的单位为(MPa)(ppm/℃)+3。尽管如此,曲线下方的区域可以产生机械可靠的框架,因为在这些区域,τm>τp,即塑料框架的最大应力将小于等效金属框架的最大应力。在特定实施方式中,选择剪切模量G1和热膨胀系数αp以使得G1≤500,000αp -3、或G1≤150,000αp -3、或G1≤500,000αp -3.35、或G1≤146,683αp -3.35。在实施方式中,选择剪切模量G1和热膨胀系数αp以使得G1≥100,000αp -3.5。在一个或多个实施方式中,选择框架的塑料材料和粘合剂以使得G≤Aα-3,并且其中A的单位为(MPa)(ppm/℃)+3并且在约100,000至约500,000的范围内(例如,从150,000至500,000、从200,000至500,000、从250,000至500,000、从300,000至500,000、从350,000至500,000、从400,000至500,000、从100,000至450,000、从100,000至400,000、从100,000至350,000、从100,000至300,000、从100,000至250,000、从100,000至200,000)。在一个或多个实施方式中,选择框架的塑料材料和粘合剂以使得G≤500,000α-3。
对于塑料框架厚度tp,可以仅根据两个变量Ep和αp编写出一个方程式(方程式10):
图7示出了塑料框架64的厚度(tp)对CTE(αp)的曲线图。等效设计空间位于由上曲线和下曲线限定的区域内。上曲线考虑了杨氏模量为4GPa且等效金属框架厚度为10mm和4mm的塑料材料。下曲线考虑了杨氏模量为40GPa且等效金属框架厚度为10mm和4mm的塑料材料。使用表1中金属的杨氏模量和上述等效框架厚度,可以确定方程式10的常数,并且使用方程式10,可以找到塑料框架厚度(tp)。图7表明,更高的CTE(例如,40ppm/℃和更高)需要更厚的塑料框架,并且在更低的杨氏模量下需要更厚的塑料框架。在实施方式中,框架64的厚度(tp)在约1mm至约15mm的范围内,例如在约2mm至约10mm的范围内。
此外,塑料框架64在刚度方面可以与等效金属框架进行比较,如下面的方程式11所示:
在方程式11中,K是刚度,并且C是几何常数。假设等效金属框架和塑料框架64的宽度(w)和长度(L)相同,则可根据方程式12确定塑料厚度:
结合方程式10和12,可得出用于塑料框架的厚度的以下方程式:
图8描绘了显示根据方程式10和13的等效刚度曲线的图。根据方程式10的曲线是虚线并且与图7中所示的上边界虚曲线相同(图7中的图使用对数标度,而图8的图不使用对数标度)。根据方程式13的曲线是图8的实线。如图8所示,虚线和实线相交于两点。在这两个点处,粘合剂中的剪切应力和框架刚度对于塑料框架64和参考金属框架是等效的。对于图8的图中表示的实施方式,这两个位置的CTE分别为约55ppm/℃和约12ppm/℃。这些点分别对应于粘合剂剪切模量G1=0.2MPa和33MPa,塑料框架厚度分别为10mm和12mm。
已经描述了可以确定塑料框架64和粘合剂层66的特性的各种关系,下面将更详细地描述玻璃片材52的特性和组成。参照图9,示出并描述了玻璃制品50的玻璃片材52的附加结构细节。如上所述,玻璃片材52具有厚度T,厚度T是基本恒定的并且被定义为第一主表面54和第二主表面56之间沿一个或两个主表面的法线的距离。在各个实施方式中,T可指玻璃片材的平均厚度或最大厚度。此外,玻璃片材52包括宽度W和长度L,宽度W被定义为与厚度T正交的、第一或第二主表面54、56之一的第一最大尺寸,长度L被定义为与厚度和宽度均正交的、第一或第二主表面54、56之一的第二最大尺寸。在其他实施方式中,W和L可以分别是玻璃片材52的平均宽度和平均长度。
在各个实施方式中,平均或最大厚度T可以在约0.3mm至约2mm的范围内。在各个实施方式中,宽度W可以在约5cm至约250cm的范围内,并且长度L可以在约5cm至约1500cm的范围内。如上所述,玻璃片材52的曲率半径(例如,图2A和2B中所示的R)可以为约50mm或更大。
在实施方式中,玻璃片材52可进行强化。在一个或多个实施方式中,玻璃片材52可进行强化以包括从表面延伸到压缩深度(DOC)的压缩应力。压缩应力区域由表现出拉伸应力的中心部分来平衡。在DOC处,应力从正(压缩)应力跨越到负(拉伸)应力。
在各个实施方式中,玻璃片材52可通过利用制品的各部分之间的热膨胀系数的失配来进行机械强化,以建立压缩应力区域和表现出拉伸应力的中心区域。在一些实施方式中,玻璃片材可通过将玻璃加热至高于玻璃化转变点的温度、然后快速淬火来进行热强化。
在各个实施方式中,玻璃片材52可通过离子交换来进行化学强化。在离子交换工艺中,在玻璃片材表面处或附近的离子被具有相同价态或氧化态的更大离子替换、或与其交换。在其中玻璃片材包括碱硅铝酸盐玻璃的那些实施方式中,制品的表面层中的离子和更大离子是一价碱金属阳离子,诸如Li+、Na+、K+、Rb+、和Cs+。或者,表面层中的一价阳离子可被诸如Ag+等之类的碱金属阳离子之外的一价阳离子替换。在这些实施方式中,交换到玻璃片材中的一价离子(或阳离子)产生应力。
离子交换工艺通常通过将玻璃片材浸入含有待与玻璃片材中的更小离子交换的更大离子的熔融盐浴(或者两个或更多个熔融盐浴)中来实施。应当注意的是,也可以使用盐水浴。除此之外,浴的组成可包括多于一种类型的更大离子(例如,Na+和K+)或单种更大离子。本领域技术人员将理解,离子交换工艺的参数(包括但不限于浴的组成和温度、浸入时间、玻璃片材在一个或多个盐浴中的浸入次数、多个盐浴的使用、诸如退火、洗涤等之类的另外步骤)通常由玻璃片材的组成(包括制品的结构和存在的任何结晶相)以及由强化产生的玻璃片材的期望压缩深度(DOC)和压缩应力(CS)来确定。如本文所使用的,CS可以是“最大压缩应力”,其是在压缩应力层内测得的最高压缩应力值。在一些实施方式,最大压缩应力位于玻璃片材的表面。在其他实施方式中,最大压缩应力可以出现在表面以下的深度处,从而使压缩轮廓具有“埋峰”的外观。
示例性熔浴组成可包括更大碱金属离子的硝酸盐、硫酸盐、和氯化物。典型的硝酸盐包括KNO3、NaNO3、LiNO3、NaSO4及其组合。熔融盐浴的温度通常在从约380℃直至约450℃的范围内,而浸入时间在从约15分钟直至约100小时的范围内,这取决于玻璃片材厚度、浴温和玻璃(或单价离子)扩散率。然而,也可以使用与上述的那些不同的温度和浸入时间。
在一个或多个实施方式中,玻璃片材52可浸入温度为从约370℃至约480℃的100%NaNO3、100%KNO3、或NaNO3和KNO3的组合的熔融盐浴中。在一些实施方式中,玻璃片材可浸入包括从约5%至约90%KNO3和从约10%至约95%NaN03的熔融混合盐浴中。在一个或多个实施方式中,玻璃片材可在浸入第一浴中之后浸入第二浴中。第一浴和第二浴可具有彼此不同的组成和/或温度。在第一浴和第二浴中的浸入时间可变化。例如,在第一浴中的浸入可长于在第二浴中的浸入。
在一个或多个实施方式中,玻璃片材可浸入温度低于约420℃(例如,约400℃或约380℃)的包括NaNO3和KNO3(例如,49%/51%、50%/50%、51%/49%)的熔融混合盐浴中达少于约5小时、或甚至约4小时或更少。
离子交换条件可进行定制以提供“尖峰(spike)”或增加所得玻璃片材的表面处或附近的应力分布(stress profile)的斜率。该尖峰可产生更大的表面CS值。由于本文中描述的玻璃片材中使用的玻璃组成的独特性质,因此该尖峰可通过单个浴或多个浴来实现,其中该单个浴或多个浴具有单一组成或混合组成。
在一个或多个实施方式中,在多于一种单价离子被交换至玻璃片材中的情况下,不同的单价离子可被交换至玻璃片材内的不同深度(并在玻璃片材内、不同深度处产生不同量级的应力)。所得的应力产生离子的相对深度可进行测定,并导致应力分布的不同特性。
CS利用诸如通过使用商品可得的仪器(诸如由日本Orihara Industrial Co.,Ltd.制造的FSM-6000)的表面应力计(FSM)之类的本领域中已知的那些手段来测量。表面应力测量依赖于与玻璃的双折射相关的应力光学系数(SOC)的精确测量。SOC继而通过诸如纤维弯曲和四点弯曲方法(这两者在名称为“Standard Test Method for Measurement ofGlass Stress-Optical Coefficient”的ASTM标准C770-98(2013)中有所描述,通过引用将其内容作为整体结合在此)、以及体圆柱法(bulk cylinder method)之类的本领域已知的那些方法来测量。
DOC可通过FSM或通过散射光偏光镜(SCALP)(诸如可从位于爱沙尼亚塔林的Glasstress Ltd.购入的SCALP-04散射光偏光镜)来测量,这取决于强化方法和条件。当玻璃片材通过离子交换处理进行化学强化时,取决于何种离子被交换至玻璃片材中而可使用FSM或SCALP。在通过将钾离子交换至玻璃片材中来产生玻璃片材中的应力的情况下,使用FSM来测量DOC。在通过将钠离子交换至玻璃片材中来产生应力的情况下,使用SCALP来测量DOC。在通过将钾离子和钠离子两者交换至玻璃中来产生玻璃片材中的应力的情况下,通过SCALP来测量DOC,因为据信钠的交换深度指示DOC,并且钾离子的交换深度指示压缩应力的量级变化(但不是从压缩应力到拉伸应力的变化);这些玻璃片材中钾离子的交换深度通过FSM来测量。中心张力或CT是最大拉伸应力,并且通过SCALP来测量。
在一个或多个实施方式中,玻璃片材可以被强化以表现出DOC,其被描述为玻璃片材的厚度T的一部分(如本文所述)。例如,在一个或多个实施方式中,DOC可以在约0.05T至约0.25T的范围内。在一些情况下,DOC可以在约20μm至约300μm的范围内。在一个或多个实施方式中,强化玻璃片材52可具有约200MPa或更大、约500MPa或更大、或约1050MPa或更大的CS(其可在玻璃片材的表面或深度处发现)。在一个或多个实施方式中,强化玻璃片材可具有在约20MPa至约100MPa范围内的最大CT。
用作玻璃片材52的合适的玻璃组合物包括钠钙玻璃、铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、硼铝硅酸盐玻璃、含碱铝硅酸盐玻璃、含碱硼硅酸盐玻璃、和含碱硼铝硅酸盐玻璃。
除非另有说明,否则本文披露的玻璃组合物以基于氧化物分析的摩尔百分比(mol%)描述。
在一个或多个实施方式中,玻璃组合物可包括约66mol%至约80mol%范围内的量的SiO2。在一个或多个实施方式中,玻璃组合物包括约3mol%至约15mol%范围内的量的Al2O3。在一个或多个实施方式中,玻璃制品可为铝硅酸盐玻璃制品或包括铝硅酸盐玻璃组合物。在此类实施方式中,玻璃组合物或由其形成的制品包括SiO2和Al2O3并且不是钠钙硅酸盐玻璃。
在一个或多个实施方式中,玻璃组合物可包括约0.01mol%至约5mol%范围内的量的B2O3。然而,在一个或多个实施方式中,玻璃组合物基本上不含B2O3。如本文所使用的,相对于组合物的组分,短语“基本上不含”是指该组分在初始配料期间并未主动或有意添加到组合物中,但可以作为杂质以小于约0.001mol%的量存在。
在一个或多个实施方式中,玻璃组合物可以任选地包括约0.01mol%至约2mol%的量的P2O5。在一个或多个实施方式中,玻璃组合物基本上不含P2O5。
在一个或多个实施方式中,玻璃组合物可包括约8mol%至20mol%范围内的总量的R2O(其是碱金属氧化物例如Li2O、Na2O、K2O、Rb2O和Cs2O的总量)。在一个或多个实施方式中,玻璃组合物可基本上不含Rb2O、Cs2O或Rb2O和Cs2O两者。在一个或多个实施方式中,R2O可仅包括Li2O、Na2O和K2O的总量。在一个或多个实施方式中,玻璃组合物可包含至少一种选自Li2O、Na2O和K2O的碱金属氧化物,其中碱金属氧化物以大于约8mol%或更大的量存在。
在一个或多个实施方式中,玻璃组合物可包括约8mol%至约20mol%范围内的量的Na2O。在一个或多个实施方式中,玻璃组合物可包括约0mol%至约4mol%范围内的量的K2O。在一个或多个实施方式中,玻璃组合物可基本上不含K2O。在一个或多个实施方式中,玻璃组合物基本上不含Li2O。在一个或多个实施方式中,组合物中Na2O的量可以大于Li2O的量。在某些情况下,Na2O的量可以大于Li2O和K2O的组合量。在一个或多个替代实施方式中,组合物中Li2O的量可以大于Na2O的量或Na2O和K2O的组合量。
在一个或多个实施方式中,玻璃组合物可包括约0mol%至约2mol%范围内的总量的RO(其为碱土金属氧化物例如CaO、MgO、BaO、ZnO和SrO的总量)。在一个或多个实施方式中,玻璃组合物可包括小于约1mol%的量的CaO。在一个或多个实施方式中,玻璃组合物基本上不含CaO。在一些实施方式中,玻璃组合物可包括约0mol%至约7mol%的量的MgO。
在一个或多个实施方式中,玻璃组合物可包括等于或小于约0.2mol%的量的ZrO2。在一个或多个实施方式中,玻璃组合物可包括等于或小于约0.2mol%的量的SnO2。
在一个或多个实施方式中,玻璃组合物可包括赋予玻璃制品颜色或色彩的氧化物。在一些实施方案中,玻璃组合物可包括防止玻璃制品暴露于紫外线辐射时变色的氧化物。此类氧化物的实例包括但不限于以下氧化物:Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ce、W和Mo。
在一个或多个实施方式中,玻璃组合物可包括表示为Fe2O3的Fe,其中Fe以至多约1mol%的量存在。在玻璃组合物包括TiO2的情况下,TiO2可以以约5mol%或更少的量存在。
一种示例性的玻璃组合物包括在从约65mol%至约75mol%的范围内的量的SiO2、在从约8mol%至约14mol%的范围内的量的Al2O3、在从约12mol%至约17mol%的范围内的量的Na2O、含在从约0mol%至约0.2mol%的范围内的量的K2O,和在从约1.5mol%至约6mol%的范围内的量的MgO。可选地,可以包括本文另外公开的量的SnO2。应当理解,尽管前面的玻璃组合物表示近似范围,但是在其他实施方式中,玻璃片材52可以由落入上述任意一个精确数值范围内的任何玻璃组合物制成。
可以从以下几个方面进一步理解本公开内容的实施方式:
方面(1)涉及一种玻璃制品,包括:玻璃片材,所述玻璃片材包括第一主表面和第二主表面,所述第二主表面与所述第一主表面相对;包括塑料材料的框架,所述塑料材料包括以ppm/℃为单位的热膨胀系数(α);将玻璃片材的第二主表面粘合至框架的粘合剂,所述粘合剂包括以MPa为单位的剪切模量(G);并且其中选择框架的塑料材料和粘合剂以使得G≤Aα-3,并且其中A的单位为(MPa)(ppm/℃)+3并且等于500,000。
方面(2)涉及根据方面(1)所述的玻璃制品,其中所述粘合剂的剪切模量(G)在约0.1MPa至约100MPa的范围内。
方面(3)涉及根据方面(1)-(2)中任一项所述的玻璃制品,其中所述塑料材料的热膨胀系数(α)在约5ppm/℃至约100ppm/℃的范围内。
方面(4)涉及根据方面(1)-(3)中任一项所述的玻璃制品,其中所述玻璃片材包括玻璃材料,所述玻璃材料包括玻璃弹性模量(Eg)和介于第一主表面与第二主表面之间的玻璃厚度(tg),其中所述塑料材料包括塑料弹性模量(EP)和框架厚度(tp),并且其中大于0且至多为1。
方面(5)涉及根据方面(4)所述的玻璃制品,其中所述塑料弹性模量(Ep)在约4GPa至约40GPa的范围内。
方面(6)涉及根据方面(4)-(5)中任一项所述的玻璃制品,其中所述框架厚度(tp)在约1mm至约15mm的范围内。
方面(8)涉及根据方面(1)-(7)中任一项所述的玻璃制品,其中所述框架包括弯曲支撑表面,所述弯曲支撑表面限定具有第一曲率半径的第一曲率,并且其中所述粘合剂将所述玻璃片材的第二主表面粘合至所述弯曲支撑表面,使得玻璃片材限定具有第二曲率半径的第二曲率,所述第二曲率半径在所述第一曲率半径的10%以内。
方面(9)涉及根据方面(8)所述的玻璃制品,其中所述第一曲率半径为50mm或更大。
方面(10)涉及根据方面(1)-(9)中任一项所述的玻璃制品,其中所述玻璃片材包括第一主表面和第二主表面之间的平均厚度为0.3mm至2.0mm。
方面(11)涉及根据方面(1)-(10)中任一项所述的玻璃制品,其中所述玻璃片材包括在所述第一主表面、所述第二主表面、或所述第一主表面和所述第二主表面两者上的表面处理,其中所述表面处理为易清洁涂层、抗反射涂层、防眩光涂层、装饰性涂层、或提供触摸功能性的涂层。
方面(12)涉及根据方面(1)-(11)中任一项所述的玻璃制品,进一步包括设置在玻璃片材的第二主表面上的显示面板、触摸面板、或显示面板和触摸面板两者。
方面(13)涉及根据方面(1)-(12)中任一项所述的玻璃制品,其中所述玻璃片材包括钠钙玻璃、铝硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、硼铝硅酸盐玻璃、含碱铝硅酸盐玻璃、含碱硼硅酸盐玻璃、或含碱硼铝硅酸盐玻璃。
方面(14)涉及根据方面(1)-(13)中任一项所述的玻璃制品,其中所述玻璃片材被强化。
方面(15)涉及根据方面(14)所述的玻璃制品,其中所述玻璃片材被化学强化。
方面(16)涉及一种制备玻璃制品的方法,包括:使用粘合剂将玻璃片材粘附至框架,所述玻璃片材包括第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面,所述框架包括塑料材料,所述塑料材料包括以ppm/℃为单位的热膨胀系数(α),并且所述粘合剂包括以MPa为单位的剪切模量(G);其中选择框架的塑料材料和粘合剂以使得G≤Aα-3,并且其中A的单位为(MPa)(ppm/℃)+3并且等于500,000。
方面(17)涉及根据方面(16)所述的方法,其中所述粘合剂的剪切模量(G)在约0.1MPa至约100MPa的范围内。
方面(18)涉及根据方面(16)-(17)中任一项所述的方法,其中所述塑料材料的热膨胀系数(α)在约5ppm/℃至约100ppm/℃的范围内。
方面(19)涉及根据方面(16)-(18)中任一项所述的方法,其中所述玻璃片材包括玻璃材料,所述玻璃材料包括玻璃弹性模量(Eg)和介于第一主表面与第二主表面之间的玻璃厚度(tg),其中所述塑料材料包括塑料弹性模量(EP)和框架厚度(tp),并且其中大于0且至多为1。
方面(20)涉及根据方面(19)所述的方法,其中所述塑料弹性模量(Ep)在约4GPa至约40GPa的范围内。
方面(21)涉及根据方面(19)-(20)中任一项所述的方法,其中所述框架厚度(tp)在约1mm至约15mm的范围内。
方面(22)涉及根据方面(16)-(21)中任一项所述的方法,其中在粘附之前,所述方法包括将玻璃片材在成型卡盘之上弯曲,所述成型卡盘包括弯曲成型表面,所述弯曲成型表面限定第一曲率半径,其中在弯曲期间,所述玻璃片材的第二主表面与所述弯曲成型表面一致,以使得所述第二主表面限定第二曲率半径,所述第二曲率半径在所述第一曲率半径的10%以内。
方面(23)涉及根据方面(22)所述的方法,其中所述框架包括限定第三曲率半径的弯曲支撑表面,并且其中所述第三曲率半径在所述第二曲率半径的10%以内。
方面(24)涉及根据方面(16)-(23)中任一项所述的方法,进一步包括将显示面板、触摸面板、或显示面板和触摸面板两者粘合至所述玻璃片材的所述第二主表面。
方面(25)涉及一种车辆内饰部件,包括:玻璃片材,所述玻璃片材包括第一主表面和第二主表面,所述第二主表面与所述第一主表面相对,在第一主表面和第二主表面之间限定玻璃厚度(tg),所述玻璃片材包括玻璃材料,所述玻璃材料包括玻璃弹性模量(Eg)和玻璃热膨胀系数(αg);框架,所述框架包括塑料材料和塑料厚度(tp),所述塑料材料包括塑料弹性模量(Ep)和塑料热膨胀系数(αp);将玻璃片材的第二主表面粘合至框架的粘合剂,所述粘合剂包括剪切模量(G);其中选择框架的塑料材料、粘合剂和玻璃片材的玻璃材料,以使得
方面(26)涉及根据方面(25)所述的车辆内饰部件,其中所述粘合剂的剪切模量(G)在约0.1MPa至约100MPa的范围内。
方面(27)涉及根据方面(25)-(26)中任一项所述的车辆内饰部件,其中所述塑料热膨胀系数(αp)在约5ppm/℃至约100ppm/℃的范围内。
方面(29)涉及根据方面(25)-(28)中任一项所述的车辆内饰部件,其中所述塑料弹性模量(Ep)在约4GPa至约40GPa的范围内。
方面(30)涉及根据方面(25)-(29)中任一项所述的车辆内饰部件,其中所述玻璃弹性模量(Eg)在约50GPa至约100GPa的范围内。
方面(31)涉及根据方面(25)-(30)中任一项所述的车辆内饰部件,其中所述塑料厚度(tp)在约1mm至约15mm的范围内。
方面(32)涉及根据方面(25)-(31)中任一项所述的车辆内饰部件,其中所述玻璃厚度(tg)在约0.3mm至约2mm的范围内。
方面(33)涉及根据方面(25)-(32)中任一项所述的车辆内饰部件,其中所述框架包括弯曲支撑表面,所述弯曲支撑表面限定具有第一曲率半径的第一曲率,并且其中所述粘合剂将所述玻璃片材的第二主表面粘合至所述弯曲支撑表面,使得玻璃片材限定具有第二曲率半径的第二曲率,所述第二曲率半径在所述第一曲率半径的10%以内。
方面(34)涉及根据方面(25)-(33)中任一项所述的车辆内饰部件,进一步包括设置在玻璃片材的第二主表面上的显示面板、触摸面板、或显示面板和触摸面板两者。
除非另外明确说明,否则不以任何方式意图将本文中阐述的任何方法解释为要求其步骤以特定顺序执行。因此,在方法权利要求没有实际记载其步骤要遵循的顺序的情况下,或者在权利要求书或说明书中没有另外具体说明步骤应限于特定顺序的情况下,不以任何方式意味着可以推断出特定顺序。除此之外,如本文中所用,冠词“一”旨在包括一个或多于一个部件或元件,而不旨在被解释为仅意味着一个。
对于本领域技术人员将显而易见的是,在不背离所公开的实施方式的精神或范围的情况下,可以进行各种修改和变形。由于结合实施方式的精神和实质的所公开的实施方式的修改、组合、子组合、和变形对于本领域技术人员而言是可能的,因此所公开的实施方式应被解释为包括随附权利要求及其等同物的范围内的所有内容。
Claims (20)
1.一种玻璃制品,包括:
玻璃片材,所述玻璃片材包括第一主表面和第二主表面,所述第二主表面与所述第一主表面相对;
框架,所述框架包括塑料材料,所述塑料材料包括以ppm/℃为单位的热膨胀系数(α);
粘合剂,所述粘合剂将所述玻璃片材的所述第二主表面粘合至所述框架,所述粘合剂包括以MPa为单位的剪切模量(G);并且
其中选择所述框架的所述塑料材料和所述粘合剂以使得G≤Aα-3,并且其中A的单位为(MPa)(ppm/℃)+3并且等于500,000。
2.根据权利要求1所述的玻璃制品,其中所述粘合剂的所述剪切模量(G)在约0.1MPa至约100MPa的范围内。
3.根据权利要求1所述的玻璃制品,其中所述塑料材料的所述热膨胀系数(α)在约5ppm/℃至约100ppm/℃的范围内。
5.根据权利要求4所述的玻璃制品,其中所述塑料弹性模量(Ep)在约4GPa至约40GPa的范围内。
6.根据权利要求4所述的玻璃制品,其中所述框架厚度(tp)在约1mm至约15mm的范围内。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的玻璃制品,其中所述框架包括弯曲支撑表面,所述弯曲支撑表面限定具有第一曲率半径的第一曲率,并且其中所述粘合剂将所述玻璃片材的所述第二主表面粘合至所述弯曲支撑表面,使得所述玻璃片材限定具有第二曲率半径的第二曲率,所述第二曲率半径在所述第一曲率半径的10%以内。
9.根据权利要求8所述的玻璃制品,其中所述第一曲率半径为50mm或更大。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的玻璃制品,其中所述玻璃片材包括所述第一主表面和所述第二主表面之间的平均厚度为0.3mm至2.0mm。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的玻璃制品,其中所述玻璃片材包括在所述第一主表面、所述第二主表面、或所述第一主表面和所述第二主表面两者上的表面处理,其中所述表面处理为易清洁涂层、抗反射涂层、防眩光涂层、装饰性涂层、或提供触摸功能性的涂层。
12.根据权利要求1-3中任一项所述的玻璃制品,进一步包括设置在所述玻璃片材的所述第二主表面上的显示面板、触摸面板、或显示面板和触摸面板两者。
14.根据权利要求13所述的车辆内饰部件,其中所述粘合剂的所述剪切模量(G)在约0.1MPa至约100MPa的范围内。
15.根据权利要求14所述的车辆内饰部件,其中所述塑料热膨胀系数(αp)在约5ppm/℃至约100ppm/℃的范围内。
17.根据权利要求13-16中任一项所述的车辆内饰部件,其中所述塑料弹性模量(Ep)在约4GPa至约40GPa的范围内。
18.根据权利要求13-16中任一项所述的车辆内饰部件,其中所述玻璃弹性模量(Eg)在约50GPa至约100GPa的范围内。
19.根据权利要求13-16中任一项所述的车辆内饰部件,其中:
所述玻璃弹性模量(Eg)在约50GPa至约100GPa的范围内,
所述塑料厚度(tp)在约1mm至约15mm的范围内,并且
所述玻璃厚度(tg)在约0.3mm至约2mm的范围内。
20.根据权利要求13-16中任一项所述的车辆内饰部件,其中所述框架包括弯曲支撑表面,所述弯曲支撑表面限定具有第一曲率半径的第一曲率,并且其中所述粘合剂将所述玻璃片材的第二主表面粘合至所述弯曲支撑表面,使得所述玻璃片材限定具有第二曲率半径的第二曲率,所述第二曲率半径在所述第一曲率半径的10%以内。
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