制備經(jīng)過離子交換的玻璃的方法以及所得裝置的制造方法
【專利說明】制備經(jīng)過離子交換的玻璃的方法以及所得裝置
[0001] 本申請(qǐng)要求2013年6月25日提交的美國申請(qǐng)13/926,461和2012年9月26日 提交的美國申請(qǐng)13/626,958的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過引用完整結(jié)合于此。
[0002] 背景 發(fā)明領(lǐng)域
[0003] 本文所公開的實(shí)施方式涉及生產(chǎn)經(jīng)過離子交換的玻璃的方法，特別是具有中等壓 縮應(yīng)力、高壓縮層深度和/或所需中心張力特征的這種玻璃。
[0004] 相關(guān)討論
[0005] 在建筑和車輛或運(yùn)輸應(yīng)用中，包括在轎車、機(jī)動(dòng)車輛、機(jī)車和飛機(jī)中，玻璃層壓件 可以用作窗戶和窗用玻璃。玻璃層壓件還可在欄桿和樓梯上用作玻璃嵌板，用作墻壁、柱 子、電梯轎廂、廚房電器及其他應(yīng)用中的裝飾板或蓋板。如本文所用，窗用玻璃或?qū)訅翰Ａ?結(jié)構(gòu)是窗戶、面板、墻壁、罩殼、標(biāo)牌或其他結(jié)構(gòu)的透明、半透明、部分透明或不透明部分。建 筑和/或車輛應(yīng)用中所用的窗用玻璃的常見類型包括明凈的層壓玻璃結(jié)構(gòu)和套色的層壓 玻璃結(jié)構(gòu)。
[0006] 常規(guī)的汽車窗用玻璃構(gòu)造由兩層2mm鈉鈣玻璃和聚乙烯醇縮丁醛（PVB)中間層構(gòu) 成。這些層壓件構(gòu)造具有一些優(yōu)勢，包括低成本、足以應(yīng)用于汽車和其他應(yīng)用的抗沖性。然 而，由于它們抗沖性有限且重量大，這些層壓件通常表現(xiàn)出較差的性能特點(diǎn)，包括受到路邊 碎石撞擊、人為敲擊及其他物體沖擊時(shí)破裂的概率高，并且對(duì)于各種車輛來說燃油效率低。
[0007] 在強(qiáng)度較為重要的應(yīng)用（例如上述汽車應(yīng)用）中，常規(guī)玻璃的強(qiáng)度可通過多種方 法提高，包括涂層、熱鋼化和化學(xué)強(qiáng)化（離子交換）。熱鋼化一般用于整體式厚玻璃板，其優(yōu) 點(diǎn)是深入玻璃表面產(chǎn)生厚壓縮層，通常達(dá)到整個(gè)玻璃厚度的20-25%。但不利的是，壓縮應(yīng) 力較低，通常小于lOOMPa。此外，對(duì)于較薄的玻璃，如厚度小于約2_的玻璃，熱鋼化的效果 變得越來越差。
[0008] 相比之下，離子交換（IX)技術(shù)能在經(jīng)過處理的玻璃中產(chǎn)生高水平的壓縮應(yīng)力，在 表面高達(dá)約lOOOMPa，并且適用于非常薄的玻璃。但不利的是，離子交換限于較淺的壓縮層， 通常是大約幾十微米的樣子。高壓縮應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致非常高的抗鈍擊性，對(duì)汽車應(yīng)用來說可能 通不過特定的安全標(biāo)準(zhǔn)，如ECE (聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)）R43人頭模型沖擊試驗(yàn)，該試驗(yàn)要 求玻璃在某個(gè)沖擊負(fù)荷下破裂，以防造成傷害。常規(guī)研發(fā)力量集中在車用層壓件的受控或 優(yōu)先破裂上，而以其抗沖擊性為代價(jià)。
[0009] 盡管常規(guī)的單步離子交換工藝可采用較長的離子交換步驟實(shí)現(xiàn)更大的壓縮層深 度（D0L)，但這種冗長的持續(xù)時(shí)間也導(dǎo)致中心張力（CT)上升，超過選定的玻璃易碎限值 (frangibility limit)，使玻璃不利地發(fā)生碎裂。舉例而言，新近實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)4英寸x4英 寸χ0· 7毫米的康寧1^大猩猩玻璃?在純KNO3中進(jìn)行長時(shí)間的單步離子交換過程（475°C下 8小時(shí)）時(shí)，它在破裂時(shí)會(huì)發(fā)生不利的碎片化（劇烈破損，形成大量小碎片）。事實(shí)上，雖然 壓縮層深度達(dá)到約101 μ m，但產(chǎn)生65MPa的較高中心張力，這高于所研宄的玻璃片所需的 易碎限值（48MPa)。
[0010] 此外，新近發(fā)現(xiàn)，因暴露于環(huán)境中的磨損物如石英砂、飄飛的碎肩等，裝好的汽車 窗用玻璃（采用經(jīng)過離子交換的玻璃）會(huì)形成深達(dá)約75 μ m的外部擦傷。這樣的深度會(huì)超 過壓縮層的典型深度（例如幾十微米），可能導(dǎo)致玻璃意外破裂。
[0011] 鑒于前文所述，需要新方法和裝置來滿足某些玻璃應(yīng)用的需要，其中中等壓縮應(yīng) 力、高壓縮層深度和/或所需的中心張力是重要的考慮因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，本發(fā)明的方法和裝置利用離子交換技術(shù)為薄 玻璃制品提供了表面壓縮層，使其具有抗刮擦性和抗沖擊性。所述玻璃制品具有較大的壓 縮層深度（DOL)，使其能抵抗環(huán)境傷害。特別是，玻璃表面的壓縮應(yīng)力（CS)低于經(jīng)過離子交 換的傳統(tǒng)玻璃，使該玻璃能通過汽車沖擊安全標(biāo)準(zhǔn)（如ECE R43人頭模型沖擊試驗(yàn)），因而 適合汽車窗用玻璃應(yīng)用。
[0013] 舉例來說，一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式涉及用于獲得具有中等壓縮應(yīng)力和大壓縮層深度 的玻璃的離子交換方法，包括：（i)離子交換步驟和（ii)退火步驟。
[0014] 根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，本發(fā)明的方法和裝置通過執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)操作提供和 /或得到一種產(chǎn)品，所述操作包括：執(zhí)行離子交換過程，即在一個(gè)或多個(gè)第一溫度將玻璃片 在熔鹽浴中浸第一段時(shí)間，使玻璃片中靠近其表面的離子交換成熔鹽浴中較大的離子，從 而產(chǎn)生：（i)位于玻璃片表面的初始?jí)嚎s應(yīng)力（iCS)，（ii)進(jìn)入玻璃片的初始?jí)嚎s層深度 (iDOL)，以及（iii)位于玻璃片內(nèi)部的初始中心張力（iCT)。所述操作可進(jìn)一步包括在完成 離子交換過程之后使玻璃片退火，即使玻璃片升溫至一個(gè)或多個(gè)第二溫度，保持第二段時(shí) 間，從而改變初始?jí)嚎s應(yīng)力（iCS)、初始?jí)嚎s層深度（iDOL)和初始中心張力（iCT)中的至少 一個(gè)。
[0015] 所述操作可進(jìn)一步包括在離子交換過程中提供以下條件中的至少一個(gè)條件：（i) 熔鹽浴包括KNO 3; (ii)所述一個(gè)或多個(gè)第一溫度在約370-500°C的范圍內(nèi)；以及（iii)所 述第一段時(shí)間在約4-24小時(shí)的范圍內(nèi)，例如約8小時(shí)。
[0016] 所述操作可進(jìn)一步包括在退火過程中提供以下條件中的至少一個(gè)條件：（i)退 火過程在空氣環(huán)境中進(jìn)行；（ii)所述一個(gè)或多個(gè)第二溫度在約400-550°C的范圍內(nèi)；以及 (iii)所述第二段時(shí)間在約〇. 5-24小時(shí)的范圍內(nèi)，例如約8小時(shí)。
[0017] 所述操作可進(jìn)一步包括：在離子交換過程之后，初始?jí)嚎s應(yīng)力（iCS)超過預(yù)定值； 在退火過程之后，初始?jí)嚎s應(yīng)力（iCS)減小到最終壓縮應(yīng)力（fCS)，該最終壓縮應(yīng)力（fCS) 等于或低于所述預(yù)定值。
[0018] 所述操作可進(jìn)一步包括：在離子交換過程之后，初始?jí)嚎s層深度（iDOL)低于預(yù)定 值；在退火過程之后，初始?jí)嚎s層深度（iDOL)增加到最終壓縮層深度（fDOL)，該最終壓縮 層深度（fDOL)等于或高于所述預(yù)定值。
[0019] 所述操作可進(jìn)一步包括：在離子交換過程之后，初始中心張力（iCT)超過預(yù)定值； 在退火過程之后，初始中心張力（iCT)減小到最終中心張力（fCT)，該最終中心張力（fCT) 等于或低于所述預(yù)定值。
[0020] 所述操作可進(jìn)一步包括：使初始?jí)嚎s應(yīng)力（iCS)等于或大于約500MPa，使最終壓 縮應(yīng)力（fCS)等于或小于約400MPa，如小于約350MPa，或者小于約300MP。
[0021] 所述操作可進(jìn)一步包括：使初始?jí)嚎s層深度（iDOL)等于或小于約75 μ m，通常約 40 μ m ;使最終壓縮層深度（fDOL)等于或大于約90 μ m，或者等于或大于約80 μ m。
[0022] 所述操作可進(jìn)一步包括：使初始中心張力（iCT)等于或大于為玻璃片選定的所需 易碎限值，并使最終中心張力（fCT)低于為該玻璃片選定的易碎限值。
[0023] 舉例而言，使用本文所述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式生產(chǎn)的裝置包括玻璃片，所述玻 璃片具有：（i)已經(jīng)過離子交換的玻璃片表面處的壓縮應(yīng)力（CS)，該壓縮應(yīng)力（CS)等于或 小于約400MPa，或者小于約350MPa，或者小于約300MPa ; (ii)進(jìn)入玻璃片的壓縮層深度 (DOL)，該壓縮層深度（DOL)等于或大于約80 μπι，或者等于或大于約90 位于玻 璃片內(nèi)部的中心張力（CT)，中心張力（CT)低于為玻璃片選定的易碎限值。
[0024] 一個(gè)示例性實(shí)施方式提供了輕質(zhì)玻璃層壓件，該層壓件具有至少一層化學(xué)強(qiáng)化玻 璃，如大猩猩?玻璃，該層壓件可在兩層玻璃的合適表面壓縮應(yīng)力水平下設(shè)計(jì)和制造，從 而在ECE R43人頭模型試驗(yàn)中評(píng)價(jià)時(shí)確保破裂。其他實(shí)施方式可包括兩層0. 7_厚的化學(xué) 強(qiáng)化玻璃，該化學(xué)強(qiáng)化玻璃具有約250-350MPa、優(yōu)選約300MPa的表面殘余壓縮應(yīng)力，并具 有至少60 μπι的壓縮層深度。然后，可通過中間層材料連接這兩個(gè)玻璃層，所述中間層材料 例如但不限于0. 8_厚的聚乙烯醇縮丁醛或者其他聚合物中間層材料。
[0025] 另一個(gè)實(shí)施方式提供了具有第一玻璃層、第二玻璃層以及至少一個(gè)位于所述第一 和第二玻璃層中間的聚合物中間層的層壓結(jié)構(gòu)。第一玻璃層可包含經(jīng)過化學(xué)強(qiáng)化的薄玻 璃，該玻璃具有約250-350MPa的表面壓縮應(yīng)力和大于約60 y