TWI725945B - 具有已定應力輪廓的玻璃物件 - Google Patents

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TWI725945B TW104133064A TW104133064A TWI725945B TW I725945 B TWI725945 B TW I725945B TW 104133064 A TW104133064 A TW 104133064A TW 104133064 A TW104133064 A TW 104133064A TW I725945 B TWI725945 B TW I725945B
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哈瑞斯傑森湯瑪士
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文卡塔拉曼納特桑
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Abstract

層合玻璃物件包含核心層及與該核心層直接相鄰的覆蓋層。核心層是由核心玻璃組成物所形成。覆蓋層是由覆蓋玻璃組成物所形成。平均覆蓋物熱膨脹係數(CTE)小於平均核心熱膨脹係數，使得該覆蓋層受到壓縮且該核心層受到拉伸。在該覆蓋層的外側部分中，該覆蓋層的壓縮應力隨著至該覆蓋層之外表面的距離增加而降低，及位在該外側部分與該核心層之間的是該覆蓋層的中間部分，在該覆蓋層的中間部分中，隨著至該覆蓋層之外表面的距離增加，該覆蓋層的壓縮應力保持實質恆定。該覆蓋層之中間部分的厚度至少約為該覆蓋層厚度的82%。

Description

具有已定應力輪廓的玻璃物件 【相關申請案之交插引用】
此申請案主張享有2014年10月7號申請之美國專利臨時申請案第62/060,941號的優先權，且該案內容以引用方式全文併入本案。
本發明大體上有關於玻璃物件，且更明確言之，是有關具有已定應力輪廓的強化玻璃物件。
玻璃物件可用於各式各樣的產品中，包括例如覆蓋玻璃(例如，用於觸控螢幕裝置，如智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦及顯示器)、汽車玻璃、建築牆板及諸多用具。在使用過程中，玻璃物件的表面可能產生相對大的裂隙。例如，觀察到智慧型手機掉落會造成智慧型手機的保護玻璃中產生深達300微米的裂隙。因此，期望玻璃物件具有高強度性能可抵抗深裂隙，藉以增進玻璃物件的機械可靠性。
本案皆是具有已決定應力輪廓的玻璃物件及製造此種玻璃物件的方法。
本案皆是一種層合玻璃物件，該層合玻璃物件包括核心層及與該核心層直接相鄰的覆蓋層。該核心層包 含核心玻璃組成物。該覆蓋層包含覆蓋玻璃組成物。該覆蓋玻璃組成物的平均覆蓋物熱膨脹係數(CTE)小於該核心玻璃組成物的平均核心CTE，使得該覆蓋層受到壓縮及該核心層受到拉伸。在該覆蓋層的外側部分中，該覆蓋層的壓縮應力隨著至該覆蓋層之外表面的距離增加而降低。該覆蓋層的中間部分位在該覆蓋層的外側部分與該核心層之間，且在該覆蓋層的中間部分中，隨著至該覆蓋層之外表面的距離增加，該覆蓋層的壓縮應力保持實質恆定。該覆蓋層之中間部分的厚度占該覆蓋層厚度的至少約82%。
本案亦揭示一種玻璃物件，該玻璃物件包括拉伸區域及壓縮區域，該壓縮區域包括與該拉伸區域直接相鄰的內表面及位在該內表面反面處的外表面，該壓縮區域的外側部分從該壓縮區域的外表面朝向該拉伸區域向內延伸達到外側層深度(DOL)。該壓縮區域的中間部分從該外側DOL朝向該拉伸區域向內延伸達到中間DOL。該壓縮區域的壓縮應力輪廓包括第一壓縮應力CS1及第二壓縮應力CS2。該外側部分在該外表面處的壓縮應力為CS1，及該外側部分在該外側DOL處的壓縮應力為CS2。該中間部分的壓縮應力實質固定為CS2。
以下實施方式中將舉出附加特徵及優點，且所屬技術領域中熟悉技藝者將可從說明內容或藉由實施文中所述實施例(包括以下實施方式、請求項及附圖)而易於習得或認知到部分的特徵及優點。
應明白，以上概要說明及以下實施方式僅做示範之用且旨在提供概觀綜述或架構以供瞭解該等請求項的本質與特性。所含附圖提供進一步瞭解且併入本案說明書中並構成本案說明書的一部分。該等附圖圖示一或更多個實施例並配合說明內容用來解說各種實施例的原理與操作。
100‧‧‧玻璃物件
102‧‧‧核心層
104‧‧‧第一覆蓋層
106‧‧‧第二覆蓋層
200‧‧‧溢流分配器
220‧‧‧下部溢流分配器
222‧‧‧槽
224‧‧‧核心玻璃組成物
226‧‧‧外形成表面
228‧‧‧外形成表面
230‧‧‧繪線
240‧‧‧上部溢流分配器
242‧‧‧槽
244‧‧‧覆蓋玻璃組成物
246‧‧‧外形成表面
248‧‧‧外形成表面
302‧‧‧機械應力輪廓
304‧‧‧化學應力輪廓
504‧‧‧化學殘留強度輪廓
506‧‧‧組合殘留強度輪廓
第1圖是玻璃物件層合結構的一示例性實施例的部分剖面圖。
第2圖是可用於形成玻璃物件之形成設備的示例性實施例之剖面圖。
第3圖是僅利用CTE不匹配所產生之示例性機械應力輪廓與僅利用化學強化所產生之示例性化學應力輪廓的比較圖。
第4圖是利用機械強化結合化學強化所形成的示例性組合應力輪廓圖。
第5圖是僅利用化學強化產生應力輪廓及利用機械強化結合化學強化產生應力輪廓所對應之示例性殘留強度輪廓的比較圖。
第6圖圖示出結合機械強化、化學強化及在壓縮區域與拉伸區域之間的離子交換所形成的示例性應力輪廓圖。
現將詳細說明數個示例性實施例，且附圖中圖示該等實施例。在該等圖式中將盡可能地使用相同元件符號來代表相同或相似的部分。該等圖式中的構件未必按照比例繪示，而是著重示出示例性實施例的原理。
本文中所使用之「平均熱膨脹係數」或「平均CTE」一詞意指指定材料或指定層在0℃至300℃之間的平均線性熱膨脹係數。本文中所使用之「熱膨脹係數」或「CTE」一詞，除非另有指明，否則意指平均熱膨脹係數。
化學強化玻璃用來作為各種消費電子裝置(例如，智慧型手機、平板電腦、個人電腦、超輕薄筆記型電腦、電視及相機)的覆蓋玻璃。摔落電子裝置可能造此覆蓋玻璃破裂。在不欲受限於任何理論的情況下，人們認為，因電子裝置摔落所造成兩種主要的覆蓋玻璃破壞模式是撓曲破壞(flexure failure)及銳物接觸性破壞(sharp contact failure)。當電子裝置掉落並接觸地面或其他表面時，電子裝置承受到動態負荷，導致該覆蓋玻璃彎曲而造成撓曲破壞。當玻璃掉落在粗糙表面(例如，柏油、花崗岩、碎石，等等)上時，會在覆蓋玻璃上產生銳利壓痕而在該覆蓋玻璃內引入損傷，造成銳物接觸破壞。化學強化可藉著在該覆蓋玻璃的表面上建立壓縮應力而顯著提高該覆蓋玻璃對撓曲破壞的抗性。然而，經化學強化的覆蓋玻璃可能會由於在接觸點處的局部印壓及此種接觸可能產生的裂隙深度，例如裂隙深度高達約300 微米(相較於壓縮應力層的深度例如約達80微米而言)，導致高應力集中，而易遭受動態銳物接觸破壞。若裂隙夠深而足以貫穿該壓縮應力區域，則該覆蓋玻璃可能損壞。雖然提高覆蓋玻璃的表面壓縮應力及/或提高該壓縮層的深度可能提高該覆蓋玻璃對深裂隙所造成之破壞的抗性，但此兩種技術亦會提高該覆蓋玻璃的中心拉伸作用。若提高的中心拉伸作用高於易碎限值(frangibility limit)時，該覆蓋玻璃可能表現出易碎行為或極易碎行為。
在各種實施例中，玻璃物件包括拉伸區域及壓縮區域，且該壓縮區域與該拉伸區域直接相鄰。例如，該拉伸區域包括該玻璃物件的核心層，及該壓縮區域包括該玻璃物件的覆蓋層。在某些實施例中，該壓縮區域包括第一壓縮區域及第二壓縮區域，且該拉伸區域配置在該第一壓縮區域與該第二壓縮區域之間。例如，該覆蓋層包括第一覆蓋層及第二覆蓋層，且該核心層配置在該第一覆蓋層與該第二覆蓋層之間。該玻璃物件可為對稱性，意指第一壓縮區域與第二壓縮區域(及各自的應力輪廓)彼此互為鏡像。或者，該玻璃物件可為不對稱性，意指第一壓縮區域與第二壓縮區域(及各自的應力輪廓)彼此不為鏡像。該壓縮區域包括與該拉伸區域直接相鄰的內表面及為在該內表面反面處的外表面。該壓縮區域的外側部分從該壓縮區域的外表面朝向該拉伸區域向內延伸達到外側層深度(depth of layer，DOL)。該壓縮區域的中間部分從該 外側DOL朝向該拉伸區域向內延伸達到中間DOL。該壓縮應力區域包括已定的壓縮應力輪廓，該已定壓縮應力輪廓包括的一壓縮應力CS1及第二壓縮應力CS2，且CS2小於CS1。在某些實施例中，CS1包括該壓縮區域的最大壓縮應力，及/或CS2包括該壓縮區域的最大壓縮應力。附加或擇一選用的是，該壓縮區域之外側部分位在該外表面處的壓縮應力為CS1，且該壓縮區域之外側部分位在該外側DOL處的壓縮應力為CS2，及該中間部分的壓縮應力實質固定為CS2。例如，在整個該中間部分的厚度中，該中間部分的壓縮應力處在CS2上下約10%、約5%、約2%或約1%的範圍內。附加或擇一選用的是，在該壓縮區域的整個中間部分內，該應力輪廓的斜率(例如，使用簡單線性迴歸來決定該壓縮應力隨玻璃物件內部深度變化的線性趨勢線之斜率)實質為0，例如介於約-7MPa/μm至約7MPa/μm、介於約-5MPa/μm至約5MPa/μm、介於約-3MPa/μm至約3MPa/μm或介於約-1MPa/μm至約1MPa/μm。在某些實施例中，該壓縮應力區域進一步包括內側部分，該內側部分從該中間DOL朝向該拉伸區域向內延伸達到內側DOL。該已定壓縮應力輪廓進一步包括第三壓縮應力CS3，CS3介於CS1與CS2之間。在某些實施例中，該內側部分在該中間DOL處的壓縮應力為CS2或實質等於CS2，及該內側部分在該內側DOL處的壓縮應力為CS3。
第1圖為玻璃物件100之示例性實施例的剖面圖。在某些實施例中，玻璃物件100包括層合片，該層合片包含複數個玻璃層。該層合片可如第1圖中所示般呈現實質平坦狀(即，平面)或呈非平坦狀(即，曲面狀)。在其他實施例中，該玻璃物件包括經塑形的玻璃物件。例如，使該層合片與模具的形成表面接觸以形成經過塑形的玻璃物件。玻璃物件100包括核心層102，核心層102配置在第一覆蓋層104與第二覆蓋層106之間。在某些實施例中，第一覆蓋層104及第二覆蓋層106可如第1圖中所示般為表層。在其他實施例中，第一覆蓋層及/或第二覆蓋層是配置在該核心層與表層之間的中間層。
核心層102包括第一主要表面及位在該第一主要表面反面處的第二主要表面。在某些實施例中，第一覆蓋層104與核心層102的第一主要表面熔合在一起。可附加或擇一選用的是，第二覆蓋層106與核心層102的第二主要表面熔合在一起。在此等實施例中，介在第一覆蓋層104與核心層102之間的界面及/或介在第二覆蓋層106與核心層102之間的界面不具有任何黏結材料，舉例言之，例如任何添加或配置用來將個別覆蓋層黏附於核心層上的聚合物層間層、黏著劑、塗層或任何非玻璃材料。因此，第一覆蓋層104及/或第二覆蓋層106與核心層102直接熔合在一起或與核心層102直接相鄰。在某些實施例中，該玻璃物件包括配置在該核心層與該第一覆蓋層之間及/或配置在該核心層與該第二覆蓋層之間的一或更 多個中間層。例如，該等中間層包括形成在該核心層與該覆蓋層之界面處的中間玻璃層及/或擴散層。該等擴散層可包括混合區域，該混合區域包含與該擴散層相鄰之各層的成分。在某些實施例中，玻璃片100包括玻璃-玻璃層合物(例如，原位熔合多層玻璃-玻璃層合物)，在該層合物中，直接相鄰的玻璃層之間的界面為玻璃-玻璃界面。
在某些實施例中，核心層102包括核心玻璃組成物，及第一覆蓋層104及/或第二覆蓋層106包括覆蓋玻璃組成物，且該覆蓋玻璃組成物與該核心玻璃組成物不同。在如文中所述般對該玻璃物件進行化學強化之前，該核心玻璃組成物與該覆蓋玻璃組成物彼此不同。例如，在第1圖所示的實施例中，核心層102包括該核心玻璃組成物，及第一覆蓋層104及第二覆蓋層106各自包括該覆蓋玻璃組成物。在其他實施例中，該第一覆蓋層包括第一覆蓋玻璃組成物，及該第二覆蓋層包括第二覆蓋玻璃組成物，且該第二覆蓋玻璃組成物不同於該核心玻璃組成物及/或第一覆蓋玻璃組成物。
可使用合適的製程(例如，熔合下拉法、下拉法、流孔下拉法、上拉法或浮式製程)形成該玻璃物件。在某些實施例中，使用熔合下拉製程形成該玻璃物件。第2圖為溢流分配器200之示例性實施例的剖面圖，該溢流分配器200可用來形成玻璃物件，舉例而言，例如用來形成玻璃物件100。可如美國專利第4,214,886號中所描述般地配置溢流分配器200，且該專利案以引用方式全文 併入本案中。例如，溢流分配器200包括下部溢流分配器220及位於該下部溢流分配器上方處的上部溢流分配器240。下部溢流分配器220包括槽222。使核心玻璃組成物224熔化成黏稠狀態，並將黏稠狀態的核心玻璃組成物224餵入槽222中。如以下進一步描述般使核心玻璃組成物224形成玻璃物件100的核心層102。上部溢流分配器240包括槽242。使覆蓋玻璃組成物244熔化成黏稠狀態，並將黏稠狀態的核心玻璃組成物244餵入槽242中。如以下進一步描述般使覆蓋玻璃組成物244形成玻璃物件100的第一覆蓋層104及第二覆蓋層106。
核心玻璃組成物224溢出該槽222並沿下部溢流分配器220之兩相反的外形成表面226及外形成表面228向下流動。外形成表面226及外形成表面228匯聚於繪線230處。沿下部溢流分配器220之外形成表面226及外形成表面228各自向下流動的核心玻璃組成物224之分隔液流(separate streams)在繪線230處匯聚，且該等液流在繪線230處融合在一起以形成玻璃物件100的核心層102。
覆蓋玻璃組成物244溢出槽242並沿上部溢流分配器240之兩相反的外形成表面246及外形成表面248向下流動。利用上部溢流分配器240使覆蓋玻璃組成物244朝外轉向，使得該覆蓋玻璃組成物圍著該下部溢流分配器220而流動並接觸在該下部溢流分配器之外形成表面226及外形成表面228上流動的核心玻璃組成物 224。覆蓋玻璃組成物244的該等分隔液體各自與沿著下部溢流分配器220之各別外形成表面226及外形成表面228向下流動的核心玻璃組成物224之各別分隔液流熔合在一起。當核心玻璃組成物224的該等液流在繪線230處匯聚時，覆蓋玻璃組成物244形成玻璃物件100的第一覆蓋層104及第二覆蓋層106。
在某些實施例中，處於黏稠狀態的核心層102之核心玻璃組成物224與處於黏稠狀態的第一覆蓋層104及第二覆蓋層106之覆蓋玻璃組成物244接觸以形成層合片。在此等實施例的某些實施例中，如第2圖中所示，該層合片成為玻璃帶的一部分，且該玻璃帶則遠離該下部溢流分配器220的繪線230。可利用適當方式(例如，重力及/或拉引滾輪)將該玻璃帶拉離該下部溢流分配器220。該玻璃帶會隨著遠離該下部溢流分配器220而逐漸冷卻。切割該玻璃帶，而從該玻璃帶分割出該層合片。因此，該層合片是由該玻璃帶切割而成。可使用合適的技術(舉例而言，例如刀輪切割法、彎折法、熱裂切割法及/或雷射切割法)來切割該玻璃帶。在某些實施例中，玻璃物件100包括如第1圖中所示的層合片。在其他實施例中，可對該層合片做進一步處理(例如切割或模鑄塑形)以形成玻璃物件100。
儘管第1圖所示之玻璃物件100包括三層，但在本發明中還包括其他實施例。在其他實施例中，玻璃物件可具有已定層數，例如兩層、四層或更多層。例如，使 用兩個溢流分配器並將該兩個溢流分配器配置成當該兩層遠離等該溢流分配器各自的繪線時會使該兩層結合在一起，或使用具有分隔槽(divided trough)的單個溢流分配器以使兩種玻璃組成物流過該溢流分配器之兩相反的外形成表面並在該溢流分配器的繪線處匯聚在一起，可形成包含兩層的玻璃物件。使用附加的溢流分配器及/或使用具有多個分隔槽的溢流分配器可形成包含四層或更多層的玻璃物件。因此，藉由此種方式來修改溢流分配器可形成具有已定層數的玻璃物件。
在某些實施例中，玻璃物件100包括至少約0.05毫米(mm)、至少約0.1毫米、至少約0.2毫米或至少約0.3毫米的厚度。可附加或擇一選用的是，玻璃物件100包括至多約3毫米、至多約2毫米、至多約1.5毫米、至多約1毫米、至多約0.7毫米或至多約0.5毫米的厚度。例如，玻璃物件包括約0.1毫米至約3毫米、約0.1毫米至約1毫米或約0.3毫米至約0.7毫米的厚度。在某些實施例中，核心層102之厚度與玻璃物件100之厚度的比值為至少約0.5、至少約0.7、至少約0.8、至少約0.85、至少約0.9或至少約0.95。在某些實施例中，第二層(例如，第一覆蓋層104及第二覆蓋層106之每一層)之厚度為約0.01毫米至約0.3毫米。
在某些實施例中，玻璃物件100經過機械性強化。例如第一覆蓋層104及/或第二覆蓋層106的覆蓋玻璃組成物所包括的平均熱膨脹係數(CTE)不同於核心層 102之核心玻璃組成物的平均熱膨脹係數。在某些實施例中，第一覆蓋層104及第二覆蓋層106是由平均CTE比核心層102之平均CTE要低的玻璃組成物所形成。CTE不匹配(即，第一覆蓋層104及第二覆蓋層106的平均CTE與核心層102的平均CTE不相同)導致一旦玻璃物件100冷卻時，會在該等覆蓋層中形成壓縮應力及在該核心層中形成拉伸應力。
在某些實施例中，核心層102的平均CTE與第一覆蓋層104及/或第二覆蓋層106的平均CTE相差至少約5x10-7℃-1、至少約15x10-7℃-1、至少約25x10-7℃-1或至少約30x10-7℃-1。可附加或擇一選用的是，核心層102的平均CTE與第一覆蓋層104及/或第二覆蓋層106的平均CTE相差至多約100x10-7℃-1、至多約75x10-7℃-1、至多約50x10-7℃-1、至多約40x10-7℃-1、至多約30x10-7℃-1、至多約20x10-7℃-1或至多約10x10-7℃-1。在某些實施例中，該覆蓋玻璃組成物包括至多約66x10-7℃-1、至多約55x10-7℃-1、至多約50x10-7℃-1、至多約40x10-7℃-1或至多約35x10-7℃-1的平均CTE。可附加或擇一選用的是，該覆蓋玻璃組成物包括至少約10x10-7℃-1、至少約15x10-7℃-1、至少約25x10-7℃-1或至少約30x10-7℃-1的平均CTE。可附加或擇一選用的是，該核心玻璃組成物包括至少約40x10-7℃-1、至少約 50x10-7℃-1、至少約55x10-7℃-1、至少約65x10-7℃-1、至少約70x10-7℃-1、至少約80x10-7℃-1或至少約90x10-7℃-1的平均CTE。可附加或擇一選用的是，該核心玻璃組成物包括至多約120x10-7℃-1、至多約110x10-7℃-1、至多約100x10-7℃-1、至多約90x10-7℃-1、至多約75x10-7℃-1或至多約70x10-7℃-1的平均CTE。
在某些實施例中，玻璃物件100經化學強化。例如，使用離子交換處理強化玻璃物件100以提高該玻璃物件在靠近該玻璃物件外表面處之區域(例如，如文中所述該壓縮區域的外側部分)中的壓縮應力。在某些實施例中，該離子交換處理包括對玻璃物件100的一或更多個表面施用離子交換介質。該離子交換介質包括溶液、膏狀物、凝膠或其他適用介質，且該等介質含有欲與玻璃基質中之較小離子進行交換用的較大離子。例如，該玻璃物件100的壓縮層包括鹼鋁矽酸鹽玻璃。因此，該玻璃之表面層中的較小離子及該離子交換介質中的較大離子為單價鹼金屬陽離子(例如，Li+、Na+、K+、Rb+及/或Cs+)。或者，可使用除了鹼金屬陽離子以外的其他單價陽離子(例如，Ag+或諸如此類者)來置換玻璃物件100中的單價陽離子。在某些實施例中，該離子交換介質包括熔融鹽溶液，及該離子交換處理包括使該層合玻璃物件浸泡在包含較大離子(例如，K+及/或Na+)的熔融鹽浴中，該等較大離子將與玻璃基質中的較小離子(例如，Na+及/或Li+) 進行交換。在某些實施例中，該熔融鹽浴包括由較大鹼金屬離子所形成的鹽，例如由較大鹼金屬離子所形成硝酸鹽、硫酸鹽及/或氯鹽。例如，該熔融鹽浴包括熔融KNO3、熔融NaNO3或上述熔融鹽之組合物。可附加或擇一選用的是，該熔融鹽浴的溫度約380℃至約450℃，及浸泡時間為約2小時至約16小時。使玻璃物件100表面處之玻璃基質中的較小離子置換成較大離子，在靠近該玻璃物件外表面處的壓縮層之壓縮應力會提高。
第3圖是僅利用CTE不匹配所產生之示例性機械應力輪廓302與僅利用化學強化所產生之示例性化學應力輪廓304的比較圖。以應力與該玻璃物件內之深度的關係來表示該等應力輪廓。該玻璃物件內的深度是指至該玻璃物件之外表面的距離，且該玻璃物件內的深度繪製在x軸上，及該應力繪製在y軸上。
參見機械應力輪廓302，該壓縮區域(例如，該覆蓋層)具有約50微米的厚度及約150MPa的的一壓縮應力。機械性應力輪廓302為階梯函數。因此，在整個該壓縮區域各處，該壓縮應力實質固定為該表面壓縮應力，且在該壓縮區域與該拉伸區域的界面處(例如在該覆蓋層與該核心層之間的界面處)，該應力以階梯狀的變化從該表面壓縮應力過渡到該最大拉伸應力。
參見化學應力輪廓304，該壓縮區域延伸至約80微米的DOL且具有約900MPa的表面壓縮應力。該應力從該壓縮區域之外表面處的表面壓縮應力連續地過渡 到該拉伸區域中的最大拉伸應力。因此，相較於機械應力輪廓302，化學應力輪廓304不具有恆定的壓縮應力區域或該壓縮應力區域與該拉伸區域之間的不具階梯狀變化。
在某些實施例中，利用機械強化法結合化學強化法來強化玻璃物件100。例如，包括如文中所述之CTE不匹配情形的玻璃物件100(例如，玻璃層合物)經過化學強化以進一步提高靠近該壓縮層之外表面處的壓縮應力。第4圖是利用機械強化結合化學強化所形成的示例性組合應力輪廓圖。可使用任何合適的技術(包括例如使用以雙折射為基礎的測量技術或折射近場(RNF)技術)來測量玻璃物件的應力輪廓。用於應力測量的示例性標準包括，例如，ASTM C1422及ASTM C1279。該應力輪廓包括玻璃物件100中之應力與該玻璃物件內之深度的函數關係。玻璃物件100內的深度(是指從該玻璃物件之外表面起算的距離)繪製在x軸上，及該應力繪製在y軸。在本文中，該玻璃物件內的深度可表示為層深度(DOL)。壓縮應力顯示在正y軸上，及拉伸應力顯示在負y軸上。然而，文中所述的壓縮應力值及拉伸應力值意指該等應力的絕對值。因此，文中所指的拉伸應力為正好與負值呈相反的正值。需認知到，第4圖僅示出通過該玻璃物件一部分厚度(例如，通過一覆蓋層及一部分之核心層的厚度)的該玻璃物件100之部分應力輪廓。就對稱性的玻璃物件而言，通過該玻璃物件厚度之其餘厚度部分的應力輪廓是與第4圖中所示應力輪廓的示出部分呈鏡像。在 第4圖所示的實例中，該壓縮區域(例如，覆蓋層)具有約125微米的厚度、約900MPa的的一壓縮應力及約100MPa的第二壓縮應力。該壓縮應力區域包括：外側部分，該外側部分從該壓縮區域的外表面朝向該拉伸區域向內延伸至外側DOL；及中間部分，該中間部分從該外側DOL朝向該拉伸區域向內延伸至中間DOL。在某些實施例中，該壓縮區域的外側部分包括表面離子交換區域，在該表面離子交換區域中，至少部分藉著(例如，如文中所述般對該層合玻璃物件進行離子交換處理)使較大離子擴散進入該離子交換區域內的玻璃基質中且使該離子交換區域內之玻璃基質中的較小離子離開而生成玻璃組成輪廓及/或應力輪廓。例如，該表面離子交換區域可視為具有表明是至少部分利用離子交換處理形成特定形狀的應力輪廓(例如，誤差函數)。可附加或擇一選用的是，相較於該壓縮區域之中間部分中實質恆定的壓縮應力而言，該表面離子交換區域可視為位在該玻璃物件表面處的區域且在該區域中壓縮應力隨著該玻璃物件內的深度而降低。在第4圖所示的實例中，該外側DOL為約10微米，及該中間DOL為約125微米。因此，該壓縮區域之外側部分的厚度(以該外側DOL來表示)占該壓縮區域或覆蓋層之厚度的約8%，及該壓縮區域之中間部分的厚度(以該外側DOL來表示)占該壓縮區域或覆蓋層之厚度的約92%。在某些實施例中，該壓縮區域之外側部分的厚度占該壓縮區域之厚度的至多約18%、至多約16%、至多 約14%、至多約12%、至多約10%、至多約8%、至多約6%、至多約4%或至多約2%。可附加或擇一選用的是，該壓縮區域之外側部分的厚度占該壓縮區域之厚度的至少約0.1%、至少約0.5%或至少約1%。在某些實施例中，該壓縮區域之中間部分的厚度占該壓縮區域之厚度的至少約82%、至少約84%、至少約86%、至少約88%、至少約90%、至少約92%、至少約94%、至少約96%、或至少約98%。可附加或擇一選用的是，該壓縮區域之中間部分的厚度占該壓縮區域之厚度的至多約99.9%、至多約99.5%或至多約99%。限制該壓縮區域之外側部分的厚度或增加該壓縮區域之中間部分的厚度能如文中所述般(例如藉著提供相對高的表面壓縮應力、相對厚的壓縮應力區域或深的總DOL及使該壓縮應力輪廓曲線下方的面積相對低)使該玻璃物件內具有改善的殘留強度且結合具有相對低的拉伸應力。
在第4圖所示的實例中，該壓縮應力從該壓縮區域之外表面處的第一壓縮應力快速且連續地降至該外側DOL處的第二壓縮應力，從該外側DOL至該內側DOL實質固定維持在第二壓縮應力，及隨後在該壓縮區域與該拉伸區域之間的界面處從該第二壓縮應力以階梯變化方式過渡至該最大拉伸應力。在第4圖所示的實施例中，該中間DOL等於該覆蓋層的厚度。在其他實施例中，該中間DOL小於該覆蓋層的厚度。
在某些實施例中，玻璃物件100經化學強化以提高該覆蓋層之外側部分中的壓縮應力但不會提高該覆蓋層之中間部分的壓縮應力。因此，以該壓縮層接受化學強化的部分少於該壓縮層之全部厚度的方式對該壓縮層進行化學強化，且在化學強化之後，如文中所述般該壓縮層包括具有實質恆定壓縮應力的中間部分。例如，可限制進行化學強化的時間及/或進行化學強化的溫度來限制該離子交換區域的深度。
根據玻璃物件的應力輪廓可判斷該玻璃物件的殘留強度。例如，藉著形成從該玻璃物件表面延伸至特定深度的裂隙且隨後測定在形成該裂紋之後的玻璃物件強度而測得該殘留強度。該強度為使用例如環對環試驗法(ring-on-ring test，例如ASTM C1499-09標準中所述之方法)、球環試驗法、三點彎曲試驗法、四點彎曲試驗法或其他適當方法或技術所測得該玻璃物件的撓曲強度。可根據玻璃物件的應力輪廓使用斷裂力學模擬法進行此殘留強度測量。第5圖是僅利用化學強化產生應力輪廓及利用機械強化結合化學強化產生應力輪廓所對應之示例性殘留強度輪廓的比較圖。以殘留強度與裂隙尺寸的關係呈現該殘留強度輪廓。該裂隙尺寸(意指該裂隙從玻璃物件之外表面起算所延伸的距離)繪製於x軸，及該殘留強度繪製於y軸。根據第3圖中所示的化學應力輪廓304使用斷裂力學模擬法產生化學殘留強度輪廓504，及 根據第4圖中所示的組合應力輪廓使用斷裂力學模擬法產生組合殘留強度輪廓506。
如第5圖所示，在靠近該玻璃物件的外表面處，化學殘留強度輪廓504及組合殘留強度輪廓506各自包括相對高的殘留強度(例如，至少約200MPa)，此相對高的殘留強度可有助於避免因相對淺的裂隙(例如，小於約10微米)所導致的玻璃物件破裂。然而，在更深入該玻璃物件之處，組合殘留強度輪廓506維持比化學殘留強度輪廓504要高的殘留強度。例如，對於約70微米至約300微米的裂隙尺寸而言，組合殘留強度輪廓506的殘留強度高於化學殘留強度輪廓504的殘離強度，這有助於避免因相對深的裂隙所導致的玻璃物件破裂。因電子裝置(例如智慧型手機)掉落而在覆蓋玻璃中生成的裂隙通常具有約70微米至約300微米的裂隙尺寸。因此，相較於殘留強度輪廓504而言，具有類似於組合殘留強度輪廓506之殘留強度輪廓的覆蓋玻璃而言，提高對此種裂隙尺寸所造成之斷裂的抗性提高可轉變為提高該覆蓋玻璃的掉落性能。此外，相較於殘留強度輪廓504，利用組合殘留強度輪廓506可達到提高對大型裂隙所造成之斷裂的抗性又不會實質提高該拉伸區域的最大拉伸應力。例如，在壓縮區域的相對深處(例如，在整個該中間部分)使該壓縮應力維持在相對恆定水平可有助於維持該應力輪廓曲線之壓縮部分下方的面積(該面積與該拉伸區域中的最大拉伸應力成比例)相對低，同時亦提供保護以對抗因相對深裂隙 所造成的破裂。因此，該最大拉伸應力可維持低於該易碎限值(frangibility limit)。可附加或擇一選用的是，該外側DOL與該中間DOL之間的距離(即，該壓縮區域之中間部分的厚度)足夠大而可使該玻璃物件深處維持相對高的壓縮應力(例如，可實現提高對大裂隙所造成之破裂的抗性)又不會使該最大拉伸力提高到無法接受的程度(例如，高於易碎限值)。
在某些實施例中，使該壓縮區域與該拉伸區域之間進行離子交換以形成該壓縮區域的內側部分，該壓縮區域的內側部分與該拉伸區域相鄰，且相對於該壓縮區域的中間部分而言，該壓縮區域的內側部分具有相對高的壓縮應力，而強化了該玻璃物件。例如，藉著使第一覆蓋層104及/或第二覆蓋層106與核心層102之間進行離子交換來強化玻璃物件100。在某些實施例中，該壓縮區域的內側部分包括界面離子交換區域，在該界面離子交換區域中，至少部分藉著(例如，如文中所述般在該覆蓋層與該核心層之間的界面處進行離子交換)使較大離子擴散進入該界面離子交換區域內的玻璃基質中並使該界面離子交換區域內之玻璃基質中的較小離子離開而生成該玻璃組成輪廓及/或應力輪廓。例如，該界面離子交換區域可視為具有表明是至少部分利用離子交換法形成特定形狀的應力輪廓(例如，誤差函數)。可附加或擇一選用的是，相較於該壓縮區域之中間部分中實質恆定的壓縮應力而言，該界面離子交換區域可視為位在該壓縮區域與該拉伸 區域之界面處的區域且在該區域中壓縮應力隨著該玻璃物件內的深度而降低。
在某些實施例中，第一覆蓋層104及/或第二覆蓋層106包括相對低CTE且可離子交換的玻璃組成物，及核心層102包括相對高CTE且可離子交換的玻璃組成物。合適的玻璃組成物可包括美國專利申請案公開號第2014/0141217號中所述的該等組合物，且該案以飲用方式全文併入本案中。表1中示出此等玻璃組成物的實例，在表1中，IX410-8代表在410℃下進行離子交換8小時，CS代表壓縮應力，及DOL代表層深度。在某些實施例中，該核心玻璃包括足夠高的CTE以用於進行該玻璃物件的機械強化及足以進行界面離子交換的K2O濃度。
Figure 104133064-A0202-12-0021-1
Figure 104133064-A0202-12-0022-2
表1：示例性之低CTE可離子交換的覆蓋玻璃組成物(接續上表)
Figure 104133064-A0202-12-0023-3
表2中示出可用來作為核心玻璃組成物的示例性玻璃組成物及該等玻璃組成物的性質。在某些實施例中，該核心玻璃包括能夠與該覆蓋玻璃中之小半徑可移動陽離子(例如，Na+及/或Li+)進行交換的大半徑可移動陽離子(例如，K+及/或Cs+)。當加熱玻璃物件100時(例如在形成該玻璃物件期間)，該核心玻璃中的較大離子與該覆蓋玻璃中的較小離子進行交換。在某些實施例中，在層合期間加熱玻璃物件100足以造成該等覆蓋層與該核心層之間進行離子交換作用，而無需進行任何附加或後續的離子交換熱處理。該壓縮區域的內側部分是從該中間DOL朝向該拉伸區域向內延伸至內側DOL，而該核心層與該等覆蓋層之間的離子交換作用會提高該壓縮區域之內側部分中的壓縮應力。
Figure 104133064-A0202-12-0024-4
Figure 104133064-A0202-12-0024-5
Figure 104133064-A0202-12-0025-6
Figure 104133064-A0202-12-0025-7
Figure 104133064-A0202-12-0026-8
Figure 104133064-A0202-12-0026-9
Figure 104133064-A0202-12-0026-10
Figure 104133064-A0202-12-0027-11
Figure 104133064-A0202-12-0027-12
Figure 104133064-A0202-12-0027-13
Figure 104133064-A0202-12-0028-14
Figure 104133064-A0202-12-0028-15
在某些實施例中，該覆蓋玻璃包括可離子交換玻璃且該可離子交換玻璃具有足夠低的CTE而可供該玻璃物件進行機械強化。例如，在一示例性實施例中，該覆蓋玻璃包括：約65莫耳%至約70莫耳%的SiO2；約9莫耳%至約14莫耳%的Al2O3；及約0莫耳%至約11莫耳%的B2O3(作為玻璃網狀架構形成劑)；約5莫耳%至約10莫耳%的鹼金屬氧化物R2O，其中R為Li、Na及K其中至少一者；及約3莫耳%至約11莫耳%的二價氧化物MO，其中M為Mg、Ca、Ba及Zn其中至少一者。此等玻璃組成物通常具有小於或等於55x10-7/℃的平均CTE且經得起利用離子交換法進行強化。
在另一示例性實施例中，該覆蓋玻璃包括：約65莫耳%至約68莫耳%的SiO2；約10莫耳%至約13莫耳%的Al2O3；及約6莫耳%至約9莫耳%的B2O3(作為玻璃網狀架構形成劑)；約6莫耳%至約9莫耳%的鹼金屬氧化物R2O，其中R為Li、Na及K其中至少一者；及約7莫耳%至約10莫耳%的二價氧化物MO，其中M為Mg、Ca、Ba及Zn其中至少一者。此等玻璃組成物通常具有小於或等於55x10-7/℃的平均CTE且經得起利用離子交換法進行強化。
第6圖圖示出結合機械強化、化學強化及在壓縮區域與拉伸區域之間的離子交換所形成的示例性應力輪廓圖。在第6圖所示的實例中，該壓縮區域具有約125微米的厚度、約600MPa的第一壓縮應力、約100MPa 的第二壓縮應力及約300MPa的第三壓縮應力。該壓縮應力區域包括：從該壓縮區域之外表面朝向該拉伸區域向內延伸至外側DOL的外側部分(例如，表面離子交換區域)；從該外側DOL朝向該拉伸區域向內延伸至中間DOL的中間部分；及從該中間DOL朝向該拉伸區域向內延伸至內側DOL的內側部分(例如，界面離子交換區域)。在第6圖所示的實例中，該外側DOL為約10微米，該中間DOL為約115微米，及該內側DOL為約125微米。因此，該壓縮應力從該壓縮區域之外表面處的第一壓縮應力快速且連續地降至該外側DOL處的第二壓縮應力，從該外側DOL至該中間DOL實質維持固定在第二壓縮應力，從該中間DOL處的第二壓縮應力快速且連續地提高至該內側DOL處的第三壓縮應力，及隨後在該壓縮區域與該拉伸區域之間的界面處從該第三壓縮應力以階梯變化的方式過渡至該最大拉伸應力。該壓縮區域之內側部分的壓縮應力提高可進一步提高該玻璃物件對深裂隙所造成之破裂的抗性，又不會使該拉伸區域的最大拉伸力提高到足以造成該玻璃物件表現出易碎行為的程度。
在某些實施例中，CS1為至少約400MPa、至少約500MPa、至少約600MPa、至少約700MPa、至少約800MPa或至少約900MPa。可附加或擇一選用的是，CS1為至多約1000MPa或至多約900MPa。例如，CS1為約400MPa至約1000MPa。
在某些實施例中，CS2為至少約50MPa、至少約100MPa、至少約200MPa或至少約300MPa。可附加或擇一選用的是，CS2為至多約450MPa、至多約400MPa、至多約300MPa或至多約200MPa。例如，CS2為約50MPa至約450MPa。
在某些實施例中，CS3為至少約100MPa、至少約200MPa、至少約300MPa或至少約400MPa。可附加或擇一選用的是，CS3為至多約800MPa、至多約700MPa或至多約600MPa。例如，CS3為約100MPa至約800MPa。
在某些實施例中，該外側DOL為至少約10微米、至少約20微米、至少約30微米或至少約40微米。可附加或擇一選用的是，該外側DOL為至多約50微米、至多約40微米或至多約30微米。例如，外側DOL為約10微米至約50微米。
在某些實施例中，該中間DOL為至少約30微米、至少約50微米、至少約70微米或至少約90微米。可附加或擇一選用的是，該中間DOL為至多約250微米、至多約200微米、至多約170微米、至多約150微米、至多約130微米、至多約120微米、至多約100微米、至多約80微米或至多約60微米。例如，中間DOL為約30微米至約250微米。
在某些實施例中，該內側DOL相當於該壓縮區域與該拉伸區域之間的界面。例如，該內側DOL等於或實質等於該玻璃物件之個別覆蓋層的厚度。
在某些實施例中，該玻璃物件包括層合玻璃複合物，該層合玻璃複合物包括第一玻璃層及第二玻璃層。第一玻璃層包括第一玻璃組成物，及該第二玻璃層包括第二玻璃組成物，且該第二玻璃組成物與該第一玻璃組成物不同。該第一玻璃層包括外表面及內表面。該第二玻璃層直接接觸該第一玻璃層的內表面。該第一玻璃層受到壓縮，及該第二玻璃層受到拉伸。該第一玻璃層的可變壓縮應力輪廓包括第一區域及第二區域。在該第一區域中，該壓縮應力隨著從該外表面朝向該內表面的向內方向而降低。在該第二區域中，該壓縮應力保持實質恆定，例如保持在該第二區域之平均壓縮應力上下約20%、約10%、約5%或約2%的範圍內。
本發明所描述的玻璃物件可用於各種應用，包括例如：用於消費或商用電子裝置(例如LCD及LED顯示器、電腦螢幕及自動櫃員機(ATM))中的蓋玻璃或玻璃背板應用；用於觸控螢幕或觸控感測器應用、用於攜帶型電子裝置(包括，例如行動電話、個人媒體播放器及筆記型電腦)；用於積體電路應用(包括例如半導體晶圓)；用於光電應用；用於建築玻璃應用；用於汽車或交通工具的玻璃應用；或用於商業或家用電器應用。
所屬技術領域中熟悉該項技藝者將明白，在不偏離本發明精神及範圍的情況下，當可做出各種修飾及變化。因此，不應侷限本發明範圍，本發明僅受後附請求項及其均等物所限制。

Claims (26)

  1. 一種層合玻璃物件，包括：一核心層，該核心層包含一核心玻璃組成物；及一覆蓋層，該覆蓋層與該核心層直接相鄰且包含一覆蓋玻璃組成物，該覆蓋玻璃組成物的一平均覆蓋熱膨脹係數(CTE)小於該核心玻璃組成物的一平均核心熱膨脹係數，致使該覆蓋層受到壓縮且該核心層受到拉伸；其中在該覆蓋層之一外側部分中，該覆蓋層的壓縮應力從第一壓縮應力CS1減小至小於第一壓縮應力CS1之第二壓縮應力CS2；在位於該覆蓋層的該外側部分與該核心層間之該覆蓋層的一中間部分中，該覆蓋層的壓縮應力隨著與該覆蓋層之該外表面的距離增加而保持實質恆定為CS2；在位於該中間部分與該核心層間之該覆蓋層的一內側部分中，該覆蓋層的壓縮應力從CS2增加至小於CS1且大於CS2之第三壓縮應力CS3；且在該覆蓋層與該核心層之交界處，該覆蓋層的壓縮應力以階梯狀的變化從CS3過渡到最大拉伸應力；且其中該覆蓋層之該中間部分的厚度占該覆蓋層之厚度的至少約82%。
  2. 如請求項1所述之層合玻璃物件，其中該覆 蓋層的該外側部分包括該覆蓋層的一表面離子交換區域。
  3. 如請求項1所述之層合玻璃物件，其中在該覆蓋層之該外側部分中，該覆蓋層的應力輪廓包括一誤差函數。
  4. 如請求項1所述之層合玻璃物件，其中該覆蓋層之該中間部分的厚度占該覆蓋層之厚度至多約99.9%。
  5. 如請求項1所述之玻璃物件，其中在該覆蓋層的該外表面處，該覆蓋層的壓縮應力為約400MPa至約1000MPa。
  6. 如請求項1所述之玻璃物件，其中在該覆蓋層的該中間部分中，該覆蓋層的壓縮應力為約50MPa至約450MPa。
  7. 如請求項1所述之玻璃物件，其中該覆蓋層之該外側部分的厚度為約10微米至約50微米，且該覆蓋層之該中間部分的厚度為約1微米至約240微米。
  8. 如請求項1所述之層合玻璃物件，其中該覆蓋層的該內側部分包括該覆蓋層的一界面離子交換區域。
  9. 如請求項1所述之層合玻璃物件，其中在該 覆蓋層的該內側部分中，該覆蓋層的應力輪廓包括一誤差函數。
  10. 如請求項1所述之玻璃物件，其中該平均核心CTE比該平均覆蓋CTE高出至少約10-7/℃。
  11. 如請求項1所述之玻璃物件，其中該覆蓋層包括一第一覆蓋層及一第二覆蓋層，且該核心層配置在該第一覆蓋層與該第二覆蓋層之間。
  12. 一種玻璃物件，包括：一拉伸區域；及一壓縮區域，該壓縮區域包括與該拉伸區域直接相鄰的一內表面及與該內表面相對之一外表面，該壓縮區域的一外側部分從該壓縮區域的該外表面朝向該拉伸區域向內延伸至一外側層深度(DOL)，該壓縮區域的一中間部分從該外側DOL朝向該拉伸區域向內延伸至一中間DOL，且該壓縮區域的一內側部分從該中間DOL朝向該拉伸區域向內延伸至一內側DOL；其中該壓縮區域的壓縮應力輪廓包括一第一壓縮應力CS1、一第二壓縮應力CS2及一第三壓縮應力CS3，CS2小於CS1且CS3小於CS1並大於CS2，在該外側部分中，該壓縮區域的壓縮應力從CS1減小至CS2；在該中間部分中，該壓縮區域的壓縮應力保持實質恆定為CS2；在該內側部分中，該壓縮區域的 壓縮應力從CS2增加至CS3；且在該壓縮區域與該拉伸區域的交界處，該壓縮區域的壓縮應力以階梯狀的變化從CS3過渡到最大拉伸應力；且其中該外側DOL占該壓縮區域的厚度至多約18%。
  13. 如請求項12所述之玻璃物件，其中該壓縮區域的該外側部分包括一表面離子交換區域。
  14. 如請求項12所述之玻璃物件，其中，在該壓縮區域的該外側部分中，該壓縮區域的該壓縮應力輪廓包括一誤差函數。
  15. 如請求項12所述之層合玻璃物件，其中該外側DOL與該中間DOL之間的距離占該壓縮區域的厚度之至少約82%。
  16. 如請求項12所述之玻璃物件，其中該外側部分的該壓縮應力從該外表面處的CS1持續減小至該外側DOL處的CS2。
  17. 如請求項12所述之玻璃物件，其中CS1為約400MPa至約1000MPa，且CS2為約50MPa至約450MPa。
  18. 如請求項12所述之玻璃物件，其中該外側DOL為約10微米至約50微米，且該中間DOL為約30微米至約250微米。
  19. 如請求項12所述之玻璃物件，其中該壓縮區域的該內側部分包括一界面離子交換區域。
  20. 如請求項12所述之玻璃物件，其中在該壓縮區域的該內側部分中，該壓縮區域的壓縮應力輪廓包括一誤差函數。
  21. 如請求項12所述之玻璃物件，其中該拉伸區域包括一核心層，該核心層包含一核心玻璃組成物，且該壓縮區域包括一覆蓋層，該覆蓋層包含一覆蓋玻璃組成物，且該覆蓋玻璃組成物與該核心玻璃組成物不同。
  22. 如請求項21所述之玻璃物件，其中該核心玻璃組成物的一核心熱膨脹係數(CTE)比該覆蓋玻璃組成物的一覆蓋CTE高出至少約10-7/℃。
  23. 如請求項21所述之玻璃物件，其中該壓縮區域包括一第一壓縮區域及一第二壓縮區域，且該拉伸區域配置在該第一壓縮區域與該第二壓縮區域之間。
  24. 一種用於形成具有已定應力輪廓的層合玻璃物件之方法，包括以下步驟：使一熔融核心玻璃與一熔融覆蓋玻璃接觸以形成一層合玻璃物件，該層合玻璃物件包括一核心層及與該核心層直接相鄰的一覆蓋層，該核心玻璃的一核心熱膨脹係數(CTE)比該覆蓋玻璃的一覆蓋CTE高出至 少約10-7/℃；冷卻該層合玻璃物件，以由於該核心CTE與該覆蓋CTE之間的差異而導致在該核心層中形成拉伸應力並在該覆蓋層中形成壓縮應力；化學強化該層合玻璃物件，以使從該覆蓋層之一外表面朝向該核心層向內延伸至一外側層深度(DOL)的該覆蓋層之一外側部分中的壓縮應力提高，而不會使從該外側層深度(DOL)朝向該核心層向內延伸至一中間DOL處的該覆蓋層之一中間部分中的壓縮應力提高，該覆蓋層之該中間部分的厚度占該覆蓋層之厚度的約82%至約99.9%，其中在該覆蓋層之該外側部分中，該覆蓋層的壓縮應力從第一壓縮應力CS1減小至小於第一壓縮應力CS1之第二壓縮應力CS2；在該覆蓋層之該中間部分中，該覆蓋層的壓縮應力隨著與該覆蓋層之該外表面的距離增加而保持實質恆定為CS2；在位於該中間部分與該核心層間之該覆蓋層的一內側部分中，該覆蓋層的壓縮應力從CS2增加至小於CS1且大於CS2之第三壓縮應力CS3；且在該覆蓋層與該核心層之交界處，該覆蓋層的壓縮應力以階梯狀的變化從CS3過渡到最大拉伸應力。
  25. 如請求項24所述之方法，進一步包括以下 步驟：使該核心層與該覆蓋層之間進行離子交換，以使從該中間DOL朝向該核心層向內延伸至一內側DOL的該覆蓋層之一內側部分中的壓縮應力提高。
  26. 一種包括如請求項1至23中任一項所述之玻璃物件的消費電子裝置、建築牆板或汽車窗戶。
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