ES2812827T3 - Vidrio reforzado con profundidad ultraprofunda de compresión - Google Patents
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- C03C21/00—Treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by diffusing ions or metals in the surface
- C03C21/001—Treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by diffusing ions or metals in the surface in liquid phase, e.g. molten salts, solutions
- C03C21/002—Treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by diffusing ions or metals in the surface in liquid phase, e.g. molten salts, solutions to perform ion-exchange between alkali ions
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Abstract
Un artículo de vidrio, el artículo de vidrio que comprende un vidrio de aluminosilicato alcalino y que tiene un espesor t y una región compresiva que tiene un esfuerzo de compresión CSs en un rango de 400 MPa a 1200 MPa en una superficie del artículo de vidrio, en la que la región compresiva se extiende desde la superficie hasta una profundidad de compresión DOC, en la que 0.1·t <= DOC <= 0.25·t, y tiene un perfil de tensión compresiva, el perfil de tensión compresiva comprende:
Description
DESCRIPCIÓN
Vidrio reforzado con profundidad ultraprofunda de compresión
Antecedentes
La divulgación se refiere a un artículo de vidrio reforzado químicamente. Más particularmente, la divulgación se refiere a vidrios reforzados químicamente que tienen una capa superficial compresiva profunda.
Los vidrios reforzados se utilizan ampliamente en dispositivos electrónicos como placas de cubiertas o ventanas para dispositivos de entretenimiento y comunicación electrónicos portátiles o móviles, como teléfonos móviles, teléfonos inteligentes, tabletas, reproductores de vídeo, dispositivos terminales de información (TI), ordenadores portátiles y similares, así como en otras aplicaciones. Dado que los vidrios reforzados se utilizan cada vez más, se ha vuelto más importante desarrollar materiales de vidrio reforzado que tengan una capacidad de supervivencia mejorada, especialmente cuando se someten a tensiones de tracción y/o defectos relativamente profundos provocados por el contacto con superficies duras/afiladas.
El documento US 2013/224492 A1 se refiere a vidrios con perfiles de tensión compresiva que permiten una mayor compresión de la superficie y una profundidad de capa (DOL) más profunda que la permitida en vidrios con perfiles de tensión que siguen la función de error complementario a un nivel dado de tensión almacenada.
Resumen
Se proporcionan artículos de vidrio reforzado químicamente que tienen al menos una capa de compresión profunda que se extiende desde una superficie del artículo hasta una profundidad de compresión DOC de al menos aproximadamente 125 pm dentro del artículo. En una realización, el perfil de tensión compresiva incluye un solo segmento lineal o porción que se extiende desde la superficie hasta la profundidad de compresión DOC. Alternativamente, el perfil de tensión compresiva puede incluir una porción adicional que se extiende desde la superficie hasta una profundidad relativamente baja y la porción lineal que se extiende desde la profundidad baja hasta la profundidad de compresión.
Por consiguiente, un aspecto de la divulgación es proporcionar un artículo de vidrio que tiene un espesor t y una región compresiva bajo una tensión compresiva CSs de al menos aproximadamente 120 MPa en una superficie del artículo de vidrio. La región compresiva se extiende desde la superficie hasta una profundidad de compresión DOC, en la que 0 .1 t < DOC < 0.25t, y tiene un perfil de tensión compresiva. El perfil de tensión compresiva tiene una primera porción a que se extiende desde la superficie hasta una profundidad da y una pendiente ma, en la que la profundidad da es igual a la profundidad de compresión y -0.4 MPa/pm > ma >-3.0 MPa/pm. En algunas realizaciones, la porción a es lineal o sustancialmente lineal.
Otro aspecto de la divulgación es proporcionar un vidrio de aluminosilicato alcalino que comprende al menos aproximadamente 4 % en moles de P2O5 y de 0 % en moles a aproximadamente 4 % en moles de B2O3, en el que 1.3 < [(P2O5 R2O)/M2O3] < 2.3, donde M2O3 = AhO3 B2O3, y R2O es la suma de los óxidos catiónicos monovalentes presentes en el vidrio de aluminosilicato alcalino. El vidrio de aluminosilicato alcalino tiene intercambio iónico y tiene un espesor t y una región compresiva. La región compresiva tiene una tensión compresiva CSs en un rango de aproximadamente 100 MPa a aproximadamente 400 MPa en una superficie del vidrio, y se extiende desde la superficie hasta una profundidad de compresión DOC, en la que 0.1 t< DOC < 0.25t. La región compresiva tiene un perfil de tensión compresiva. El perfil de tensión compresiva tiene una porción a que se extiende desde la superficie hasta una profundidad da y una pendiente ma, en la que la profundidad da es igual a la profundidad de compresión DOC y -0.4 MPa/pm > ma > -3.0 MPa/pm. En algunas realizaciones, la porción a es lineal o sustancialmente lineal.
La invención se refiere a un artículo de vidrio que tiene un espesor t y una región compresiva. La región compresiva tiene una tensión compresiva CSs en un rango de aproximadamente 400 MPa a aproximadamente 1200 MPa en una superficie del artículo de vidrio, y se extiende desde la superficie hasta una profundidad de compresión DOC, en la que 0.1 t < DOC < 0,25 t. La región compresiva tiene un perfil de tensión compresiva, comprendiendo el perfil de tensión compresiva: una primera porción b sustancialmente lineal que se extiende desde la superficie hasta una profundidad db por debajo de la superficie y tiene una pendiente mb, en la que -40 MPa/pm > mb > -200 MPa/pm; una segunda porción c sustancialmente lineal que se extiende desde aproximadamente dc hasta la profundidad de compresión DOC y que tiene una pendiente mc, en la que -0.4 MPa/pm >m c > -3.0 MPa/pm y una región de transición que se extiende entre db y dc que tiene una pendiente que cambia de pendiente mb a pendiente mc.
Estos y otros aspectos, ventajas y características destacadas resultarán evidentes a partir de la siguiente divulgación detallada, los dibujos adjuntos y las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es una vista esquemática en sección transversal de un artículo de vidrio reforzado químicamente;
La figura 2 es una representación esquemática de un perfil de tensión compresiva obtenido mediante un proceso de intercambio iónico de una sola etapa;
La figura 3 es una representación gráfica de una fotografía que muestra artículos de vidrio reforzado 1) que exhiben un comportamiento frangible tras la fragmentación; y 2) exhibir un comportamiento no frangible tras la fragmentación;
La Figura 4a es una representación gráfica de una fotografía que muestra artículos de vidrio reforzado 1) que exhiben un comportamiento frangible tras la fragmentación; y 2) que exhibe un comportamiento no frangible tras la fragmentación;
La figura 4b es una representación gráfica de una fotografía que muestra hojas de vidrio reforzado que exhiben un comportamiento no frangible tras la fragmentación;
La figura 5a es una vista esquemática en sección transversal de una realización del aparato que se usa para realizar la prueba de bola invertida sobre papel de lija (IBoS) descrita en la presente divulgación;
La figura 5b es una representación esquemática en sección transversal del mecanismo dominante por falla debido a la introducción de daño más la flexión que ocurre típicamente en artículos de vidrio reforzado que se usan en dispositivos electrónicos portátiles o móviles;
La figura 5c es una representación esquemática en sección transversal del mecanismo dominante por falla debido a la introducción de daño más la flexión que ocurre típicamente en artículos de vidrio reforzado que se usan en dispositivos electrónicos portátiles o móviles;
La figura 5d es un diagrama de flujo para un método de realizar la prueba de IBoS en el aparato descrito en este documento; y
La Figura 6 es una vista esquemática en sección transversal de un anillo sobre aparato de anillo.
Descripción detallada
En la siguiente descripción, similares caracteres de referencia designan partes similares o correspondientes en las diversas vistas mostradas en las figuras. También se entiende que, a menos que se especifique lo contrario, términos como “arriba”, “abajo”, “hacia afuera”, “hacia adentro” y similares son palabras de conveniencia y no deben interpretarse como términos limitantes. Además, siempre que se describa que un grupo comprende al menos uno de un grupo de elementos y combinaciones de los mismos, se entiende que el grupo puede comprender, consiste esencialmente en o consiste en cualquier número de los elementos enumerados, ya sea individualmente o en combinación juntos. De forma similar, siempre que se describa un grupo como formado por al menos uno de un grupo de elementos o combinaciones de los mismos, se entiende que el grupo puede consistir de cualquier número de los elementos enumerados, ya sea individualmente o en combinación entre sí. A menos que se especifique lo contrario, un rango de valores, cuando se enumeran, incluye los límites superior e inferior del rango, así como cualquier rango entre ellos. Tal como se usa en el presente documento, los artículos indefinidos “un”, “una” y el artículo definido correspondiente “el” significan “al menos uno” o “uno o más”, a menos que se especifique lo contrario. También se entiende que las diversas características divulgadas en la especificación y los dibujos se pueden usar en todas y cada una de las combinaciones.
Como se usa en este documento, los términos “artículo de vidrio” y “artículos de vidrio” se usan en su sentido más amplio para incluir cualquier objeto hecho total o parcialmente de vidrio. A menos que se especifique lo contrario, todas las composiciones de vidrio se expresan en términos de porcentaje en moles (% en moles) y todas las composiciones de baños de intercambio iónico se expresan en términos de porcentaje en peso (% en peso).
Se observa que los términos “sustancialmente” y “aproximadamente” pueden utilizarse en este documento para representar el grado inherente de incertidumbre que puede atribuirse a cualquier comparación cuantitativa, valor, medición u otra representación. Estos términos también se utilizan en el presente documento para representar el grado en el que una representación cuantitativa puede variar de una referencia establecida sin que resulte en un cambio en la función básica de la materia objeto en cuestión. Por tanto, un vidrio que está “sustancialmente libre de MgO” es uno en el que el MgO no se agrega o procesa activamente en el vidrio, pero puede estar presente en cantidades muy pequeñas como contaminante; por ejemplo, > 0.1 % en moles.
Haciendo referencia a los dibujos en general ya la figura 1 en particular, se entenderá que las ilustraciones tienen el propósito de describir realizaciones particulares y no pretenden limitar la divulgación o las reivindicaciones adjuntas a las mismas. Los dibujos no están necesariamente a escala, y determinadas características y determinadas vistas de los dibujos pueden mostrarse exageradas en escala o esquemáticamente en aras de la claridad y la concisión.
Como se usa en este documento, los términos “profundidad de capa” y “DOL” se refieren a la profundidad de la capa compresiva determinada por mediciones del medidor de tensión superficial (FSM) usando instrumentos disponibles comercialmente tales como el FSM-6000.
Como se usa en el presente documento, los términos “profundidad de compresión” y “DOC” se refieren a la profundidad a la que la tensión dentro del vidrio cambia de tensión compresiva a tensión de tracción. En el DOC, la tensión pasa de una tensión positiva (compresiva) a una tensión negativa (de tracción) y, por tanto, tiene un valor de cero.
Como se describe en este documento, la tensión compresiva (CS) y la tensión central (CT) se expresan en términos de megaPascales (MPa), la profundidad de capa (DOL) y la profundidad de compresión (DOC) se expresan en términos de micrones (pm), donde 1 pm = 0.001 mm, y el espesor t se expresa aquí en términos de milímetros, donde 1 mm = 1000 pm, a menos que se especifique lo contrario.
Como se usa en este documento, el término “fractura”, a menos que se especifique lo contrario, significa que una grieta se propaga a través de todo el espesor y/o toda la superficie de un sustrato cuando ese sustrato se deja caer o impacta con un objeto.
De acuerdo con la convención científica normalmente utilizada en la técnica, la compresión se expresa como una tensión negativa (<0) y la tensión se expresa como una tensión positiva (>0). Sin embargo, a lo largo de esta descripción, la tensión compresiva CS se expresa como un valor positivo o absoluto, es decir, como se menciona en el presente documento, CS = |CS| y la tensión central o tensión de tracción se expresa como un valor negativo para visualizar mejor los perfiles de tensión compresiva descritos aquí.
Como se usa en este documento, la “pendiente (m)” se refiere a la pendiente de un segmento o porción del perfil de tensión que se aproxima mucho a una línea recta. La pendiente predominante se define como la pendiente media de las regiones que están bien aproximadas como segmentos rectos. Estas son regiones en las que el valor absoluto de la segunda derivada del perfil de tensión es menor que la relación del valor absoluto de la primera derivada, y aproximadamente la mitad de la profundidad de la región, como se especifica en la ecuación (4) a continuación. Para un segmento empinado y poco profundo del perfil de tensión cerca de la superficie del artículo de vidrio reforzado, por ejemplo, el segmento esencialmente recto es la porción para cada punto cuyo valor absoluto de la segunda derivada del perfil de tensión es menor que el valor absoluto de la pendiente local del perfil de tensión dividido por la profundidad a la que el valor absoluto de la tensión cambia por un factor de 2. De manera similar, para un segmento del perfil más profundo dentro del vidrio, la porción recta del segmento es la región para la cual la segunda derivada local del perfil de tensión tiene un valor absoluto que es menor que el valor absoluto de la pendiente local del perfil de tensión dividido por la mitad del DOC.
Para los perfiles de tensión típicos, este límite de la segunda derivada garantiza que la pendiente cambia relativamente lentamente con la profundidad y, por lo tanto, está razonablemente bien definida y se puede utilizar para definir regiones de pendiente que son importantes para los perfiles de tensión que se consideran ventajosos para rendimiento de caída.
Sea la tensión como perfil una función de la profundidad x dada por la función
ar = a(x) ( 1),
y sea la primera derivada del perfil de tensión con respecto a la profundidad
y la segunda derivada sea
Si un segmento poco profundo se extiende aproximadamente a una profundidad ds, entonces, con el propósito de definir una pendiente predominante, una porción recta del perfil es una región donde
Si un segmento profundo se extiende aproximadamente a una profundidad DOC mayor, o una profundidad mayor dd, o una profundidad DOL en términos tradicionales, entonces una porción recta del perfil es una región donde
La última ecuación también es válida para un perfil de tensión de 1 segmento obtenido mediante un intercambio iónico simple en una sal que contiene solo un ion alcalino distinto del ion que se reemplaza en el vidrio para el fortalecimiento químico.
Preferiblemente, los segmentos rectos se seleccionan como regiones donde
donde d representa la profundidad relevante para la región, superficial o profunda.
La pendiente m de los segmentos lineales de los perfiles de tensión compresiva descritos en este documento se dan da | da
como valores absolutos de la pendiente dx - es decir, m, como se menciona aquí, es igual a dx '
Más específicamente, la pendiente m representa el valor absoluto de la pendiente de un perfil para el cual la tensión comprensiva generalmente disminuye en función del aumento de la profundidad.
En el presente documento se describen artículos de vidrio que se refuerzan químicamente mediante intercambio iónico para obtener un perfil de tensión compresiva prescrito y, por lo tanto, logran capacidad de supervivencia cuando se dejan caer sobre una superficie dura abrasiva desde una altura prescrita.
La tensión compresiva CS y la profundidad de la capa DOL son parámetros de perfil de tensión que se han utilizado durante años para permitir el control de calidad del refuerzo químico. La tensión compresiva CS proporciona una estimación de la compresión de la superficie, un parámetro importante que se correlaciona bien con la cantidad de tensión que debe aplicarse para provocar una falla en un artículo de vidrio, particularmente cuando el vidrio está libre de defectos mecánicos sustancialmente profundos. La profundidad de la capa DOL se ha utilizado como una medida aproximada de la profundidad de penetración del catión más grande (fortalecimiento) (p. ej., K+ durante el intercambio de K+ para Na+), con un DOL más grande correlacionado bien con mayores profundidades de la capa de compresión, protegiendo el vidrio al detener los defectos más profundos y evitando que los defectos causen fallas en condiciones de tensión aplicada externamente relativamente baja.
Incluso con una flexión menor a moderada de un artículo de vidrio, el momento de flexión induce una distribución de tensión que es generalmente lineal con la profundidad de la superficie, teniendo una tensión de tracción máxima en el lado exterior de la flexión, una tensión compresiva máxima en el lado interior de la flexión, y tensión cero en la llamada superficie neutra, que generalmente se encuentra en el interior. Para las partes de vidrio templado, esta distribución de tensión de pendiente constante inducida por flexión se agrega al perfil de tensión de templado para dar como resultado el perfil de tensión neta en presencia de tensión externa (de flexión).
El perfil neto en presencia de tensión inducida por flexión generalmente tiene una profundidad de compresión DOC diferente del perfil de tensión sin flexión. En particular, en el lado exterior de flexión, la profundidad de compresión DOC se reduce en presencia de flexión. Si el perfil de tensión de revenido tiene una pendiente de tensión relativamente pequeña en profundidades en la vecindad y más pequeñas que el DOC, el DOC puede caer muy sustancialmente en presencia de flexión. En el perfil de tensión neta, las puntas de fallas moderadamente profundas podrían estar expuestas a tensión, mientras que las mismas puntas de fallas normalmente se detendrían en la región compresiva del perfil de templado sin flexionarse. Por lo tanto, estos defectos moderadamente profundos pueden crecer y provocar fracturas durante la flexión.
Las tensiones de flexión también son importantes durante la prueba de caída. Las regiones de tensión localizadas variables en el tiempo se producen durante las vibraciones mecánicas y la propagación de ondas a través del artículo de vidrio. Al aumentar la altura de caída, el artículo de vidrio experimenta mayores tensiones variables en el tiempo durante el contacto con la superficie del suelo, así como durante las vibraciones que se producen después del contacto. Por lo tanto, pueden producirse algunas fallas por fractura debido a un esfuerzo de tracción posterior al contacto excesivo que se produce en la punta de un defecto relativamente poco profundo que normalmente sería inocuo en presencia de templado sin estos esfuerzos variables en el tiempo.
La presente divulgación describe una gama de pendientes que proporciona una buena compensación entre el rendimiento del artículo de vidrio durante las pruebas de caída y durante las pruebas de flexión. En algunos casos, los rangos preferibles pueden estar parcialmente definidos o limitados por las capacidades y limitaciones de los equipos de medición de tensión (como, por ejemplo, el medidor de tensión FSM-6000) para la recolección e interpretación de espectros asociados con estos perfiles con fines de control de calidad durante la producción. No solo la profundidad de la capa DOL, sino también la pendiente del perfil de tensión (a través de la pendiente del perfil de índice asociado con el perfil de tensión), afectan la capacidad de resolver líneas particulares en los espectros de acoplamiento y, por lo tanto, de controlar eficazmente la calidad del producto.
El intercambio de iones se usa comúnmente para fortalecer químicamente vidrios. En un ejemplo particular, los cationes alcalinos dentro de una fuente de dichos cationes (p. ej., una sal fundida o un baño de “ intercambio iónico”) se intercambian con cationes alcalinos más pequeños dentro del vidrio para lograr una capa que esté bajo un esfuerzo de compresión (CS) cerca de la superficie del vidrio. Por ejemplo, los iones de potasio de la fuente de cationes a menudo se intercambian con iones de sodio dentro del vidrio. La capa compresiva se extiende desde la superficie hasta una profundidad dentro del vidrio.
En la Figura 1 se muestra una vista esquemática en sección transversal de un artículo de vidrio de intercambio iónico plano. 1) El artículo 100 de vidrio tiene un espesor t, una primera superficie 110 y una segunda superficie 112. En algunas realizaciones, el artículo 100 de vidrio tiene un espesor t de al menos 0.15 mm y hasta aproximadamente (es decir, menor o igual a) aproximadamente 2.0 mm, o hasta aproximadamente 1.0 mm, o hasta aproximadamente 0.7 mm, o hasta aproximadamente 0.5 mm. Aunque la realización mostrada en la figura 1 representa el artículo 100 de vidrio como una hoja o placa plana, el artículo 100 de vidrio puede tener otras configuraciones, tales como una forma tridimensional u otras configuraciones no planas. El artículo 100 de vidrio tiene una primera región 120 compresiva que se extiende desde la primera superficie 110 hasta una profundidad de compresión (DOC) d1 en el volumen del artículo 100 de vidrio. En la realización mostrada en la figura 1, el artículo 100 de vidrio también tiene una segunda región 122 compresiva que se extiende desde la segunda superficie 112 hasta una segunda profundidad de compresión (DOC) d2. El artículo 100 de vidrio también tiene una región 130 central que se extiende desde d1 hasta d2. La región 130 central está sometida a una tensión de tracción, que tiene un valor máximo en el centro de la región 130 central, denominada tensión central o tensión central (CT). La tensión de tracción de la región 130 equilibra o contrarresta las tensiones de compresión CS de las regiones 120 y 122. Las profundidades d-i, d2 de la primera y segunda regiones 120, 122 compresivas protegen el artículo 100 de vidrio de la propagación de defectos introducidos por un impacto brusco en la primera y segundas superficies 110, 112 del artículo 100 de vidrio, mientras que la tensión compresiva CS minimiza la probabilidad de que un defecto crezca y penetre a través de la profundidad d1, d2 de la primera y segunda regiones 120, 122 compresivas.
Los artículos de vidrio reforzado descritos en el presente documento tienen una tensión compresiva máxima CSs de al menos aproximadamente 150 megaPascales (MPa). En algunas realizaciones, la tensión compresiva CSs máxima es de al menos aproximadamente 100 MPa, en otras realizaciones, al menos 140 MPa y, en algunas realizaciones, hasta aproximadamente 400 MPa. En algunas realizaciones, la tensión compresiva CSs máxima se encuentra en la superficie (110, 112 en la Figura 1). En otras realizaciones, sin embargo, los Cs de máxima compresión pueden estar ubicados en la región (120, 122) compresiva a cierta profundidad por debajo de la superficie del artículo de vidrio. Cada región (120, 122) compresiva se extiende desde la superficie del artículo de vidrio hasta una profundidad de compresión DOC (d1, d2) de al menos aproximadamente 95 micrómetros (pm) a aproximadamente 250 pm. En algunas realizaciones, DOC está en un rango de aproximadamente 100 pm y, en otra realización, de aproximadamente 140 pm a aproximadamente 190 pm. La profundidad de compresión d Oc (d1, d2) también puede expresarse en términos del espesor t del artículo 100 de vidrio. En algunas realizaciones, 0 .1 t < DOC < 0.25 t y, en otras realizaciones, 0.12 t < DOC < 0.22 t.
La tensión compresiva varía en función de la profundidad por debajo de la superficie del artículo de vidrio reforzado, produciendo un perfil de tensión compresiva en la región compresiva. En algunas realizaciones, el perfil de tensión compresiva es sustancialmente lineal con respecto a la profundidad debajo de la superficie dentro de la región de compresión, como se muestra esquemáticamente en la figura 2. En la figura 2, la tensión compresiva se comporta sustancialmente de forma lineal con respecto a la profundidad debajo de la superficie, dando como resultado una línea recta a con una pendiente ma, expresada en MPa/pm, que intercepta el eje vertical y (CS) en CSs. El perfil CS an intercepta el eje x en la profundidad de compresión DOC. En este punto, la tensión total (tensión compresión) es cero. Por debajo de DOC, el artículo de vidrio está en tensión CT, alcanzando un valor central CT. En un ejemplo no limitativo, puede haber una subregión en la que la tensión varíe desde 0 hasta una tensión máxima (en valor absoluto) igual a CT, y una región en la que la tensión sea sustancialmente constante e igual a CT.
En algunos aspectos de la divulgación, la porción sustancialmente lineal del perfil de tensión compresiva a del artículo de vidrio aquí descrito tiene una pendiente ma que está dentro de un rango especificado. En la Figura 2, por ejemplo, la pendiente ma de la línea a se encuentra entre el límite superior 82 y el límite inferior 61; es decir, 82 < ma < 81. En algunas realizaciones, la pendiente ma está en un rango de aproximadamente -0.4 MPa/pm a aproximadamente -3.0 MPa/pm. En algunas formas de realización, -0.7 MPa/pm > m a ^ -2.7 MPa/pm, en otras formas de realización, -1.0 MPa/pm > ma >-2.0 MPa/pm y, en otras formas de realización, -1.5 MPa/pm > ma >-2.7 MPa/pm. Cuando la pendiente ma tiene tales valores y la profundidad de compresión DOC es de al menos aproximadamente 95 pm, la resistencia del vidrio reforzado a al menos un tipo de modo de falla (p. ej., perforación muy profunda) que puede prevalecer en fallas de campo de ciertos diseños de dispositivos son particularmente ventajosos.
El perfil de tensión compresiva es una combinación de más de una función sustancialmente lineal, como se muestra esquemáticamente en la figura 3 aunque sin la región de transición. Como se ve en la figura 3, el perfil de tensión compresiva tiene un primer segmento o porción b y un segundo segmento o porción c. La primera porción b exhibe un comportamiento sustancialmente lineal desde la superficie reforzada del artículo de vidrio hasta una profundidad db. La primera porción b tiene una pendiente mb e y intercepta CSs. La segunda porción c del perfil de tensión comprensiva
se extiende desde aproximadamente la profundidad db hasta la profundidad de compresión DOC, y tiene una pendiente mc. La tensión compresiva CS (db) a la profundidad db viene dado por la expresión
CS(db) « CSs - db(mb) (7).
En algunas realizaciones, la profundidad db está en un rango de aproximadamente 3 pm a aproximadamente 8 pm; es decir, 3 pm < db < 8 pm. En otras realizaciones, 3 pm < db < 10 pm. En otras realizaciones más, 3 pm < db < 15 pm.
Las diferentes porciones o segmentos lineales del perfil de tensión compresiva están unidas por una región de transición (no mostrada) en la que la pendiente del perfil pasa de una primera pendiente a una segunda pendiente (por ejemplo, de mb a mc).
Como se muestra en la figura 3, la pendiente de la porción b del perfil de tensión compresiva es mucho más pronunciada que la pendiente de la porción b; es decir, |mb| >> |mc|. Esto corresponde a una condición en la que se crea un perfil de tensión compresiva que tiene un “pico” en la superficie del artículo de vidrio mediante múltiples procesos de intercambio iónico llevados a cabo en sucesión para proporcionar a la superficie una tensión compresiva suficiente para resistir la introducción o el crecimiento de algunas fallas producidas por impacto.
En algunas realizaciones, los perfiles de tensión compresiva b y c del artículo de vidrio descrito en el presente documento tienen pendientes mb y mc, respectivamente, que están dentro de rangos especificados. En la Figura 3, por ejemplo, la pendiente mb de la línea/primera porción b se encuentra entre el límite superior 63 y el límite inferior 64 y la pendiente mc de la línea/primera porción c se encuentra entre el límite superior 65 y el límite inferior 66; es decir, 63 > mb ^ 64 y 65 > mc > 66. En algunas realizaciones, -40 MPa/pm > mb >-200 MPa/pm y -0.7 MPa/pm > mc >- -2.0 MPa/pm. En algunas realizaciones, -40 MPa/pm > mb >-120 MPa/pm y, en algunas realizaciones, -50 MPa/pm > mb >-120 MPa/pm. En algunas realizaciones, la pendiente mc está en un rango de aproximadamente -0,4 MPa/pm a aproximadamente -3.0 MPa/pm. En algunas realizaciones, -0.7 MPa/pm > mc > -2.7 MPa/pm, en otras formas de realización, -1.0 MPa/pm > mc >-2.0 MPa/pm y, en otras formas de realización, -1.5 MPa/pm > m c > -2.7 MPa/pm.
La tensión compresiva CS y la profundidad de capa compresiva (denominada “profundidad de capa” o DOL) se miden utilizando los medios conocidos en la técnica. Dichos medios incluyen, pero no se limitan a, la medición de la tensión superficial (FSM) usando instrumentos disponibles comercialmente tales como el FSM-6000, fabricado por Luceo Co., Ltd. (Tokio, Japón), o similares. Los métodos para medir la tensión compresiva y la profundidad de la capa se describen en ASTM 1422C-99, titulada “Standard Specification for Chemically Strengthened Flat Glass”, y AsTm 1279.19779 “Standard Test Method for Non-Destructive Photoelastic Measurement of Edge and Surface Stresses in Annealed, Heat-Strengthened, and Fully-Tempered Flat Glass”. Las mediciones de tensión superficial se basan en la medición precisa del coeficiente óptico de tensión (SOC), que está relacionado con la birrefringencia del vidrio. El coeficiente óptico de tensión se mide a su vez mediante los métodos que se conocen en la técnica, como los métodos de fibra y de flexión de cuatro puntos, ambos descritos en la norma ASTM C770-98 (2008), titulada “Standard Test Method for Measurement of Glass Stress-Optical Coefficient” y un método de cilindro de volumen.
La relación entre CS y CT de tensión central puede, en algunas realizaciones, aproximarse mediante la expresión:
CT = (CS • DOL)/(t - 2 DOL) (8),
donde t es el espesor, expresado en micrones (pm), del artículo de vidrio. En diversas secciones de la divulgación, la tensión central CT y la tensión compresiva CS se expresan en megaPascales (MPa), el espesor t se expresa en micrones (pm) o milímetros (mm), y la profundidad de la capa DOL se expresa en micrones (pm ) o milímetros (mm), de acuerdo con la representación de t.
Para artículos de vidrio reforzado en los que las capas de tensión compresiva se extienden a profundidades mayores dentro del vidrio, la técnica FSM puede sufrir problemas de contraste que afectan el valor DOL observado. A valores más profundos de DOL, puede haber un contraste inadecuado entre los espectros TE y TM, lo que dificulta el cálculo de la diferencia entre los espectros TE y TM y, por lo tanto, la determinación del DOL. Además, el análisis del software FSM es incapaz de determinar el perfil de tensión compresiva (es decir, la variación de la tensión compresiva en función de la profundidad dentro del vidrio). Además, la técnica FSM es incapaz de determinar la profundidad de capa resultante del intercambio iónico de ciertos elementos como, por ejemplo, el intercambio iónico de sodio por litio.
El DOL según lo determinado por el FSM es una aproximación relativamente buena para la profundidad de compresión (DOC) cuando el DOL es una pequeña fracción r del espesor t y el perfil del índice tiene una distribución de profundidad con una aproximación razonablemente buena con un perfil truncado lineal simple. Cuando el DOL es una fracción sustancial del espesor, como DOL > 0.1 t, entonces el DOC suele ser notablemente más bajo que el DOL. Por ejemplo, en el caso idealizado de un perfil lineal truncado, se cumple la relación DOC = DOL (1 - r), donde r = DOL/t.
La mayoría de los perfiles de índice TM y TE tienen una porción curvada cerca de la parte inferior del perfil de índice, y la relación entre DOC y DOL pueden estar algo más involucradas, pero generalmente la relación DOC/DOL
disminuye a medida que aumenta r. Para algunas formas de perfil, es posible tener incluso DOC > DOL, particularmente cuando r < 0.02.
Cuando el perfil de concentración del catión más grande (fortalecimiento) (por ejemplo, K+) introducido por intercambio iónico tiene dos segmentos, el segmento más cercano a la superficie tiene una concentración sustancialmente mayor y el segmento se extiende a grandes profundidades y teniendo una concentración sustancialmente más baja, el DOL según lo encontrado por el FSM es significativamente más pequeño que la profundidad total de penetración química del ion más grande. Esto contrasta con el caso de un perfil de difusión simple de un segmento en el que el DOL proporciona una buena estimación de la penetración química. En un perfil de dos segmentos, el DOC puede ser mayor o menor que el DOL, dependiendo de los parámetros de profundidad y tensión del perfil y del espesor.
Cuando se aplican tensiones externas bajas a un vidrio reforzado, los defectos que causan la fractura tienen profundidades que se correlacionan mejor con el DOC que con el DOL. La razón por la que el DOL se ha utilizado con éxito como un parámetro de alto valor de fortalecimiento químico es que, para perfiles de tensión simples de un solo segmento, el DOL ha tenido una buena correlación con DOC. Además, el DOC y el DOL han sido similares, ya que durante muchos años el DOL ha sido por lo general inferior a 0,1 -t, y en su mayor parte inferior a 0.05t. Por lo tanto, para el vidrio tradicional reforzado químicamente, el DOL ha tenido una buena correlación con la profundidad de los defectos que limitan la resistencia.
Con la importancia cada vez mayor de las cubiertas de cristales más delgados (p. ej., que tengan t < 0.5 mm) y la introducción de perfiles de tensión más profundos y complejos destinados a mejorar el rendimiento de caída al tiempo que se conserva una alta resistencia en pruebas de alta tensión, como el anillo sobre anillo (ROR), anillo sobre anillo desgastado (AROR) y doblado de cuatro puntos (4PB), la profundidad de la capa DOL se desvía significativamente de la profundidad de compresión DOC. Los defectos que provocan fracturas en condiciones de baja tensión externa a menudo ocurren a profundidades menores que el DOL, pero son consistentes con el DOC.
Las técnicas descritas a continuación se han desarrollado para determinar con mayor precisión la profundidad de compresión (DOC) y los perfiles de tensión compresiva para artículos de vidrio reforzado.
En la solicitud de patente de EE.UU. No 13/463,322, titulada “Systems And Methods for Measuring the Stress Profile of lon-Exchanged Glass” (en lo sucesivo denominado “Roussev I”), presentada por Rostislav V. Roussev et al. el 3 de mayo de 2012 y reivindicando la prioridad de la Solicitud de Patente Provisional de los Estados Unidos No. 61/489,800, con el mismo título y presentada el 25 de mayo de 2011, se divulgan dos métodos para extraer perfiles de tensión detallados y precisos (tensión en función de la profundidad) vidrio templado o reforzado químicamente. Los espectros de los modos ópticos ligados para la polarización TM y TE se recopilan mediante técnicas de acoplamiento de prismas y se utilizan en su totalidad para obtener perfiles de índice de refracción TM y TE detallados y precisos njM (z) y njE (z). En una realización, los perfiles de índice detallados se obtienen a partir de los espectros de modo utilizando el método inverso de Wentzel-Kramers-Brillouin (IWKB).
En otra realización, los perfiles de índice detallados se obtienen ajustando los espectros de modo medidos a espectros calculados numéricamente de formas funcionales predefinidas que describen las formas de los perfiles de índice y obteniendo los parámetros de las formas funcionales del mejor ajuste. El perfil de tensión detallado S(z) se calcula a partir de la diferencia de los perfiles de índice TM y TE recuperados utilizando un valor conocido del coeficiente de tensión óptica
S(z) = [nTM(z) - iite(z)]/SOC (9).
Debido al pequeño valor del SOC, la birrefringencia nTM(z) - nTE(z) a cualquier profundidad z es una fracción relativamente pequeña (típicamente del orden del 1 %) de cualquiera de los índices nTM(z) y nTE(z). La obtención de perfiles de tensión que no estén significativamente distorsionados debido al ruido en los espectros del modo medido requiere la determinación de los índices efectivos del modo con una precisión del orden de 0,00001 RIU (unidades de índice de refracción). Los métodos divulgados en Roussev I incluyen además técnicas aplicadas a los datos brutos para garantizar una precisión tan alta para los índices de modo medidos, a pesar del ruido y/o el contraste deficiente en los espectros de modo TE y TM recopilados o imágenes de los espectros de modo. Dichas técnicas incluyen promediado de ruido, filtrado y ajuste de curvas para encontrar las posiciones de los extremos correspondientes a los modos con resolución de subpíxeles.
De manera similar, la Solicitud de Patente de Estados Unidos No 14/033,954, titulada “Systems and Methods for Measuring Birefringence in Glass and Glass-Ceramics (en adelante “Roussev II”), presentada por Rostislav V. Roussev et al. el 23 de septiembre de 2013, y reivindicando prioridad a la Solicitud Provisional de los Ee . UU. Número de serie 61/706,891, con el mismo título y presentada el 28 de septiembre de 2012, divulga aparatos y métodos para medir ópticamente la birrefringencia en la superficie de vidrio y cerámica de vidrio, incluyendo vidrio opaco y vitrocerámica. A diferencia de Roussev I, en el que se identifican espectros discretos de modos, los métodos descritos en Roussev II se basan en un análisis cuidadoso de la distribución de intensidad angular para la luz TM y TE reflejada por una interfaz prisma-muestra en una configuración de medidas de acoplamiento de prisma.
En otro método divulgado, las derivadas de las señales TM y TE se determinan después de la aplicación de alguna combinación de las técnicas de acondicionamiento de señales mencionadas anteriormente. Las ubicaciones de las derivadas máximas de las señales TM y TE se obtienen con resolución de subpíxeles, y la birrefringencia superficial es proporcional al espaciado de los dos máximos anteriores, con un coeficiente determinado como antes por los parámetros del aparato.
Asociado con el requisito de una extracción de intensidad correcta, el aparato comprende varias mejoras, como el uso de una superficie de dispersión de luz (difusor estático) en las proximidades o sobre la superficie de entrada del prisma para mejorar la uniformidad angular de la iluminación, un movimiento difusor para la reducción del moteado cuando la fuente de luz es coherente o parcialmente coherente, y recubrimientos que absorben la luz en porciones de las caras de entrada y salida del prisma y en las caras laterales del prisma, para reducir el fondo parásito que tiende a distorsionar la señal de intensidad. Además, el aparato puede incluir una fuente de luz infrarroja para permitir la medición de materiales opacos.
Además, Roussev II divulga un rango de longitudes de onda y coeficientes de atenuación de la muestra estudiada, donde las mediciones se permiten mediante los métodos descritos y las mejoras del aparato. El rango está definido por asA < 250nas, donde as es el coeficiente de atenuación óptica en la longitud de onda de medición A, y Os es el valor esperado de la tensión que se medirá con la precisión requerida típicamente para aplicaciones prácticas. Este amplio rango permite obtener medidas de importancia práctica en longitudes de onda en las que la gran atenuación óptica hace que los métodos de medida previamente existentes sean inaplicables. Por ejemplo, Roussev II divulga mediciones exitosas de birrefringencia inducida por tensión de vitrocerámica blanca opaca a una longitud de onda de 1550 nm, donde la atenuación es mayor de aproximadamente 30 dB/mm.
Si bien se señaló anteriormente que existen algunos problemas con la técnica FSM a valores de DOL más profundos, FSM sigue siendo una técnica convencional beneficiosa que puede utilizarse con el entendimiento de que es posible un rango de error de hasta /- 20 % en valores DOL más profundos. Los términos “profundidad de capa” y “DOL” como se usan en este documento se refieren a valores de DOL calculados usando la técnica FSM, mientras que los términos “profundidad de compresión” y “DOC” se refieren a profundidades de la capa compresiva determinadas por los métodos descritos en Roussev I y II.
Como se indicó anteriormente, los artículos de vidrio se pueden fortalecer químicamente mediante intercambio iónico. En este proceso, los iones en o cerca de la superficie del vidrio son reemplazados o intercambiados con iones más grandes que generalmente tienen la misma valencia u estado de oxidación. En aquellas realizaciones en las que el artículo de vidrio comprende, consiste esencialmente en, o consiste en un vidrio de aluminosilicato alcalino, los iones en la capa superficial del vidrio y los iones más grandes son cationes de metales alcalinos monovalentes, tales como Na+ (cuando Li+ está presente en el vidrio), K+, Rb+ y Cs+. Alternativamente, los cationes monovalentes en la capa superficial pueden reemplazarse con cationes monovalentes distintos de los cationes de metales alcalinos, tales como Ag+ o similares.
Los procesos de intercambio de iones se llevan a cabo típicamente sumergiendo un artículo de vidrio en un baño de sales fundidas que contiene los iones más grandes que se intercambiarán con los iones más pequeños del vidrio. Los expertos en la técnica apreciarán que los parámetros para el proceso de intercambio iónico, que incluyen, pero no se limitan a, la composición y temperatura del baño, el tiempo de inmersión, el número de inmersiones del vidrio en un baño de sal (o baños), uso de múltiples baños de sal, las etapas adicionales tales como recocido, lavado y similares, generalmente están determinadas por la composición del vidrio y la profundidad deseada de capa y la tensión compresiva del vidrio que resulta de la operación de refuerzo. A modo de ejemplo, el intercambio iónico de vidrios que contienen metales alcalinos puede lograrse mediante inmersión en al menos un baño fundido que contiene una sal tal como, pero sin limitarse a, nitratos, sulfatos y cloruros del ion de metal alcalino más grande. La temperatura del baño de sal fundida se encuentra típicamente en un rango de aproximadamente 380 °C hasta aproximadamente 450 °C, mientras que los tiempos de inmersión varían de aproximadamente 15 minutos a aproximadamente 40 horas. Sin embargo, también se pueden usar temperaturas y tiempos de inmersión diferentes de los descritos anteriormente.
Además, ejemplos no limitantes de procesos de intercambio iónico en los que el vidrio se sumerge en múltiples baños de intercambio iónico, con etapas de lavado y/o recocido entre inmersiones, se describen en la Patente de Estados Unidos No 8,561,429, de Douglas C. Allan et al. al., emitida el 22 de octubre de 2013, titulada “Glass with Compressive Surface for Consumer Applications” y reivindicando prioridad de la Solicitud de Patente Provisional de EE. UU. No.
61/079,995, presentada el 11 de julio de 2008, en la que el vidrio se refuerza mediante inmersión en múltiples, sucesivos tratamientos de intercambio iónico en baños de sal de diferentes concentraciones; y Patente de Estados Unidos No 8,312,739, de Christopher M. Lee et al., expedida el 20 de noviembre de 2012, y titulada “Dual Stage Ion Exchange for Chemical Strengthening of Glass”, y reivindicando prioridad de la Solicitud de patente provisional de Estados Unidos No 61/084,398, presentada el 29 de julio de 2008, en el que el vidrio se refuerza mediante intercambio iónico en un primer baño que se diluye con un ion efluente, seguido de inmersión en un segundo baño que tiene una concentración menor del ion efluente que el primer baño.
La tensión compresiva se crea reforzando químicamente el artículo de vidrio, por ejemplo, mediante los procesos de intercambio iónico descritos anteriormente en este documento, en los que una pluralidad de primeros iones metálicos en la región exterior del artículo de vidrio se intercambia con una pluralidad de segundos iones metálicos de modo que la región exterior comprenda la pluralidad de los segundos iones metálicos. Cada uno de los primeros iones metálicos tiene un primer radio iónico y cada uno de los segundos iones de metales alcalinos tiene un segundo radio iónico. El segundo radio iónico es mayor que el primer radio iónico, y la presencia de los segundos iones de metales alcalinos más grandes en la región externa crea la tensión compresiva en la región externa.
Al menos uno de los primeros iones metálicos y los segundos iones metálicos son iones de un metal alcalino. Los primeros iones pueden ser iones de litio, sodio, potasio y rubidio. Los iones del segundo metal pueden ser iones de uno de entre sodio, potasio, rubidio y cesio, con la condición de que el segundo ion de metal alcalino tenga un radio iónico mayor que el radio iónico que el primer ion de metal alcalino.
En algunos aspectos de la divulgación, el vidrio se refuerza en una única etapa de intercambio iónico para producir el perfil de tensión compresiva mostrado en la figura 2) Normalmente, el vidrio se sumerge en un baño de sal fundida que contiene una sal del catión de metal alcalino más grande. En algunas realizaciones, el baño de sal fundida contiene o consiste esencialmente en sales del catión de metal alcalino más grande. Sin embargo, pueden estar presentes pequeñas cantidades - en algunas realizaciones, menos de aproximadamente 10% en peso, en algunas realizaciones, menos de aproximadamente 5 % en peso, y, en otras realizaciones menos de aproximadamente 2 % en peso - de sales del catión de metal alcalino más pequeño pueden estar presentes en el baño. En otras realizaciones, las sales del catión de metal alcalino más pequeño pueden comprender al menos aproximadamente 30 % en peso, o al menos aproximadamente 40 % en peso, o de aproximadamente 40 % en peso a aproximadamente 75 % en peso del baño de intercambio iónico. Este proceso de intercambio iónico único puede tener lugar a una temperatura de al menos aproximadamente 400 °C y, en algunas realizaciones, al menos aproximadamente 440 °C, durante un tiempo suficiente para lograr la profundidad deseada de compresión DOC. En algunas realizaciones, el proceso de intercambio iónico de una sola etapa se puede realizar durante al menos ocho horas, dependiendo de la composición del baño.
En una realización, el vidrio se refuerza en un método de intercambio iónico dual o de dos pasos para producir el perfil de tensión compresiva mostrado en la figura 3) En primer paso del proceso, el vidrio tiene intercambio de iones en el primer baño de sal fundida descrito anteriormente. Una vez completado el primer intercambio iónico, el vidrio se sumerge en un segundo baño de intercambio iónico. El segundo baño de intercambio iónico es diferente, es decir, está separado del primer baño y, en algunas realizaciones, tiene una composición diferente - del primer baño. En algunas realizaciones, el segundo baño de intercambio iónico contiene solo sales del catión de metal alcalino más grande, aunque, en algunas realizaciones, pequeñas cantidades del catión de metal alcalino más pequeño (por ejemplo, < 2 % en peso; < 3 % en peso) pueden estar presentes en el baño. Además, el tiempo y la temperatura de inmersión del segundo paso de intercambio iónico pueden diferir de los del primer paso de intercambio iónico. En algunas realizaciones, la segunda etapa de intercambio iónico se lleva a cabo a una temperatura de al menos aproximadamente 350 °C y, en otras realizaciones, al menos aproximadamente 380 °C. La duración de la segunda etapa de intercambio iónico es suficiente para lograr la profundidad deseada da del segmento poco profundo, en algunas realizaciones, puede ser de 30 minutos o menos. En otras realizaciones, la duración es de 15 minutos o menos y, en algunas realizaciones, en un rango de aproximadamente 10 minutos a aproximadamente 60 minutos.
El segundo baño de intercambio iónico es diferente del primer baño de intercambio iónico, porque el segundo paso de intercambio iónico está dirigido a suministrar una concentración diferente del catión más grande o, en algunas realizaciones, un catión completamente diferente, al artículo de vidrio de aluminosilicato alcalino que el primer paso de intercambio iónico. En una o más realizaciones, el segundo baño de intercambio iónico puede comprender al menos aproximadamente un 95 % en peso de una composición de potasio que suministra iones de potasio al artículo de vidrio de aluminosilicato alcalino. En una realización específica, el segundo baño de intercambio iónico puede comprender desde aproximadamente el 98 % hasta aproximadamente el 99.5 % en peso de la composición de potasio. Si bien es posible que el segundo baño de intercambio iónico solo comprenda al menos una sal de potasio, el segundo baño de intercambio iónico puede, en realizaciones adicionales, comprender 0-5% en peso, o aproximadamente 0.5-2.5 % en peso de al menos una sal de sodio, por ejemplo, NaNO3. En una realización ejemplar, la sal de potasio es KNO3. En realizaciones adicionales, la temperatura de la segunda etapa de intercambio iónico puede ser 380 °C o más.
El propósito de la segunda etapa de intercambio iónico es formar un “pico” que aumente la tensión compresiva en la región inmediatamente adyacente a la superficie del artículo de vidrio, como se representa por la porción b del perfil de tensión mostrado en la figura 3.
Los artículos de vidrio descritos en este documento pueden comprender o consistir esencialmente en cualquier vidrio que esté químicamente reforzado por intercambio iónico. En algunas realizaciones, el vidrio es un vidrio de aluminosilicato alcalino.
En una realización, el vidrio de aluminosilicato alcalino comprende o consiste esencialmente en al menos uno de alúmina y óxido de boro, y al menos uno de un óxido de metal alcalino y un óxido de metal alcalinotérreo, en el que -15 % en moles < (R2O R'O - AhO3 - ZrO2) - B2O3 < 4 % en moles, donde R es uno de Li, Na, K, Rb y Cs, y R' es al
menos uno de Mg, Ca, Sr y Ba. En algunas realizaciones, el vidrio de aluminosilicato alcalino comprende o consiste esencialmente en: desde aproximadamente 62 % en moles hasta aproximadamente 70 % en moles de SO2; de 0 % en moles a aproximadamente 18 % en moles de AhOa; de 0 % en moles a aproximadamente 10 % en moles de B2O3; de 0 % en moles a aproximadamente 15 % en moles de Li2O; de 0 % en moles a aproximadamente 20 % en moles de Na2O; de 0 % en moles a aproximadamente 18 % en moles de K2O; de 0 % en moles a aproximadamente 17 % en moles de MgO; de 0 % en moles a aproximadamente 18 % en moles de CaO; y de 0 % en moles a aproximadamente 5 % en moles de ZrO2. En algunas realizaciones, el vidrio comprende alúmina y óxido de boro y al menos un óxido de metal alcalino, en el que -15 % en moles < (R2O R'O - AhO3 - ZrO2) - B2O3 < 4 % en moles, donde R es al menos uno de Li, Na, K, Rb y Cs, y R' es al menos uno de Mg, Ca, Sr y Ba; en el que 10 < AhO3 B2O3 ZrO2 <30 y 14 < R2O R'O < 25; en el que el vidrio de silicato comprende o consiste esencialmente en: 62-70 % en moles de SO2; 0-18 % en moles de AhO3; 0-10 % en moles de B2O3; 0-15 % en moles de Li2O; 6-14 % en moles de Na2O; 0 18 % en moles de K2O; 0-17 % en moles de MgO; 0-18 % en moles de CaO; y 0-5 % en moles de ZrO2. El vidrio se describe en la Solicitud de Patente de Estados Unidos No 12/277,573 presentada el 25 de noviembre de 2008 por Matthew J. Dejneka et al. y titulada “Glasses Having Improved Toughness And Scratch Resistance” y la patente de EE.UU. No 8,652,978 presentada el 17 de agosto de 2012 por Matthew J. Dejneka et al. y titulada “Glasses Having Improved Toughness And Scratch Resistance”, ambas reivindicando prioridad sobre la Solicitud de Patente Provisional de los Estados Unidos No. 61/004,677, presentada el 29 de noviembre de 2008.
En otra realización, el vidrio de aluminosilicato alcalino comprende o consiste esencialmente en: de aproximadamente 60 % en moles a aproximadamente 70 % en moles de SO2; de aproximadamente 6 % en moles a aproximadamente 14% en moles de AhO3; de 0% en moles a aproximadamente 15% en moles de B2O3; de 0% en moles a aproximadamente 15 % en moles de Li2O; de 0 % en moles a aproximadamente 20 % en moles de Na2O; de 0 % en moles a aproximadamente 10 % en moles de K2O; de 0 % en moles a aproximadamente 8 % en moles de MgO; de 0 % en moles a aproximadamente 10 % en moles de CaO; de 0 % en moles a aproximadamente 5 % en moles de ZrO2; de 0 % en moles a aproximadamente 1 % en moles de SnO2; de 0 % en moles a aproximadamente 1 % en moles de CeO2; menos de aproximadamente 50 ppm de As2O3; y menos de aproximadamente 50 ppm de Sb2O3; en el que 12 % en moles < Li2O Na2O K2O < 20 % en moles y 0 % en moles < MgO CaO < 10 % en moles. En algunas realizaciones, el vidrio de aluminosilicato alcalino comprende o consiste esencialmente en: 60-70 % en moles de SiO2; 6-14 % en moles de AhO3; 0-3 % en moles de B2O3; 0-1 % en moles de Li2O; 8-18 % en moles de Na2O; 0 5 % en moles de K2O; 0-2.5 % en moles de CaO; más de 0 % en moles a 3 % en moles de ZrO2; 0-1 % en moles de SnO2; y 0-1 % en moles de CeO2, en el que 12 % en moles < Li2O Na2O K2O < 20 % en moles, y en el que el vidrio de silicato comprende menos de 50 ppm de As2O3. En algunas realizaciones, el vidrio de aluminosilicato alcalino comprende o consiste esencialmente en: 60-72 % en moles de SiO2; 6-14 % en moles de AhO3; 0-3 % en moles de B2O3; 0-1 % en moles de Li2O; 0-20 % en moles de Na2O; 0-10 % en moles de K2O; 0-2.5 % en moles de CaO; 0-5 % en moles de ZrO2; 0-1 % en moles de SnO2; y 0-1 % en moles de CeO2, en el que 12 % en moles < Li2O Na2O K2O < 20 % en moles, y en el que el vidrio de silicato comprende menos de 50 ppm de As2O3 y menos de 50 ppm de Sb2O3. El vidrio se describe en la patente de EE.UU. No. 8,158,543 de Sinue Gomez et al., titulada “Fining Agents for Silicate Glasses”, presentada el 25 de febrero de 2009; La patente de EE.UU. No. 8,431,502 de SinueGomez et al., titulado “Silicate Glasses Having Low Seed Concentration”, presentada el 13 de junio de 2012; y la patente de EE.UU. No. 8,623,776, de Sinue Gomez et al., titulada “Silicate Glasses Having Low Seed Concentration”, presentada el 19 de junio de 2013, todas las cuales reivindican la prioridad de la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos No. 61/067,130, presentada el 26 de febrero de 2008.
En otra realización, el vidrio de aluminosilicato alcalino comprende SiO2 y Na2O, en el que el vidrio tiene una temperatura T35kp a la cual el vidrio tiene una viscosidad de 35 kilo poise (kpoise), en la que la temperatura Truptura a la que el circón se descompone para formar ZrO2 y SiO2 es mayor que T35kp. En algunas realizaciones, el vidrio de aluminosilicato alcalino comprende o consiste esencialmente en: de aproximadamente 61 % en moles a aproximadamente 75 % en moles de SO2; de aproximadamente 7 % en moles a aproximadamente 15 % en moles de AhO3; de 0% en moles a aproximadamente 12% en moles de B2O3; de aproximadamente un 9% en moles a aproximadamente un 21 % en moles de Na2O; de 0 % en moles a aproximadamente 4 % en moles de K2O; de 0 % en moles a aproximadamente 7 % en moles de MgO; y de 0 % en moles a aproximadamente 3 % en moles de CaO. El vidrio se describe en la patente de EE.UU. No. 8,802,581 de Matthew J. Dejnekaet al., titulada “Zircon Compatible Glasses for Down Draw”, presentada el 10 de agosto de 2010, y reivindicando la prioridad de la Solicitud de Patente Provisional de los Estados Unidos No. 61/235,762, presentada el 29 de agosto de 2009.
En otra realización, el vidrio de aluminosilicato alcalino comprende al menos 50 % en moles de SiO2 y al menos un modificador seleccionado del grupo que consiste en óxidos de metales alcalinos y óxidos de metales alcalinotérreos, en el que [(AhO3 (% en moles) B2O3 (% en moles))/(£ modificadores de metales alcalinos (% en moles))] >1. En algunas realizaciones, el vidrio de aluminosilicato alcalino comprende o consiste esencialmente en: de 50 % en moles a aproximadamente 72 % en moles de SO2; de aproximadamente 9 % en moles a aproximadamente 17 % en moles de AhO3; de aproximadamente 2 % en moles a aproximadamente 12 % en moles de B2O3; de aproximadamente 8 % en moles a aproximadamente 16 % en moles de Na2O; y de 0 % en moles a aproximadamente 4 % en moles de K2O. En algunas realizaciones, el vidrio comprende o consiste esencialmente en: al menos 58 % en moles de SO2; al menos 8% en moles de Na2O; de 5.5% en moles a 12% en moles de B2O3; y AhO3, en el que [(AhO3 (% en moles) B2O3 (% en moles))/(£ modificadores de metales alcalinos (% en moles))] > 1, AhO3 (% en moles) > B2O3 (% en moles), 0.9 < R2O/AhO3 <1.3. El vidrio se describe en la Patente de los Estados Unidos No. 8,586,492, titulada
“Crack And Scratch Resistant Glass and Enclosures Made Therefrom”, presentada el 18 de agosto de 2010 por Kristen L. Barefoot et al., Y la Solicitud de patente de los Estados Unidos No. 14/082,847, titulada “Crack And Scratch Resistant Glass and Enclosures Made Therefrom”, presentada el 18 de noviembre de 2013 por Kristen L. Barefoot et al., Ambos reivindicando prioridad sobre la Solicitud de Patente Provisional de los Estados Unidos No. 61/235,767, presentada el 21 de agosto de 2009.
En otra realización, el vidrio de aluminosilicato alcalino comprende SiO2, AhO3, P2O5 y al menos un óxido de metal alcalino (R2O), en el que 0.75<[(P2O5 (% en moles) R2O (% en moles))/M2O3 (% en moles)] <1.2, donde M2O3 = AhO3 B2O3. En algunas realizaciones, el vidrio de aluminosilicato alcalino comprende o consiste esencialmente en: de aproximadamente 40 % en moles a aproximadamente 70 % en moles de SO2; de 0 % en moles a aproximadamente 28 % en moles de B2O3; de 0 % en moles a aproximadamente 28 % en moles de AhO3; de aproximadamente 1 % en moles a aproximadamente 14 % en moles de P2O5; y de aproximadamente 12 % en moles a aproximadamente 16 % en moles de R2O y, en ciertas realizaciones, de aproximadamente 40 a aproximadamente 64 % en moles de SO2; de 0 % en moles a aproximadamente 8 % en moles de B2O3; de aproximadamente 16 % en moles a aproximadamente 28 % en moles de AhO3; de aproximadamente 2 % en moles a aproximadamente 12 % en moles de P2O5; y de aproximadamente 12 % en moles a aproximadamente 16 % en moles de R2O. El vidrio se describe en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos No 13/305,271 de Dana C. Bookbinderet al., titulada “ Ion Exchangeable Glass with Deep Compressive Layer and High Damage Threshold”, presentada el 28 de noviembre de 2011 y reivindicando prioridad sobre la Solicitud de Patente Provisional de los Estados Unidos No. 61/417,941, presentada el 30 de noviembre de 2010.
En otra realización más, el vidrio de aluminosilicato alcalino comprende al menos aproximadamente 50 % en moles de SO2 y al menos aproximadamente 11 % en moles de Na2O, y tiene una tensión compresiva superficial de al menos aproximadamente 900 MPa. En algunas realizaciones, el vidrio comprende además AhO3 y al menos uno de B2O3, K2O, MgO y ZnO, en el que -340 27.1AhO3 - 28.7B2O3 15.6Na2O - 61.4K2O 8.1(MgO ZnO) > 0 % en moles. En realizaciones particulares, el vidrio comprende o consiste esencialmente en: de aproximadamente 7 % en moles a aproximadamente 26 % en moles de Al2O3; de 0 % en moles a aproximadamente 9 % en moles de B2O3; de aproximadamente 11 % en moles a aproximadamente 25 % en moles de Na2O; de 0 % en moles a aproximadamente 2.5% en moles de K2O; de 0% en moles a aproximadamente 8.5% en moles de MgO; y de 0% en moles a aproximadamente 1.5 % en moles de CaO. El vidrio se describe en la Solicitud de Patente de Estados Unidos No.
13/533,298, de Matthew J. Dejnekaet al., titulada “ Ion Exchangeable Glass with High Compressive Stress”, presentada el 26 de junio de 2012, y reivindicando prioridad sobre la Solicitud de Patente Provisional de los Estados Unidos No.
61/503,734, presentada el 1 de julio de 2011.
En otras realizaciones, el vidrio de aluminosilicato alcalino es intercambiable de iones y comprende: al menos aproximadamente 50 % en moles de SiO2; al menos aproximadamente 10 % en moles de R2O, en el que R2O comprende Na2O; AhO3; y B2O3, en el que B2O34R2O - AhO3) > 3 % en moles. En algunas realizaciones, el vidrio comprende: al menos aproximadamente 50 % en moles de SiO2; al menos aproximadamente 10 % en moles de R2O, en el que R2O comprende Na2O; AhO3, en el que AhO3 (% en moles) < R2O (% en moles); y de 3 mol 5 a 4.5 % en moles de B2O3, en el que B2O3 (% en moles) -(R2O (% en moles) - AhO3 (% en moles)) > 3 % en moles. En ciertas realizaciones, el vidrio comprende o consiste esencialmente en: al menos aproximadamente 50 % en moles de SO2; de aproximadamente un 9 % en moles a aproximadamente un 22 % en moles de AhO3; de aproximadamente 3 % en moles a aproximadamente 10 % en moles de B2O3; de aproximadamente un 9 % en moles a aproximadamente un 20 % en moles de Na2O; de 0 % en moles a aproximadamente 5 % en moles de K2O; al menos aproximadamente 0.1 % en moles de MgO, ZnO o combinaciones de los mismos, en el que 0 < MgO <6 y 0 < ZnO < 6 % en moles; y, opcionalmente, al menos uno de CaO, BaO y SrO, en el que 0 % en moles < CaO SrO BaO < 2 % en moles. Cuando se realiza un intercambio iónico, el vidrio, en algunas realizaciones, tiene un umbral de iniciación de grietas Vickers de al menos aproximadamente 10 kgf. Tales vidrios se describen en la Solicitud de Patente de Estados Unidos No. 14/197,658, presentada el 28 de mayo de 2013 por Matthew J. Dejneka et al., titulada “Zircon Compatible, Ion Exchangeable Glass with High Damage Resistance”, que es una continuación de la solicitud de patente de EE.UU. No. 13/903,433, presentada el 28 de mayo de 2013 por Matthew J. Dejneka et al., titulada “Zircon Compatible, Ion Exchangeable Glass with High Damage Resistance”, ambas reivindicando prioridad sobre la Solicitud de Patente Provisional No. 61/653,489, presentada el 31 de mayo de 2012.
En algunas realizaciones, el vidrio comprende: al menos aproximadamente 50 % en moles de SiO2; al menos aproximadamente 10 % en moles de R2O, en el que R2O comprende Na2O; AhO3, en el que -0.5 % en moles < AhO3 (% en moles) - R2O (% en moles) < 2 % en moles; y B2O3, y en el que B2O3 (% en moles) -(R2O (% en moles) - AhO3 (% en moles)) > 4.5 % en moles. En otras realizaciones, el vidrio tiene una temperatura de degradación del circón que es igual a la temperatura a la que el vidrio tiene una viscosidad mayor de aproximadamente 40 kPoise y comprende: al menos aproximadamente 50 % en moles de SO2; al menos aproximadamente 10 % en moles de R2O, en el que R2O comprende Na2O; AhO3; y B2O3, en el que B2O3 (% en moles) -(R2O (% en moles) - AhO3 (% en moles)) > 4.5 % en moles. En otras realizaciones más, el vidrio tiene intercambio iónico, tiene un umbral de iniciación de la grieta Vickers de al menos aproximadamente 30 kgf, y comprende: al menos aproximadamente 50 % en moles de SO2; al menos aproximadamente 10% en moles de R2O, en el que R2O comprende Na2O; AhO3, en el que -0.5% en moles < AhO3 (% en moles) - R2O (% en moles) < 2 % en moles; y B2O3, en el que B2O3 (% en moles) -(R2O (% en moles)- AhO3 (% en moles)) >4.5 % en moles. Dichos vidrios se describen en la Solicitud de Patente de Estados
Unidos No. 13/903,398, de Matthew J. Dejnekaet al., titulada “Ion Exchangeable Glass with High Damage Resistance”, presentada el 28 de mayo de 2013, reivindicando la prioridad de la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos No. 61/653,485, presentada el 31 de mayo de 2012.
En determinadas realizaciones, el vidrio de aluminosilicato alcalino comprende al menos aproximadamente 4 % en moles de P2O5, en el que (M2O3 (% en moles)/RxO (% en moles)) <1, en el que M2O3 = AhO3 B2O3, y en el que RxO es la suma de óxidos catiónicos monovalentes y divalentes presentes en el vidrio de aluminosilicato alcalino. En algunas realizaciones, los óxidos catiónicos monovalentes y divalentes se seleccionan del grupo que consiste en Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O, MgO, CaO, SrO, BaO y ZnO. En algunas realizaciones, el vidrio comprende 0 % en moles de B2O3. En algunas realizaciones, el vidrio tiene intercambio de iones hasta una profundidad de capa de al menos aproximadamente 10 pm y comprende al menos aproximadamente 4 % en moles de P2O5, en el que 0.6 < [M2O3 (% en moles)/RxO (% en moles)] <1.4 o 1.3 < [(P2O5 R2O)/M2O3] á 2.3, donde M2O3 = AhO3 B2O3, RxO es la suma de óxidos catiónicos monovalentes y divalentes presentes en el vidrio de aluminosilicato alcalino, y R2O es la suma de óxidos catiónicos monovalentes presentes en el vidrio de aluminosilicato alcalino. En una realización, el vidrio comprende al menos aproximadamente 4 % en moles de P2O5 y de 0 % en moles a aproximadamente 4 % en moles de B2O3, en el que 1.3 < [(P2O5 R2O)/M2O3] á 2.3, donde M2O3 = AhO3 B2O3, y R2O es la suma de los óxidos catiónicos monovalentes presentes en el vidrio de aluminosilicato alcalino. En algunas realizaciones, el vidrio está libre de litio y consiste esencialmente de aproximadamente 40 % en moles a aproximadamente 70 % en moles de SO2; de aproximadamente 11 % en moles a aproximadamente 25 % en moles de AhO3; de aproximadamente 4 % en moles a aproximadamente 15 % en moles de P2O5; de aproximadamente 13 % en moles a aproximadamente 25 % en moles de Na2O; de aproximadamente 13 a aproximadamente 30 % en moles de RxO, donde RxO es la suma de los óxidos de metales alcalinos, óxidos de metales alcalinotérreos y monóxidos de metales de transición presentes en el vidrio; de aproximadamente 11 a aproximadamente 30 % en moles de M2O3, donde M2O3 = AhO3 B2O3; de 0 % en moles a aproximadamente 1 % en moles de K2O; de 0 % en moles a aproximadamente 4 % en moles de B2O3, y 3 % en moles o menos de uno o más de TiO2, MnO, Nb2O5, MoO3, Ta2O5, WO3, ZrO2, Y2O3, La2O3, HfO2, CdO, SnO2, Fe2O3, CeO2, As2O3, Sb2O3, Cl y Br; el vidrio no contiene litio; y 1.3 < [(P2O5 R2O)/M2O3] á 2.3, donde R2O es la suma de los óxidos de catión monovalente presentes en el vidrio. El vidrio se describe en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos No. 13/678,013 de Timothy M. Gross, titulada “ Ion Exchangeable Glass with High Crack Initiation Threshold”, presentada el 15 de noviembre de 2012, y la Patente de los Estados Unidos No. 8,756,262 de Timothy M. Gross, titulada “Ion Exchangeable Glass with High Crack Initiation Threshold”, presentada el 15 de noviembre de 2012, ambas reivindicando prioridad sobre la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos No. 61/560,434 presentada el 16 de noviembre de 2011.
En otras realizaciones, el vidrio de aluminosilicato alcalino comprende: de aproximadamente 50 % en moles a aproximadamente 72 % en moles de SO2; de aproximadamente 12 % en moles a aproximadamente 22 % en moles de AhO3; hasta aproximadamente un 15 % en moles de B2O3; hasta aproximadamente 1 % en moles de P2O5; de aproximadamente 11 % en moles a aproximadamente 21 % en moles de Na2O; hasta aproximadamente 5 % en moles de K2O; hasta aproximadamente 4 % en moles de MgO; hasta aproximadamente 5 % en moles de ZnO; y hasta aproximadamente 2 % en moles de CaO. En algunas realizaciones, el vidrio comprende: de aproximadamente 55 % en moles a aproximadamente 62 % en moles de SO2; de aproximadamente 16 % en moles a aproximadamente 20 % en moles de Al2O3; de aproximadamente 4 % en moles a aproximadamente 10 % en moles de B2O3; de aproximadamente 14 % en moles a aproximadamente 18 % en moles de Na2O; de aproximadamente 0.2 % en moles a aproximadamente 4 % en moles de K2O; hasta aproximadamente 0.5 % en moles de MgO; hasta aproximadamente 0.5 % en moles de ZnO; y hasta aproximadamente 0.5 % en moles de CaO, en el que el vidrio está sustancialmente libre de P2O5. En algunas formas de realización, Na2O K2O - AhO3 á 2.0 % en moles y, en determinadas formas de realización, Na2O K2O - AhO3 á 0.5 % en moles. En algunas realizaciones, B2O3 -(Na2O K2O - AhO3) > 4 % en moles y, en ciertas realizaciones, B2O3 -(Na2O K2O - AhO3) > 1 % en moles. En algunas formas de realización, 24 % en moles á RAIO4 á 45 % en moles, y, en otras formas de realización, 28 % en moles á RAIO4 á 45 % en moles, donde R es al menos uno de Na, K y Ag. El vidrio se describe en la Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos No.
61/909,049 de Matthew J. Dejnekaet al., titulado “Fast 30 Ion Exchangeable Glasses with High Indentation Threshold”, presentada el 26 de noviembre de 2013.
En algunas realizaciones, los vidrios descritos en el presente documento están sustancialmente libres de al menos uno de entre arsénico, antimonio, bario, estroncio, bismuto y sus compuestos. En otras realizaciones, los vidrios pueden incluir hasta aproximadamente 0.5 % en moles de Li2O, o hasta aproximadamente 5 % en moles de Li2O o, en algunas realizaciones, hasta aproximadamente 10 % en moles de Li2O. En otras realizaciones, estos vidrios están libres de Li2O.
En algunas realizaciones, los vidrios descritos en el presente documento, cuando se intercambian iones, son resistentes a la introducción de defectos por impacto agudo o repentino. Por consiguiente, estos vidrios de intercambio iónico exhiben un umbral de iniciación de grietas Vickers de al menos aproximadamente 10 kilogramos de fuerza (kgf) hasta aproximadamente 50 kgf. En ciertas realizaciones, estos vidrios exhiben un umbral de iniciación de grietas Vickers de al menos 20 kgf y, en algunas realizaciones, al menos aproximadamente 30 kgf.
Los vidrios descritos en el presente documento pueden, en algunas realizaciones, ser estirables hacia abajo mediante procesos conocidos en la técnica, tales como estirado por ranuras, estirado por fusión, reestirado y similares, y tener
una viscosidad líquida de al menos 130 kilopoise. Además de las composiciones enumeradas anteriormente, se pueden usar otras diversas composiciones de vidrio de aluminosilicato alcalino intercambiable de iones.
Los vidrios reforzados descritos en este documento se consideran adecuados para diversas formas bidimensionales y tridimensionales y se pueden utilizar en diversas aplicaciones, y se contemplan en este documento diversos espesores. En algunas realizaciones, el artículo de vidrio tiene un espesor en un rango de aproximadamente 0.1 mm a aproximadamente 1.5 mm. En algunas realizaciones, el artículo de vidrio tiene un grosor en un rango de aproximadamente 0.1 mm hasta aproximadamente 1.0 mm y, en ciertas realizaciones, de aproximadamente 0.1 mm hasta aproximadamente 0.5 mm.
Los artículos de vidrio reforzado también pueden definirse por su tensión central CT. En una o más realizaciones, los artículos de vidrio reforzado descritos en el presente documento tienen un CT <150 MPa, o un CT < 125 MPa, o CT <100 MPa. La tensión central del vidrio reforzado se correlaciona con el comportamiento frangible del artículo de vidrio reforzado.
En otro aspecto de la divulgación, se proporciona un método para fabricar un artículo de vidrio reforzado que tiene al menos una capa de tensión compresiva que se extiende desde una superficie del artículo de vidrio reforzado hasta una profundidad de compresión DOC de al menos aproximadamente 125 pm. El método incluye, en algunas realizaciones, una única etapa de intercambio iónico en la que un artículo de vidrio de aluminosilicato alcalino se sumerge en un primer baño de intercambio iónico a una temperatura superior a 400 °C durante un tiempo suficiente para que la capa de tensión compresiva tenga una profundidad de compresión de al menos aproximadamente 100 MPa y, en otras realizaciones, al menos aproximadamente 140 MPa y hasta aproximadamente 400 MPa después de la etapa de intercambio iónico.
Los tiempos de inmersión reales en el baño de intercambio iónico pueden depender de factores tales como la temperatura y/o la composición del baño de intercambio iónico, la difusividad de los cationes dentro del vidrio y similares. Por consiguiente, se contemplan como adecuados diversos períodos de tiempo para el intercambio iónico. En aquellos casos en los que los cationes de potasio del baño de intercambio iónico se intercambian por cationes de sodio en el vidrio, el baño normalmente comprende nitrato de potasio (KNO3). Aquí, la etapa de intercambio iónico, en algunas realizaciones, puede realizarse durante un tiempo de al menos 5 horas. Los períodos de intercambio iónico más prolongados para la etapa de intercambio iónico pueden correlacionarse con un mayor contenido de iones sodio en el primer baño de intercambio iónico. En algunas realizaciones, el contenido de iones de sodio deseado en el primer baño de intercambio iónico se puede lograr, por ejemplo, incluyendo al menos aproximadamente un 30 % en peso o, en algunas realizaciones, al menos aproximadamente un 40 % en peso de un compuesto de sodio como el nitrato de sodio (NaNO3) o similar en el primer baño de intercambio iónico. En algunas realizaciones, el compuesto de sodio representa de aproximadamente el 40 % a aproximadamente el 60 % en peso del primer baño de intercambio iónico. En una realización ejemplar, la primera etapa de intercambio iónico se lleva a cabo a una temperatura de aproximadamente 440 °C o más y, en algunas realizaciones, hasta aproximadamente 500 °C.
Después de que se realiza el primer paso de intercambio iónico, el artículo de vidrio reforzado puede tener una tensión compresiva máxima (CS) de al menos aproximadamente 100 MPa y, en otras realizaciones, al menos 140 MPa y, en algunas realizaciones, hasta aproximadamente 400 MPa. La primera etapa de intercambio iónico logra una profundidad de capa compresiva/profundidad de compresión DOC de aproximadamente 100 pm a aproximadamente 200 pm y, en algunas realizaciones, aproximadamente 140 pm a 200 pm después de la primera etapa de intercambio iónico.
En algunos aspectos de la divulgación, se puede realizar una segunda etapa de intercambio iónico sumergiendo el artículo de vidrio de aluminosilicato alcalino en un segundo baño de intercambio iónico a una temperatura de al menos 350 °C hasta aproximadamente 450 °C durante un tiempo suficiente para producir el segmento poco profundo con una profundidad db (figura 3) de al menos aproximadamente 3 pm después de la etapa de intercambio iónico descrita anteriormente. En algunas realizaciones, el segundo baño de intercambio iónico difiere en composición y/o temperatura del primer baño de intercambio iónico. El segundo paso de intercambio iónico logra una tensión compresiva en la superficie de al menos aproximadamente 400 MPa a aproximadamente 1200 MPa.
El segundo paso de intercambio de iones es un paso de intercambio de iones relativamente rápido que produce un “pico” de tensión compresiva cerca de la superficie del vidrio como se muestra en la figura 3). En una o más realizaciones, la segunda etapa de intercambio iónico puede realizarse durante un tiempo de hasta aproximadamente 30 minutos o, en otras realizaciones, hasta aproximadamente 15 minutos o, en algunas realizaciones, en un rango de aproximadamente 10 minutos a aproximadamente 60 minutos.
La segunda etapa de intercambio iónico está dirigida a suministrar un ion diferente al artículo de vidrio de aluminosilicato alcalino que el ion proporcionado por la primera etapa de intercambio iónico. Por tanto, la composición del segundo baño de intercambio iónico difiere de la del primer baño de intercambio iónico. En algunas realizaciones, el segundo baño de intercambio iónico comprende al menos aproximadamente un 95 % en peso de una composición de potasio (por ejemplo, KNO3) que suministra iones de potasio al artículo de vidrio de aluminosilicato alcalino. En una realización específica, el segundo baño de intercambio iónico puede comprender desde aproximadamente el 98 %
hasta aproximadamente el 99.5 % en peso de la composición de potasio. Si bien es posible que el segundo baño de intercambio iónico comprenda solo una sal (o sales) de potasio, el segundo baño de intercambio iónico puede, en realizaciones adicionales, comprender hasta aproximadamente 2% en peso o de aproximadamente 0.5% a aproximadamente 1.5% en peso de una composición de sodio como, por ejemplo, NaNO3. En realizaciones adicionales, la temperatura de la segunda etapa de intercambio iónico puede ser 390 °C o mayor.
El comportamiento frangible se caracteriza por al menos uno de: rotura del artículo de vidrio reforzado (por ejemplo, una placa u hoja) en múltiples trozos pequeños (por ejemplo, < 1 mm); el número de fragmentos formados por unidad de área del artículo de vidrio; ramificación de múltiples grietas a partir de una grieta inicial en el artículo de vidrio; expulsión violenta de al menos un fragmento a una distancia especificada (por ejemplo, aproximadamente 5 cm o aproximadamente 2 pulgadas) desde su ubicación original; y combinaciones de cualquiera de los comportamientos de ruptura (tamaño y densidad), agrietamiento y expulsión anteriores. Como se usa en este documento, los términos “comportamiento frangible” y “frangibilidad” se refieren a aquellos modos de fragmentación violenta o enérgica de un artículo de vidrio reforzado sin restricciones externas, tales como revestimientos, capas adhesivas o similares. Si bien pueden usarse revestimientos, capas adhesivas y similares junto con los artículos de vidrio reforzado descritos en este documento, tales restricciones externas no se usan para determinar la frangibilidad o el comportamiento frangible de los artículos de vidrio.
En las Figuras 4a y 4b se muestran ejemplos de comportamiento frangible y comportamiento no frangible de artículos de vidrio reforzado tras el impacto puntual con una marca que tiene una punta afilada de carburo de tungsteno (WC). La prueba de impacto puntual que se utiliza para determinar el comportamiento frangible incluye un aparato que se suministra a la superficie del artículo de vidrio con una fuerza que es suficiente para liberar la energía almacenada internamente presente dentro del artículo de vidrio reforzado. Es decir, la fuerza de impacto puntual es suficiente para crear al menos una nueva grieta en la superficie de la hoja de vidrio reforzada y extender la grieta a través de la región CS de tensión compresiva (es decir, profundidad de capa) en la región que está bajo tensión central CT. La energía de impacto necesaria para crear o activar la grieta en una hoja de vidrio reforzada depende de la tensión compresiva CS y la profundidad de la capa DOL del artículo y, por lo tanto, de las condiciones bajo las cuales se reforzó la hoja (es decir, las condiciones utilizadas para reforzar un vidrio por intercambio iónico). De lo contrario, cada placa de vidrio de intercambio iónico mostrada en las Figuras 13a y 13b se sometieron a un contacto con un penetrador de dardo afilado (por ejemplo, una marca con una punta de WC afilada) suficiente para propagar una grieta en la región interna de la placa, estando la región interna bajo tensión de tracción. La fuerza aplicada a la placa de vidrio fue suficiente para alcanzar el comienzo de la región interna, permitiendo así que la energía que impulsa la grieta provenga de las tensiones de tracción en la región interna en lugar de la fuerza del impacto del dardo en la superficie externa. El grado de eyección se puede determinar, por ejemplo, centrando la muestra de vidrio en una rejilla, impactando la muestra y midiendo la distancia de eyección de piezas individuales utilizando la rejilla.
Haciendo referencia a la figura 4a, la placa de vidrio a puede clasificarse como frangible. En particular, la placa de vidrio se fragmentó en múltiples piezas pequeñas que fueron expulsadas y exhibieron un alto grado de ramificación de grietas desde la grieta inicial para producir las piezas pequeñas. Aproximadamente el 50 % de los fragmentos tienen un tamaño inferior a 1 mm, y se estima que entre 8 y 10 grietas se ramificaron desde la grieta inicial. También se expulsaron piezas de vidrio a unos 5 cm de la placa de vidrio original a, como se ve en la figura 4a. Un artículo de vidrio que presenta cualquiera de los tres criterios (es decir, ramificación de grietas múltiples, expulsión y fragmentación extrema) descritos anteriormente se clasifica como frangible. Por ejemplo, si un vidrio exhibe una ramificación excesiva solo pero no exhibe eyección o fragmentación extrema como se describió anteriormente, el vidrio todavía se caracteriza como frangible.
Las placas de vidrio b, c, (figura 4b) yd (figura 4a) se clasifican como no frangibles. En cada una de estas muestras, la hoja de vidrio se ha roto en una pequeña cantidad de piezas grandes. La placa de vidrio b (figura 4a), por ejemplo, se ha roto en dos grandes piezas sin ramificaciones de grietas; la placa de vidrio c (figura 4b) se ha roto en cuatro pedazos con dos grietas que se ramifican desde la grieta inicial; y la placa de vidrio d (figura 14a) se ha roto en cuatro pedazos con dos grietas que se ramifican desde la grieta inicial. En base a la ausencia de fragmentos expulsados (es decir, ninguna pieza de vidrio expulsada con fuerza a más de 2 pulgadas de su ubicación original), ningún fragmento visible que sea menor o igual a 1 mm de tamaño y la cantidad mínima de ramificación de grietas observada, muestras b, c y d se clasifican como no frangibles o sustancialmente no frangibles.
En base a lo anterior, se puede construir un índice de frangibilidad (Tabla 1) para cuantificar el grado de comportamiento frangible o no frangible de un artículo de vidrio, vitrocerámica y/o cerámica tras el impacto con otro objeto. Se han asignado números de índice, que van del 1 para el comportamiento no frangible al 5 para el comportamiento altamente frangible, para describir diferentes niveles de frangibilidad o no frangibilidad. Usando el índice, la frangibilidad se puede caracterizar en términos de numerosos parámetros: 1) el porcentaje de la población de fragmentos que tienen un diámetro (es decir, dimensión máxima) de menos de 1 mm (“Tamaño de fragmento” en la Tabla 1); 2) el número de fragmentos formados por unidad de área (en este caso, cm2) de la muestra (“Densidad de fragmentos” en la Tabla 1); 3) el número de grietas que se ramifican desde la grieta inicial formada en el momento del impacto (“Ramificación de grietas” en la Tabla 1); y 4) el porcentaje de la población de fragmentos que se expulsa al impactar a más de aproximadamente 5 cm (o aproximadamente 2 pulgadas) de su posición original (“Expulsión” en la Tabla 1).
Tabla 1. Criterios para determinar el grado de frangibilidad y el índice de frangibilidad.
Se asigna un índice de frangibilidad a un artículo de vidrio si el artículo cumple al menos uno de los criterios asociados con un valor de índice particular. Alternativamente, si un artículo de vidrio cumple los criterios entre dos niveles particulares de frangibilidad, al artículo se le puede asignar un rango de índice de frangibilidad (por ejemplo, un índice de frangibilidad de 2-3). Al artículo de vidrio se le puede asignar el valor más alto de índice de frangibilidad, según se determina a partir de los criterios individuales listados en la Tabla 1. En muchos casos, no es posible determinar los valores de cada uno de los criterios, como la densidad de fragmentación o el porcentaje de fragmentos expulsados a más de 5 cm de su posición original, listados en la Tabla 1. Por lo tanto, los diferentes criterios se consideran medidas alternativas individuales de comportamiento frangible y el índice de frangibilidad, de modo que a un artículo de vidrio que se encuentre dentro de un nivel de criterio se le asignará el grado correspondiente de frangibilidad e índice de frangibilidad. Si el índice de frangibilidad basado en cualquiera de los cuatro criterios enumerados en la Tabla 1 es 3 o mayor, el artículo de vidrio se clasifica como frangible.
Aplicando el índice de frangibilidad anterior a las muestras mostradas en las figuras 13a y 13b, la placa de vidrio a fragmentada en múltiples piezas pequeñas expulsadas y exhibió un gran grado de ramificación de grietas desde la grieta inicial para producir las piezas pequeñas. Aproximadamente el 50 % de los fragmentos tienen un tamaño inferior a 1 mm y se estima que de 8 a 10 grietas se ramificaron desde la grieta inicial. Basándose en los criterios listados en la Tabla 1, la placa de vidrio a tiene un índice de frangibilidad de entre aproximadamente 4-5 y se clasifica como de grado medio-alto de frangibilidad.
Un artículo de vidrio que tiene un índice de frangibilidad de menos de 3 (baja frangibilidad) puede considerarse no frangible o sustancialmente no frangible. Las placas de vidrio b, c y d carecen cada una de fragmentos que tengan un diámetro de menos de 1 mm, ramificaciones múltiples desde la grieta inicial formada tras el impacto y fragmentos expulsados a más de 5 cm de su posición original. Las placas de vidrio b, c y d no son frangibles y, por lo tanto, tienen un índice de frangibilidad de 1 (no frangible).
Como se discutió anteriormente, las diferencias observadas en el comportamiento entre la placa de vidrio a, que exhibió un comportamiento frangible, y las placas de vidrio b, c y d, que exhibieron un comportamiento no frangible, en las figuras 4a y 4b pueden atribuirse a diferencias en la tensión central CT entre las muestras analizadas. La posibilidad de tal comportamiento frangible es una consideración en el diseño de varios productos de vidrio, como placas de cubierta o ventanas para dispositivos electrónicos portátiles o móviles, como teléfonos celulares, dispositivos de entretenimiento y similares, así como para pantallas para dispositivos terminales de información (TI), como ordenadores portátiles. Además, la profundidad de la capa de compresión DOL y el valor máximo de la tensión compresiva CS que puede diseñarse o proporcionarse a un artículo de vidrio están limitados por dicho comportamiento frangible.
Por consiguiente, los artículos de vidrio reforzado descritos aquí, en algunas realizaciones, exhiben un índice de frangibilidad de menos de 3 cuando se someten a un impacto puntual suficiente para romper el artículo de vidrio reforzado. En otras realizaciones, los artículos de vidrio reforzado no frangible pueden alcanzar un índice de frangibilidad de menos de 2 o menos de 1.
Los artículos de vidrio reforzado descritos en el presente documento demuestran una resistencia mejorada a la fractura cuando se someten a repetidos ensayos de caída. El propósito de tales pruebas de caída es caracterizar el comportamiento de dichos artículos de vidrio en uso normal como vitrinas o placas de cubierta para dispositivos electrónicos de mano tales como teléfonos celulares, teléfonos inteligentes y similares.
En la figura 5a se muestra un concepto típico de prueba de caída de bola que se utiliza actualmente. El conjunto 250 de prueba de caída de bola incluye un sustrato 212 sólido y duro tal como una losa de granito o similar y una bola 230 de acero de masa y diámetro predeterminados. Se fija una muestra 220 de vidrio al sustrato 212, y se coloca un trozo de papel de lija 214 que tiene el grano deseado en la superficie superior de la muestra 220 de vidrio opuesta al sustrato
212. El papel de lija 214 se coloca sobre la muestra 220 de vidrio de manera que la superficie 214a rugosa del papel de lija contacta con la superficie 222 superior de la muestra 220 de vidrio. Se permite que la bola 230 de acero caiga libremente desde una altura h predeterminada sobre el papel de lija 214. La superficie 222 superior o cara de compresión de la muestra 220 de vidrio hace contacto con la superficie 214a rugosa del papel de lija 214, introduciendo grietas en la superficie de la superficie superior/cara 222 de compresión. La altura h puede aumentarse gradualmente hasta que se alcanza una altura máxima o la muestra de vidrio se fractura.
La prueba 250 de caída de bola descrita anteriormente no representa el verdadero comportamiento del vidrio cuando se deja caer y entra en contacto con una superficie rugosa. En cambio, se sabe que la cara del vidrio se dobla hacia afuera en tensión, en lugar de hacia adentro en compresión, como se muestra en la figura 5a.
Una prueba de bola invertida sobre papel de lija (IBoS) es una prueba de nivel de componente dinámico que imita el mecanismo dominante de falla debido a la introducción de daño más la flexión que ocurre típicamente en artículos de vidrio reforzado que se utilizan en dispositivos electrónicos móviles o de mano, como se muestra esquemáticamente en la figura 5c. En el campo, la introducción de daños (a en la figura 5c) se produce en la superficie superior del vidrio. La fractura se inicia en la superficie superior del vidrio y el daño penetra en la capa compresiva (b en la figura 5c) o la fractura se propaga por flexión en la superficie superior o por tensión central (c en la figura 5c). La prueba IBoS está diseñada para introducir simultáneamente daños en la superficie del vidrio y aplicar flexión bajo carga dinámica.
Un aparato de prueba IBoS se muestra esquemáticamente en la figura 5b. El aparato 200 incluye un banco 210 de pruebas y una bola 230. La bola 230 es una bola rígida o sólida como, por ejemplo, una bola de acero inoxidable o similar. En una realización, la bola 230 es una bola de acero inoxidable de 4.2 gramos que tiene un diámetro de 10 mm. La bola 230 se deja caer directamente sobre la muestra 218 de vidrio desde una altura h predeterminada. El banco 210 de pruebas incluye una base 212 sólida que comprende un material rígido y duro como el granito o similar. Una hoja 214 que tiene un material abrasivo dispuesto sobre una superficie se coloca sobre la superficie superior de la base 212 sólida de manera que la superficie con el material abrasivo mire hacia arriba. En algunas realizaciones, la hoja 214 es papel de lija que tiene una superficie de grano 30 y, en otras realizaciones, una superficie de grano 180. La muestra 218 de vidrio se mantiene en su lugar sobre la hoja 214 mediante el soporte 215 de muestra de manera que existe un espacio 216 de aire entre la muestra 218 de vidrio y la hoja 214. El espacio 216 de aire entre la hoja 214 y la muestra 218 de vidrio permite que la muestra 218 de vidrio se doble al impactar la bola 230 y sobre la superficie abrasiva de la hoja 214. En una realización, la muestra 218 de vidrio se sujeta a través de todas las esquinas para mantener la flexión contenida sólo hasta el punto de impacto de la bola y para asegurar la repetibilidad. En algunas realizaciones, el portamuestras 214 y el banco 210 de pruebas están adaptados para acomodarse a espesores de muestra de hasta aproximadamente 2 mm. El espacio 216 de aire está en un rango de aproximadamente 50 pm a aproximadamente 100 pm. Puede usarse una cinta 220 adhesiva para cubrir la superficie superior de la muestra de vidrio para recoger fragmentos en caso de fractura de la muestra 218 de vidrio al impactar la bola 230.
Se pueden usar diversos materiales como superficie abrasiva. En una realización particular, la superficie abrasiva es papel de lija, tal como carburo de silicio o papel de lija de alúmina, papel de lija de ingeniería o cualquier material abrasivo conocido por los expertos en la técnica por tener una dureza y/o agudeza. En algunas realizaciones, el papel de lija tiene un grano 30, ya que tiene un rango conocido de agudeza de partículas, una topografía superficial más consistente que el hormigón o el asfalto, y un tamaño de partícula y agudeza que produce el nivel deseado de daño superficial de la muestra.
En un aspecto, un método 300 para realizar la prueba de IBoS usando el aparato 200 descrito anteriormente se muestra en la figura 5d. En el paso 310, se coloca una muestra de vidrio (218 en la figura 5d) en el banco 210 de pruebas, descrito anteriormente y se asegura en el soporte 215 de muestra de manera que se forme un espacio 216 de aire entre la muestra 218 de vidrio y la hoja 214 con una superficie abrasiva. El método 300 supone que la hoja 214 con una superficie abrasiva ya se ha colocado en el banco 210 de pruebas. En algunas realizaciones, sin embargo, el método puede incluir colocar la hoja 214 en el banco 210 de pruebas de manera que la superficie con material abrasivo mire hacia arriba. En algunas realizaciones (etapa 310a), se aplica una cinta 220 adhesiva a la superficie superior de la muestra 218 de vidrio antes de asegurar la muestra 218 de vidrio en el soporte de muestra 210.
En el paso 320, una bola sólida 230 de masa y tamaño predeterminados se deja caer desde una altura h predeterminada sobre la superficie superior de la muestra 218 de vidrio, de modo que la bola 230 impacta la superficie superior (o la cinta 220 adhesiva fijada a la superficie superior) aproximadamente en el centro (es decir, dentro de 1 mm, o dentro de 3 mm, o dentro de 5 mm, o dentro de 10 mm del centro) de la superficie superior. Después del impacto en el Paso 320, se determina la extensión del daño a la muestra 218 de vidrio (Paso 330). Como se describió anteriormente en el presente documento, el término “fractura” significa que una grieta se propaga a través de todo el espesor y/o toda la superficie de un sustrato cuando el sustrato se cae o es impactado por un objeto.
En el método 300 de prueba, la hoja 218 con la superficie abrasiva se puede reemplazar después de cada caída para evitar los efectos de “envejecimiento” que se han observado en el uso repetido de otros tipos (por ejemplo, hormigón o asfalto) de superficies de prueba de caída.
En el método 300 de prueba se usan típicamente diversas alturas h de caída predeterminadas e incrementos. La prueba puede, por ejemplo, utilizar una altura de caída mínima para comenzar (por ejemplo, aproximadamente 10-20 cm). Entonces, la altura puede aumentarse para caídas sucesivas, ya sea mediante un incremento establecido o incrementos variables. La prueba 300 se detiene una vez que la muestra 218 de vidrio se rompe o fractura (Paso 331). Alternativamente, si la altura h de caída alcanza la altura máxima de caída (por ejemplo, aproximadamente 80 cm) sin fractura del vidrio, el método 300 de prueba de caída también puede detenerse, o el Paso 320 puede repetirse a la altura máxima hasta que se produzca la fractura.
En algunas realizaciones, el método 300 de prueba IBoS se realiza solo una vez en cada muestra 218 de vidrio a cada altura h predeterminada. En otras realizaciones, sin embargo, cada muestra puede someterse a múltiples pruebas en cada altura.
Si se ha producido la fractura de la muestra 218 de vidrio (paso 331 en la figura 15d), se finaliza la prueba 300 IBoS (paso 340). Si no se observa ninguna fractura resultante de la caída de la bola a la altura de caída predeterminada (Paso 332), la altura de caída se incrementa en un incremento predeterminado (Paso 334) - como, por ejemplo, 5, 10 o 20 cm - y los Pasos 320 y 330 se repiten hasta que se observa (331) la fractura de la muestra o se alcanza (336) la altura máxima de prueba sin fractura de la muestra. Cuando se alcanza el Paso 331 o 336, el método 300 de prueba finaliza.
Cuando la bola se deja caer sobre la superficie del vidrio desde una altura de 100 cm, la resistencia al daño de los vidrios reforzados descritos anteriormente puede expresarse en términos de una “tasa de supervivencia” cuando se somete a la prueba de bola invertida sobre papel de lija (IBoS) descrita anteriormente. Por ejemplo, se describe que un artículo de vidrio reforzado tiene una tasa de supervivencia del 60 % cuando se deja caer desde una altura determinada cuando tres de cinco muestras idénticas (o casi idénticas) (es decir, que tienen aproximadamente la misma composición y, cuando están reforzadas, aproximadamente el mismo CS) y DOC o DOL) sobreviven a la prueba de caída de IBoS sin fracturarse.
Para determinar la tasa de supervivencia del artículo de vidrio reforzado cuando se deja caer desde una altura predeterminada utilizando el método de prueba IBoS y el aparato descrito anteriormente, al menos cinco muestras idénticas (o casi idénticas) (es decir, que tienen aproximadamente la misma composición y aproximadamente el mismo CS y DOC o DOL) del vidrio reforzado, aunque se puede someter a pruebas un número mayor (por ejemplo, 10, 20, 30, etc.) de muestras para elevar el nivel de confianza de los resultados de la prueba. Cada muestra se deja caer una sola vez desde la altura predeterminada (p. ej., 80 cm) y se examina visualmente (es decir, a simple vista) en busca de evidencia de fractura (formación de grietas y propagación a lo largo de todo el espesor y/o toda la superficie de una muestra. Se considera que una muestra ha “sobrevivido” a la prueba de caída si no se observa ninguna fractura después de la caída. La tasa de supervivencia se determina como el porcentaje de la población de la muestra que sobrevivió a la prueba de caída. Por ejemplo, si 7 muestras de un grupo de 10 no se fracturaron cuando se dejó caer desde la altura predeterminada, la tasa de supervivencia del vidrio sería del 70 %.
Los artículos de vidrio reforzado descritos en el presente documento también demuestran una resistencia superficial mejorada cuando se someten a pruebas de anillo sobre anillo (AROR) desgastadas. La resistencia de un material se define como la tensión a la que se produce la fractura. La prueba de anillo sobre anillo desgastada es una medida de resistencia de la superficie para probar muestras de vidrio plano, y ASTM C1499-09 (2013), titulado “Método de prueba estándar para resistencia a la flexión equibiaxial monótona de cerámicas avanzadas a temperatura ambiente”, sirve como base para la metodología de prueba ROR desgastada de anillo sobre anillo descrita en este documento. En una realización, la muestra de vidrio se desgasta antes de la prueba de anillo sobre anillo con partículas de carburo de silicio (SiC) de grano 90 que se entregan a la muestra de vidrio utilizando el método y aparato descritos en el Anexo A2, titulado “Procedimientos de abrasión”, de ASTM C158 - 02 (2012), titulado “Métodos de prueba estándar para la resistencia del vidrio por flexión (determinación del módulo de ruptura).
Antes de la prueba de anillo sobre anillo, una superficie de la muestra de vidrio se desgasta como se describe en ASTM C158-02, Anexo 2, para normalizar y/o controlar la condición de defecto de la superficie de la muestra usando el aparato que se muestra en la figura A2. 1 de ASTM C158-02. El material abrasivo se limpia con chorro de arena sobre la superficie de la muestra a una carga de 15 psi usando una presión de aire de 304 kPa (44 psi). Una vez establecido el flujo de aire, se vierten 5 cm3 de material abrasivo en un embudo y la muestra se limpia con chorro de arena durante 5 segundos después de la introducción del material abrasivo.
Para la prueba de anillo sobre anillo, se coloca una muestra de vidrio que tiene al menos una superficie 412 desgastada entre dos anillos concéntricos de diferente tamaño para determinar la resistencia a la flexión equibiaxial (es decir, la tensión máxima que un material es capaz de soportar cuando se somete a flexión entre dos anillos concéntricos), como se muestra esquemáticamente en la figura 19. En la configuración 400 de anillo sobre anillo desgastada, la muestra 410 de vidrio desgastada está soportada por un anillo 420 de soporte que tiene un diámetro D2. Se aplica una fuerza F mediante una celda de carga (no mostrada) a la superficie de la muestra de vidrio mediante un anillo 430 de carga que tiene un diámetro D1.
La relación de diámetros del anillo de carga y el anillo de soporte D1/D2 puede estar en un rango de aproximadamente 0.2 a aproximadamente 0.5. En algunas realizaciones, D1/D2 es aproximadamente 0.5. Los anillos 430, 420 de carga y soporte deben estar alineados concéntricamente dentro del 0.5 % del diámetro D2 del anillo de soporte. La celda de carga utilizada para la prueba debe tener una precisión de ± 1 % en cualquier carga dentro de un rango seleccionado. En algunas realizaciones, la prueba se lleva a cabo a una temperatura de 23 ± 2 °C y una humedad relativa de 40 ± 10 %.
Para el diseño del dispositivo, el radio r de la superficie sobresaliente del anillo 430 de carga, h/2 < r < 3h/2, donde h es el espesor de la muestra 410. Los anillos de carga y soporte 430, 420 están hechos típicamente de acero templado con dureza HRc > 40. Los accesorios ROR están disponibles comercialmente.
El mecanismo de falla previsto para la prueba ROR es observar la fractura de la muestra 410 que se origina en la superficie 430a dentro del anillo 430 de carga. Las fallas que ocurren fuera de esta región - es decir, entre los anillos 430 de carga y los anillos 420 de soporte - se omiten del análisis de datos. Sin embargo, debido a la delgadez y alta resistencia de la muestra 410 de vidrio, a veces se observan grandes deflexiones que exceden la mitad del espesor h de la muestra. Por lo tanto, no es raro observar un alto porcentaje de fallas que se originan debajo del anillo 430 de carga. La tensión no se puede calcular con precisión sin el conocimiento del desarrollo de la tensión tanto dentro como debajo del anillo (recopilado mediante análisis de galgas extensométricas) y el origen de la falla en cada muestra. Por tanto, las pruebas AROR se centran en la carga máxima en el momento de la falla como respuesta medida.
La resistencia del vidrio depende de la presencia de defectos superficiales. Sin embargo, no se puede predecir con precisión la probabilidad de que exista un defecto de un tamaño determinado, ya que la resistencia del vidrio es de naturaleza estadística. Por lo tanto, generalmente se utiliza una distribución de probabilidad de Weibull como representación estadística de los datos obtenidos.
Claims (12)
1. Un artículo de vidrio, el artículo de vidrio que comprende un vidrio de aluminosilicato alcalino y que tiene un espesor t y una región compresiva que tiene un esfuerzo de compresión CSs en un rango de 400 MPa a 1200 MPa en una superficie del artículo de vidrio, en la que la región compresiva se extiende desde la superficie hasta una profundidad de compresión DOC, en la que 0.1 t < DOC < 0.25 t, y tiene un perfil de tensión compresiva, el perfil de tensión compresiva comprende:
a. una primera porción b sustancialmente lineal que se extiende desde la superficie hasta una profundidad db por debajo de la superficie y que tiene una pendiente mb, en la que -40 MPa/pm > m b ^ -200 MPa/pm;
b. una segunda porción c sustancialmente lineal que se extiende desde dc hasta la profundidad de compresión DOC y que tiene una pendiente mc, en la que -0.4 MPa/pm >m c > -3.0 MPa/pm; y
c. una región de transición que se extiende entre db y dc que tiene una pendiente que pasa de la pendiente mb a la pendiente mc.
2. El artículo de vidrio de la reivindicación 1, en el que la profundidad de compresión DOC está en un rango de 95 pm a 250 pm.
3. El artículo de vidrio de la reivindicación 2, en el que la profundidad de compresión DOC está en un rango de 100 pm a 190 pm.
4. El artículo de vidrio de la reivindicación 1, en el que 0.12 t < DOC < 0.22t.
5. El artículo de vidrio de la reivindicación 1, en el que el espesor t está en un rango de 0.15 mm a 2.0 mm.
6. El artículo de vidrio de la reivindicación 1, en el que la pendiente mc está en un rango de -0.7 MPa/pm a -2.7 MPa/pm.
7. El artículo de vidrio de la reivindicación 6, en el que la pendiente mc está en un rango de -1.5 MPa/pm a -2.7 MPa/ pm.
8. El artículo de vidrio de la reivindicación 1, en el que el vidrio de aluminosilicato alcalino comprende hasta un 10 % en moles de Li2O.
9. El artículo de vidrio de la reivindicación 1, en el que el vidrio de aluminosilicato alcalino comprende al menos 4 % en moles de P2O5 y de 0 % en moles a 4 % en moles de B2O3, en el que 1.3 < [(P2O5 R2O)/M2O3] < 2.3, donde M2O3 = AhO3 B2O3, y R2O es la suma de óxidos catiónicos monovalentes presentes en el vidrio de aluminosilicato alcalino.
10. El artículo de vidrio de la reivindicación 1, en el que el vidrio no contiene litio.
11. El artículo de vidrio de la reivindicación 1, en el que el vidrio consiste esencialmente en de 40 % en moles a 70 % en moles de SO2; de 11 % en moles a 25 % en moles de AhO3; de 4 % en moles a 15 % en moles de P2O5; de 13 % en moles a 25 % en moles de Na2O; de 13 a 30 % en moles de RxO, en el que RxO es la suma de los óxidos de metales alcalinos, óxidos de metales alcalinotérreos y monóxidos de metales de transición presentes en el vidrio; de 11 a 30 % en moles de M2O3, donde M2O3 = AhO3 B2O3; de 0 % en moles a 1 % en moles de K2O; de 0 % en moles a 4 % en moles de B2O3, y 3 % en moles o menos de uno o más de TiO2, MnO, Nb2O5, MoO3, Ta2O5, WO3, ZrO2, Y2O3, La2O3, HfO2, CdO, SnO2, Fe2O3, CeO2, As2O3, Sb2O3, Cl y Br; y 1.3 < [(P2O5 R2O)/M2O3] < 2.3, donde R2O es la suma de los óxidos catiónicos monovalentes presentes en el vidrio.
12. Un dispositivo electrónico que comprende el artículo de vidrio de cualquier reivindicación anterior.
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