分離強化玻璃的方法

專利名稱：分離強化玻璃的方法
分離強化玻璃的方法相關申請交叉參考本申請要求2009年2月19日提交的美國申請系列號第12/388935號的優先權。
背景技術：
在玻璃中引入表面壓縮應力曲線(profile)是一種眾所周知的強化玻璃的方法。 具體來說，可以通過熱回火或者用離子交換法對玻璃進行化學強化，在玻璃中引入殘余應力。通過離子交換進行的化學強化包括使得包含堿金屬離子的玻璃接觸熔融鹽浴，所述熔融鹽浴包含的堿金屬離子大于玻璃中原本包含的堿金屬離子。由于化學電勢差，玻璃中的一些離子被較大的離子代替，形成較大體積的層，在玻璃的表面內產生壓縮應力，由此彌補了內部的拉伸應力，從而維持作用力的平衡。盡管熱回火或化學強化使得玻璃牢固而且能夠抗損壞，但是玻璃內的殘余應力使得化學強化的玻璃的切割或分離變得很困難。具體來說，如果對強化層的厚度超過約20微米且壓縮應力約大于400MPa的強化玻璃進行機械劃線以進行切割，經常會導致無法控制的裂紋蔓延，在一些情況下，會導致玻璃的粉碎。即使能夠對強化的玻璃進行機械刻劃，所得的邊緣的質量也可能會很差，具有較大厚度的玻璃片尤其如此。發明概述提供了一種用來將強化玻璃制品分離或分割成至少兩片的方法，所述片中的至少一個具有預定的形狀和尺寸，所述強化玻璃制品具體來說是強化玻璃片，已經通過熱回火或化學強化進行過強化。在玻璃內的一個深度引發缺陷，該深度大于所述玻璃的強化表面層的深度(在本文中稱作“層的深度”)，在所述缺陷處引發缺口，并且沿著分離方向延伸通過所述玻璃片，該缺口的深度大于所述強化表面層的深度，并且位于所述強化表面層以外， 以至少部分地分離所述玻璃。在一個實施方式中，通過以下的方式產生所述缺口 用激光器處理玻璃，將玻璃加熱至以下的溫度范圍從比玻璃的應變點低大約50°C到應變點和退火點之間的溫度。本發明還描述了一種玻璃制品，所述玻璃制品具有至少一個化學強化的表面以及至少一個通過所述分離方法形成的邊緣，所述至少一個邊緣的平均邊緣強度至少為 200MPa。因此，本發明的一個方面提供一種將強化玻璃片分離成至少兩片的方法。該方法包括提供強化玻璃片，所述強化玻璃片具有應變點、退火點、厚度、第一表面和第二表面， 所述第一表面和第二表面基本上互相平行，并且通過多個邊緣連接，其特征在于，所述第一表面和第二表面中的至少一個包括受到壓縮應力的強化表面層，所述強化表面層從表面延伸到一個層深度；在所述強化玻璃片內的一個缺陷深度引發缺陷，所述缺陷深度大于所述層的深度，并且位于所述層的深度以外；在所述強化玻璃片中形成缺口，以將所述強化玻璃片至少部分地分離為至少兩片，所述缺口從所述缺陷處起始，按照分離方向，從所述缺陷沿著所述強化玻璃片延伸，該缺口的缺口深度大于或等于所述層的深度。本發明的第二個方面提供一種在強化玻璃片中形成缺口的方法。所述強化玻璃片具有應變點和退火點，受到拉伸應力的中心區域，以及受到壓縮應力并從所述表面延伸到一個層深度的強化表面層。該方法包括在所述強化玻璃片內的缺陷深度引發缺陷，所述缺陷深度大于所述層的深度，位于所述層的深度以外；用激光束輻照所述強化玻璃片，在缺口深度將所述玻璃加熱至以下范圍的溫度從比所述應變點低大約50°C到所述應變點和所述退火點之間的溫度，以形成所述缺口，所述缺口深度大于或等于所述層的深度，所述缺口在所述缺陷處起始，從所述缺陷延伸。本發明的第三方面提供一種強化的玻璃制品。所述強化玻璃制品具有受到拉伸應力的中心區域，至少一個受到壓縮應力并從所述表面延伸到一個層深度的強化的表面層， 以及至少一個邊緣，所述至少一個邊緣的平均邊緣強度至少為200MPa。從以下詳細描述、附圖和所附權利要求書能明顯地看出本發明的這些和其它方面、優點和顯著特征。附圖簡要說明

圖1是強化玻璃片的截面示意圖；圖2是用激光器處理強化玻璃片以形成缺口的截面示意圖。發明詳述在以下描述中，類似的附圖標記表示附圖所示若干視圖中類似或相應的部分。還應理解，除非另外指出，否則，術語如“頂部”，“底部”，“向外”，“向內”等是方便用語，不被認作限制性術語。此外，每當將一個組描述為包含一組要素中的至少一個和它們的組合時，應將其理解為所述組可以單個要素或相互組合的形式包含任何數量的這些所列要素，或者主要由它們組成，或者由它們組成。類似地，每當將一個組描述為由一組要素中的至少一個或它們的組合組成時，應將其理解為所述組可以單個要素或相互組合的形式由任何數量的這些所列要素組成。除非另外說明，否則，列舉的數值范圍同時包括所述范圍的上限和下限。參見所有附圖，并具體參見圖1，應理解為描述本發明的具體實施方式
進行的說明，這些說明不構成對本發明的說明書的限制。為了清楚和簡明起見，附圖不一定按比例繪制，所示的附圖的某些特征和某些視圖可能按比例放大顯示或以示意性方式顯示。在本文中，術語“應變點”表示玻璃的粘度η等于IO14 5泊的溫度，術語“退火點” 表示玻璃的粘度n等于 ο13泊的溫度。可以通過加熱方式或化學方式對玻璃片進行強化。在熱強化(本文中也稱為“熱退火”)中，將玻璃片加熱至高于玻璃的應變點，但是低于玻璃的軟化點的溫度，然后快速冷卻至低于應變點的溫度，在玻璃的表面形成強化層。或者，可以通過被稱作離子交換的方法對玻璃片進行化學強化。在此方法中，用具有相同價態或氧化態的較大的離子代替或交換玻璃的表面層內的離子。離子交換過程通常是通過將玻璃浸沒在包含較大的離子的熔融鹽浴中進行的。例如，對于堿性鋁硅酸鹽玻璃，玻璃中的較小的堿金屬陽離子，例如鋰，可以被較大的堿金屬陽離子，例如鈉、鉀、銣或銫代替。類似的，玻璃中的鈉離子可以被較大的離子，例如鉀、銣或銫代替。通過用較大的離子代替較小的離子，形成較大體積的表面層，從而在玻璃的表面層內形成壓縮應力。因此，彌補了在玻璃的內部區域內產生的拉伸應力，從而保持這些作用力之間的平衡。盡管熱強化或化學強化使得玻璃牢固而且能夠抗損壞，但是玻璃內的殘余應力使得化學強化的玻璃的切割或分離變得很困難。具體來說，如果對層厚度超過約20微米且壓縮應力約大于400MPa的強化玻璃進行機械劃線以進行切割，經常會導致無法控制的裂紋蔓延，在一些情況下，會導致玻璃的粉碎。即使能夠對強化的玻璃進行機械刻劃，所得的邊緣的質量也可能會很差，較厚的玻璃片尤其如此。因此，本發明提供了一種用來對強化玻璃(特別是通過離子交換進行化學強化的玻璃)進行可控的分割、分離或切割的方法，解決了強化玻璃的切割或分離的問題。在本文中，術語“切割”、“分割”和“分離”可以互換使用，表示通過物理手段將玻璃制品，例如玻璃片分離或分割成兩片或更多片。所述分離在以下方面受到引導或控制基本上沿著所需的或預定的平面或線將玻璃分割而獲得至少兩個片，所述片中的至少一個具有所需的或預定的幾何形狀和尺寸，而不是被分割成具有任意的尺寸和/或形狀的片。本發明一個實施方式中所述的方法包括提供強化的玻璃片，在強化玻璃片的強化層的深度(或者層的深度) 下方的缺陷深度處，在所述強化玻璃片中引發缺陷，在所述強化的玻璃片內，在大于所述層的深度的深度之處，形成缺口，所述缺口從所述缺陷起始，從所述缺陷延伸，產生應力，從而沿著所述缺口將所述強化的玻璃片分離成具有所需的幾何形狀和尺寸的至少兩個片。在第一步中，所述方法包括提供化學強化的玻璃片，所述化學強化的玻璃片具有第一表面和第二表面，該第一表面和第二表面基本上互相平行，或者彼此形狀一致。所述強化的玻璃片不一定是平面的。所述強化的玻璃片可以是例如具有至少一個彎曲表面的三維片，等等。所述第一表面和第二表面通過至少一個邊緣互相連接或接合。所述第一表面和第二表面中的至少一個具有受到壓縮應力并從所述表面延伸到玻璃內的一個層深度的強化的表面層。在一個實施方式中，所述第一層和第二層都具有強化的表面層。圖1顯示強化的玻璃片的橫截面示意圖。強化玻璃片100具有厚度t和長度1， 基本互相平行的第一表面110和第二表面120，以及連接所述第一表面110和第二表面120 的邊緣130。玻璃片100是熱強化或化學強化的，具有分別從第一表面110和第二表面120 延伸到各個表面下方深度d” d2的強化表面層112，122。強化的表面層112，122受到壓縮應力。另外，強化的玻璃片100具有受到張力，或拉伸應力的中心區域115。通常將所述強化表面層112、122延伸的深度d” d2獨立地稱作“層的深度”。在另一個實施方式中，第一表面110和第二表面120中只有一個被強化；例如，第一表面110被化學強化或熱強化，具有強化的表面層112，所述第二表面120未被強化。邊緣130的一部分132也可以由于所述強化工藝而被強化。厚度t至少約為100微米(0. 1毫米)，通常約為100微米至最高約3 毫米。在一個實施方式中，約為500微米(0. 5毫米)至最高約3mm。本發明所述的方法用來對那些通過本領域已知的方法熱強化或化學強化的玻璃進行分離。在一個實施方式中，所述強化玻璃是堿性鋁硅酸鹽玻璃。在一個實施方式中，所述玻璃包含:60-70摩爾% SiO2 ；6-14摩爾% Al2O3 ；0-15摩爾% B2O3 ；0-15摩爾% Li2O ；0-20 摩爾 ％ Na2O ；0-10 摩爾 ％ K2O ；0-8 摩爾 ％ MgO ；0-10 摩爾 ％ CaO ；0-5 摩爾 ％ ZrO2 ；0-1 摩爾 ％ SnO2 ；0-1 摩爾 ％ CeO2 ；小于 50ppm 的 As2O3 ；以及小于 50ppm 的 Sb2O3 ；其中12摩爾Li20+Na20+K20彡20摩爾％且0摩爾％彡MgO+CaO彡10摩爾％。在另一個實施方式中，所述玻璃包含64摩爾SiO2S 68摩爾％ ；12摩爾％ SNei2OS 16摩爾％ ;8摩爾％彡Al2O3彡12摩爾摩爾B2O3彡3摩爾％ ；2摩爾％彡K2O彡5 摩爾摩爾彡6摩爾以及0摩爾彡5摩爾％，其中66摩爾 ％ 彡 Si02+B203+Ca0 彡 69 摩爾 ％ ；Na20+K20+B203+Mg0+Ca0+Sr0 > 10 摩爾 ％ ；5 摩爾 ％ 彡 MgO+CaO+SrO 彡 8 摩爾 % ； (Na2CHB2O3) -Al2O3 彡 2 摩爾 % ；2 摩爾 % 彡 Na2O-Al2O3 彡 6 摩爾％ ；和4摩爾％彡(Na2CHK2O)-Al2O3彡10摩爾％。在一個具體的實施方式中，所述玻璃具有以下組成66. 7 摩爾 ％ SiO2 ；10. 5 摩爾 ％ Al2O3 ；0. 64 摩爾 ％ B2O3 ；13. 8 摩爾 ％ Nei2O ； 2. 06 摩爾 % K2O ；5. 50 摩爾 % MgO ；0. 46 摩爾 % CaO ；0. 01 摩爾 % ZrO2 ；0. 34 摩爾 % As2O3 ； 和0.007摩爾％狗203。在另一個實施方式中，所述玻璃具有以下組成66. 4摩爾％ SiO2 ； 10. 3 摩爾 ％ Al2O3 ；0. 60 摩爾 ％ B2O3 ；4. 0 摩爾 ％ Na2O ；2. 10 摩爾 ％ K2O ；5. 76 摩爾 ％ MgO ； 0. 58 摩爾 % CaO ；0. 01 摩爾 % ZrO2 ；0. 21 摩爾 % SnO2 ；禾口 0. 007 摩爾 % Fe2O3-在一些實施方式中，所述玻璃可以基本不含鋰，而在其它實施方式中，所述玻璃基本不含砷、銻和鋇中的至少一種。所述玻璃還可以進行下拉；即通過本領域已知的狹縫拉制法或熔合拉制法進行成形。在這些情況下，所述玻璃的液相線粘度至少為130千泊。所述堿性鋁硅酸鹽玻璃的非限制性例子在以下文獻中進行描述Adam J.Ellison等人的美國專利申請第 11/888，213號，題為“用于覆蓋板的可下拉的化學強化的玻璃(Down-Drawable，Chemically Strengthened Glass for Cover Plate) ”，于 2007 年 7 月 31 日提交，其要求 2007 年 5 月22日提交的具有相同標題的美國臨時專利申請第60/930，808號的優先權；Matthew J. Dejneka等人的美國專利申請第12/277，573號，題為“具有改進的韌性和抗劃擦性的玻璃(Glasses Having Improved Toughness and Scratch Resistance)，，，于 2008年 11 月 25 日提交，其要求2007年11月四日提交的具有相同標題的美國臨時專利申請第61/004，677 號的優先權；Matthew J. Dejneka等人的美國臨時專利申請第61/067，130號，題為“用于硅酸鹽玻璃的澄清劑(Fining Agents for Silicate Glasses) ”，于2008年2月洸日提交；Matthew J. Dejneka等人的美國臨時專利申請第61/067，732號，題為“離子交換的快速冷卻的玻璃(Ion-Exchanged，Fast Cooled Glasses)，，，于2008年2月四日提交；以及 Kristen L. Barefoot等人的美國臨時專利申請第61/0873M號，題為“化學回火的覆蓋玻璃(Chemically Tempered Cover Glass) ”，于2008年8月8日提交，這些參考文獻都全文參考結合入本文中。如本文前面的文字所述，在一個實施方式中，通過離子交換工藝對玻璃進行化學強化，在此工藝中，用具有相同價態或氧化態的較大的離子代替玻璃表面層中的離子。在一個具體實施方式
中，所述表面層中的離子以及所述較大的離子是一價的堿金屬陽離子，例如Li+(當玻璃中存在的時候)，Na+，K+，Rb+和Cs+。或者，表面層中的一價陽離子可以用堿金屬陽離子以外的一價陽離子，例如Ag+等代替。在一個非限制性實施例中，使用本文所述的方法對堿性鋁硅酸鹽玻璃樣品進行切割。所述樣品具有上文所述范圍內的組成。各種樣品通過在410°C，在包含1^03的熔融鹽浴中浸泡來進行離子交換，從而進行強化。浸泡時間約為0.5小時至最高約7小時。所述離子交換處理形成強化的玻璃，該強化的玻璃包括深度約為10微米至最高至少50微米的層，該層具有大約200MPa至最高約800MPa的壓縮應力。在一個實施方式中，所述強化玻璃的層深度至少為20微米。所述層的壓縮深度的壓縮應力至少為200MPa，具有約小于IOOMPa的中心張力。通常可以用交換的層相對于基礎玻璃的折射率變化造成的光波導效應來測量層的壓縮應力和深度。離子交換法通常是通過將玻璃浸泡在熔融鹽浴中來進行的，所述熔融鹽浴包含用來交換玻璃中的較小的離子的較大的離子。本領域技術人員能夠理解，離子交換工藝的參數包括但不限于浴的組成和溫度，浸沒時間，所述玻璃在一種或多種鹽浴中的浸沒次數，多
8種鹽浴的使用，其它的步驟，例如退火、洗滌等，通常是由以下的因素決定的玻璃的組成， 所需的層的深度，以及通過強化操作需要獲得的玻璃的壓縮應力。例如，含堿金屬的玻璃的離子交換可以通過以下方式實現在至少一種包含鹽的熔融浴中進行浸泡，所述鹽包括例如但不限于較大堿金屬離子的硝酸鹽、硫酸鹽和氯化物。所述熔融鹽浴的溫度通常約為 380°C至最高約450°C，浸泡時間約為15分鐘至最高16小時。上文引用的美國專利申請以及臨時專利申請提供了離子交換工藝的非限制性例子。另外，在以下文獻中描述了在多種離子交換浴中浸沒玻璃(在兩次浸泡之間進行洗滌和/或退火步驟)的離子交換工藝的非限制性例子Douglas C.Allan等人的美國臨時專利申請第61/079，995號，題為“用于消費用途的具有壓縮表面的玻璃(Glass with Compressive Surface for Consumer Applications)，，,于2008年7 月 11 日提交,其中通過在具有不同濃度的鹽浴中多次浸泡，進行連續的離子交換處理，從而對玻璃進行強化；以及 Christopher Μ. Lee等人的美國臨時專利申請第61/084，398號，題為“用于玻璃化學強化的兩步離子交換(Dual Stage Ion Exchange for Chemical Strengthening of Glass)，，， 于2008年7月四日提交，其中，玻璃通過以下方式進行強化首先在用流出離子稀釋的第一浴中進行離子交換，然后在第二浴中浸泡，所述第二浴的流出離子濃度小于第一浴。美國臨時專利申請第61/079，995號和第61/084，398號的全文參考結合入本文中。在另一個實施方式中，可以通過熱回火對強化的玻璃片100進行強化。在此技術中，將強化的玻璃片100加熱至高于玻璃的應變點的溫度，然后快速冷卻至低于應變點的溫度，從而形成強化的層112，122。在提供強化玻璃片100之后，在玻璃片內引發缺陷。在所述強化表面層112以外的缺陷深度d3(圖2)引發初始缺陷(圖2的140)，該缺陷深度d3大于或等于層的深度屯。 在一個實施方式中，如圖2所示，缺陷140在邊緣130和第一表面110上引發，延伸通過強化表面層112的深度，延伸入中心區域115。或者，可以在邊緣130和第二表面120上引發缺陷140，延伸通過強化表面層112的深度，進入中心區域115。在一個實施方式中，可以通過機械方式，例如劃線等來形成缺陷140。或者，可以通過具有等于或小于納秒長度(例如皮秒或飛秒長度)的短激光脈沖引發缺陷140。然后在強化玻璃片100中形成缺口(圖2中的150)。缺口 150起始于缺陷140， 沿著缺口方向延伸，在圖2中，該缺口方向平行于強化玻璃片100的長度1。缺口 150破壞了玻璃內分子水平的鍵，在缺口深度山形成，該缺口深度大于強化層112的深度屯。在一個實施方式中，缺口 150是完全的或完整的，穿透強化玻璃片100的整個深度t。在另一個實施方式中，缺口 150是部分的，沒有穿透強化玻璃片100的整個深度t。部分缺口也稱作 “中部裂紋”。在一個實施方式中，通過以下方式形成缺口 150 用激光束160對強化玻璃片100 進行加熱，然后在初始缺陷140處驟冷。用激光束160對其中引發缺陷140的強化玻璃片 100的表面進行加熱。例如，在圖2中，缺陷140在第一表面110中引發，然后用激光160加熱。用細長的橢圓形激光束160對強化玻璃片100進行加熱，沿著強化玻璃片100的整個長度1將強化的玻璃片100局部加熱至一定溫度，該溫度的范圍是從比強化玻璃片100的應變點低大約50°c至強化玻璃片100的應變點和退火點之間的溫度。在一些實施方式中， 強化的玻璃主體100是通過離子交換而化學強化的，用激光束160將強化的玻璃片100加熱至應變點到退火點之間的溫度。與隨后在起始缺陷140處施加的驟冷相結合，激光束160 造成了溫度梯度，因此產生了拉伸應力。所述激光束160的局部加熱在缺口 150內產生拉伸應力，在圍繞缺口 150的玻璃內產生壓縮應力，從而平衡強化玻璃片100內的作用力。沿著缺口 150對強化玻璃片100的驟冷增大了溫度梯度，引發了缺口 150快速延伸通過強化玻璃片100的厚度t，使得缺口 150沿著缺口方向或分離方向蔓延，由此使得強化的玻璃片 100沿著缺口 150分離。在一些情況下，僅僅對強化的玻璃片100進行加熱而不進行驟冷就足以分離強化玻璃片100 了。但是，在其它的實施方式中，需要進行驟冷，因為由此可以通過加熱至較低的溫度而分離強化的玻璃片100，為分離工藝提供可控性的度量(即能夠以可控的或引導的方式沿著預定的線或平面分離強化玻璃片)。激光束160以預定的速度，沿著方向162移動跨過強化的玻璃片100。所述移動可以通過使得激光束160和/或強化的玻璃片100移動來完成。缺口深度山取決于移動速度、激光束160的長度，并且一定程度取決于激光束160的能量曲線。在一個實施方式中， 缺口深度d4等于強化玻璃片100的厚度t，因此允許強化玻璃片沿著預定的平面完全分離成至少兩片，所述預定的平面垂直于第一表面110和第二表面120，包括缺口 150 ；例如由此沿著預定的線1將強化玻璃片100分割開。對于層的深度Cl1小于20微米或者表面層110、120中只有一個被強化的實施方式， 缺口深度山小于強化玻璃片100的厚度t。在這些條件下，在一些情況下，可以實現強化玻璃片100的部分分離。強化玻璃片100沿著缺口 150劃線或弱化。在這些情況下，通過產生應力，沿著缺口 150將強化玻璃片100分離成至少兩片。在一個實施方式中，通過在用激光束160加熱之后立刻對強化的玻璃片100進行驟冷，從而產生應力，產生熱梯度和相應的應力場。通常通過以下方式來實現沿著缺口 150對強化玻璃片100的一個區域或一部分的驟冷當激光束160移動經過強化玻璃片100的表面的時候，使用跟隨著激光束160的冷卻劑流或射流(圖2中的170)，例如噴水，冷卻氣體，乙醇，水/空氣霧等。可以將驟冷流或射流170設置在跟隨激光束160的區域之內，或者跟隨著激光束160，與之相距大約1毫米至最高約100毫米。所述驟冷的制冷劑流或射流170的直徑通常限定到約為0. 2-10毫米，與激光束160對齊。所述激光束160的尺寸和強度分布足以在強化玻璃片100的整個厚度t上提供有效的梯度加熱，從而形成缺口 150，該缺口的深度遠遠大于壓縮層112的深度屯。通過考慮壓縮層112的深度和總厚度t，對激光束160移動通過強化玻璃片100的速度、光束長度和相應的光束停留時間進行選擇。還對激光束160的功率進行最優化，以避免將強化的玻璃片100加熱至高于玻璃的應變點的溫度，在一些實施方式中，高于退火點。還對激光束160 的功率進行最優化，以使得通過本發明的方法分離形成的邊緣具有更好的質量(例如，表現為沒有碎屑，小的切口，產生的碎片的量少)。在一個實施方式中，通過使用圓柱形透鏡300形成細長的橢圓形激光束160，其長度至少約為300毫米。在另一個實施方式中，使用本領域已知的掃描技術使得激光束更進一步變得細長。所述掃描技術使得激光束160伸長至長度至少為500毫米。在一個實施方式中，通過用(X)2激光器產生的波長為10. 6微米的激光束160對強化玻璃片100進行處理，從而產生缺口 150。由于表面吸收，CO2激光輻射不會深深地穿透入強化玻璃片100中。10. 6微米的激光輻射的有效穿透深度通常約為1-10微米，取決于玻
10璃的吸收、光束長度和光束移動速度。但是，穿透強化玻璃片100的厚度的激光束160引發的熱量導致形成穿過強化玻璃片100的深缺口 150，該熱量引發應力，或者在一些情況下， 使得強化的玻璃片100完全分離。激光束160可以是細長的，形狀為橢圓形。在一個實施方式中，激光束160的長度或主軸大于或等于強化玻璃片100在分離玻璃的方向(或平面)上的長度1。例如，可以使用長度為300毫米的激光束將長度最高達300毫米的強化玻璃片分離。激光束160的能量或強度曲線對分離工藝具有重要意義。各種光束曲線和形狀技術是本領域已知的，可以用于本文所述的方法。例如，可以用具有經典的高斯能量分布(也稱作“ΤΕΜ00”或“S模式”)的激光束刻劃和分離強化玻璃片。或者，“D-模式”(雙重)分布模式，其“平頂”改良模式，以及D模式和平頂模式的組合提供很多優點。D和“平頂”激光模式代表了本領域已知的TEMOf (包括兩種偏振TEMOl和TEMlO的模式)和TEMOO (高斯“S”)模式的不同的混合，能夠比S模式更有效地加熱強化玻璃片，同時不會超過應變點。 激光束160包括S模式曲線、D模式曲線和平頂曲線中的一種。D和平頂模式允許使用更高的刻劃速度，而不會在玻璃中產生過高的殘余應力。因為D和“平頂”模式的能量曲線比S 模式更均勻、更寬，因此可以用具有較低平均功率密度的激光束160對強化玻璃片100進行刻劃，從而提供比S模式更寬的工藝窗口。在一個具體實施方式
中，本發明所述的方法使用至少一種快速軸向流動(X)2激光器，其能夠以S模式操作以及以雙模式方式操作，從而能夠獲得具有不同的強度曲線的激光束。在一個非限制性實施例中，如本文所述的用來分離強化玻璃片的CO2激光器以雙重分布或“D模式”的形式操作，此種模式是由大約60%的TEMOf模式和40%的TEMOO模式混合而成。另外，對內部激光器光學元件進行合適的改良可以允許TEM00/TEM01*比例發生變化，將TEMOO模式的比例增加到高于40%，消除(或者最大程度減小)所得的模式曲線中的中部強度降低。激光束保持為雙重模式，但是接近“平頂”模式的曲線。D模式和平頂模式可以用于本文所述的方法。在一些情況下，D模式具有更緩和的兩步加熱曲線，因此是優選的。另外，使用D模式有助于促進將強化玻璃片100加熱至低于玻璃的應變點的溫度。所述激光束160的長度和寬度可以在很寬的范圍內變化，可以根據強化玻璃片 100的性質和工藝速度要求進行調節。一般來說，較長的激光束能夠延長特定體積的強化玻璃片100與激光束接觸的時間。為了對化學回火的鋁硅酸鹽玻璃進行刻劃或分離，例如光束長度可以最長約為200毫米，在一些實施方式中，可以延長至最高約250毫米，在其它的實施方式中，最高約等于或高于300毫米，由此可以在熱驟冷之前使得強化玻璃片150預熱。或者，可以在用激光束160進行輻照之前，用第二細長的橢圓形激光束(圖中未顯示) 對強化的玻璃片進行預熱，從而分離較長的玻璃片。可以通過例如使用本領域已知的方法將激光束160分裂，從而形成所述第二激光束。在玻璃分離工藝中，使得激光束160和強化玻璃片100中的至少一個相對于彼此沿著方向162移動，從而允許沿著所述平面或分割線形成中部裂紋或激光缺口，由此對強化的玻璃片100進行劃線或分割。移動的速度或“劃線速度”取決于玻璃的性質(例如組成，層深度，壓縮應力，中部張力，厚度)和尺寸，激光束160的形狀和強度。在一個非限制性的實施例中，對1. 3毫米厚的沒有進行過離子交換的鋁硅酸鹽玻璃片進行刻劃(即未完全分離)，刻劃速度為750毫米/秒，缺口(中部裂紋)深度約為200微米。在另一個實施例中，鋁硅酸鹽玻璃片在410°C，在純KNO3浴中浸泡7小時而進行離子交換，形成層深度約為51-53微米，壓縮應力約為725MPa，厚度為1. 3毫米，長度為150-200毫米，使用長度為 200毫米、移動速度為150毫米/秒的激光束將該玻璃片完全分離。還提供了一種通過本文所述的方法分割、切割或分離的強化玻璃制品，例如強化玻璃板等。所述強化玻璃制品具有第一表面、基本平行于所述第一表面的第二表面，以及連接所述第一表面和第二表面的至少一個邊緣。所述玻璃制品如本文所述通過化學方式或熱回火而強化，具有以下層中的至少一個從所述第一表面到第一層深度的第一強化層，以及從所述第二表面延伸到第二層深度的第二強化層。所述至少一個邊緣是通過使用上文所述的方法分離強化玻璃片100而形成的。在一個實施方式中，所述至少一個邊緣是通過對強化玻璃片的一個表面進行輻照而切割的邊緣。所述至少一個邊緣沿著所述強化玻璃片100 分離成至少兩個片的平面形成，通過水平四點彎曲法測得，平均邊緣強度至少為200MPa。所述強化的玻璃制品可以是任何進行了化學強化或熱強化的玻璃。在一個實施方式中，所述強化玻璃制品是堿性鋁硅酸鹽玻璃，例如前文所述的那些。所述強化的玻璃制品同時具有抗碎屑生成和抗劃擦性，非常適合用于移動通信和娛樂裝置(例如電話、音樂播放器、視頻播放器等)的覆蓋板；以及用于便攜式計算機的屏幕；或者其它的需要具有良好的抗劃擦性的牢固而堅韌的玻璃的應用。雖然為說明的目的提出典型的實施方式，但是前面的描述不應被認為是對本發明范圍的限制。因此，本領域技術人員可進行各種修改、改動和選擇，而不背離本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種用來將強化玻璃片分離成至少兩個片的方法，該方法包括a.提供所述強化的玻璃片，所述強化的玻璃片具有應變點、退火點、厚度、第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面基本上互相平行，通過多個邊緣相連接，所述第一表面和第二表面中的至少一個具有受到壓縮應力的強化表面層，所述強化的表面層從所述表面延伸到一個層深度；b.在所述強化玻璃片內的一個缺陷深度引發缺陷，所述缺陷深度大于所述層深度，位于所述層深度以外；以及c.在所述強化的玻璃片內形成缺口，以將所述強化玻璃片至少部分地分離成至少兩個片，所述缺口在所述缺陷處起始，從所述缺陷在分離方向上沿著強化玻璃片在缺口深度延伸，所述缺口深度大于或等于所述層的深度。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在強化玻璃片中形成缺口的步驟包括沿著缺口方向，用激光束輻照強化玻璃片，在缺口深度將強化的玻璃片加熱至以下的溫度范圍， 從而形成所述缺口 從比應變點低至少50°到強化玻璃片的應變點和退火點之間的溫度。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述沿著缺口方向，用激光束輻照強化玻璃片，在缺口深度將強化的玻璃片加熱至從比應變點低大約50°到強化玻璃片的應變點和退火點之間的溫度范圍的步驟包括通過整個厚度對所述強化玻璃片進行輻照和加熱，從而沿著所述缺口將強化的玻璃片分離成至少兩片。
4.如權利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述溫度在強化玻璃的應變點和退火點之間。
5.如權利要求2-4中任一項所述的方法，其特征在于，所述激光束的波長為10.6微米，由CO2激光器產生。
6.如權利要求2-5中任一項所述的方法，其特征在于，所述激光束是細長的橢圓形激光束。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述強化玻璃片具有長度，所述細長的橢圓激光束的長度大于或等于所述強化玻璃片的長度。
8.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述細長的橢圓激光束的長度至少約為300毫米。
9.如權利要求2-8中任一項所述的方法，其特征在于，該方法還包括使得激光束移動跨越所述第一表面和第二表面之一的步驟。
10.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述激光束以最高達750毫米/秒的速率移動跨越第一表面和第二表面中的一個。
11.如權利要求2-10中任一項所述的方法，其特征在于，該方法還包括用第二細長橢圓激光束輻照所述強化的玻璃片，從而對強化的玻璃片進行預熱。
12.如權利要求2-11中任一項所述的方法，其特征在于，所述激光束具有以下的一種 S模式曲線、D模式曲線和平頂曲線。
13.如以上權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述方法還包括產生應力，從而沿著所述缺口將所述強化的玻璃片分離成多片的步驟。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于，所述產生應力從而沿著缺口將強化的玻璃片分離成多個片的步驟包括在用激光束輻照強化的玻璃片之后，用流體對強化玻璃片的一部分進行驟冷。
15.如以上權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述玻璃是堿性鋁硅酸鹽玻
16.如權利要求15所述的方法，其特征在于，所述堿性鋁硅酸鹽玻璃包含60-70摩爾 % SiO2 ；6-14 摩爾 % Al2O3 ；0-15 摩爾 % B2O3 ；0-15 摩爾 ％ Li2O ；0-20 摩爾 % Na2O ；0-10 摩爾 % K2O ；0-8 摩爾 % MgO ；0-10 摩爾 % CaO ；0-5 摩爾 % ZrO2 ；0-1 摩爾 % SnO2 ；0-1 摩爾 % CeO2 ；小于 50ppm 的 As2O3 ；以及小于 50ppm 的 Sb2O3 ；其中 12 摩爾 Li20+Na20+K20 彡 20 摩爾％，0摩爾％彡MgO+CaO彡10摩爾％。
17.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述堿性鋁硅酸鹽玻璃包含64摩爾％彡SiO2彡68摩爾％;12摩爾Na2O彡16摩爾摩爾Al2O3彡12摩爾％ ;0摩爾％彡B2O3彡3摩爾摩爾彡5摩爾摩爾彡6 摩爾％ ；和0摩爾彡5摩爾％，其中66摩爾Si02+B203+Ca0 彡69摩爾 ％ ；Na20+K20+B203+Mg0+Ca0+Sr0 > 10 摩爾 ％ ；5 摩爾 MgO+CaO+SrO 彡 8 摩爾 ％ ； (Na20+B203) -Al2O3彡2摩爾摩爾Na2O-Al2O3彡6摩爾以及4摩爾％ 彡(Na2CHK2O)-Al2O3彡10摩爾％，所述玻璃的液相線粘度至少為130千泊。
18.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述堿性鋁硅酸鹽玻璃基本不含鋰。
19.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述堿性鋁硅酸鹽玻璃基本不含砷、銻和鋇。
20.如以上權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述強化玻璃片通過離子交換進行強化。
21.如權利要求20所述的方法，其特征在于，所述強化的玻璃片的層深度至少約為20 微米，壓縮應力至少約為200MPa，中部張力約小于或等于lOOMPa。
22.—種用來在強化玻璃片中形成缺口的方法，所述強化玻璃片具有應變點和退火點， 受到拉伸應力的中心區域，以及受到壓縮應力并從所述表面延伸到一個層深度的強化表面層，所述方法包括a.在所述強化玻璃片內的一個缺陷深度引發缺陷，所述缺陷深度大于所述層深度，位于所述層深度以外；以及b.用激光束對所述強化的玻璃片進行輻照，沿著缺口方向、在缺口深度將所述玻璃加熱至以下的溫度范圍，從而形成所述缺口 從比應變點低大約50°C到所述應變點和所述退火點之間的溫度，所述缺口深度大于或等于所述層深度，所述缺口從所述缺陷起始，從所述缺陷延伸出來。
23.如權利要求22所述的方法，其特征在于，所述激光束的波長為10.6微米，由CO2激光器產生。
24.如權利要求22所述的方法，其特征在于，所述激光束是細長的橢圓形激光束。
25.如權利要求M所述的方法，其特征在于，所述強化玻璃片具有長度，所述細長的橢圓激光束的長度大于或等于所述強化玻璃片的長度。
26.如權利要求M所述的方法，其特征在于，所述激光束具有以下的一種S模式曲線、 D模式曲線和平頂曲線。
27.一種強化玻璃制品，所述強化玻璃制品具有受到拉伸應力的中心區域，至少一個受到壓縮應力并從所述表面延伸的一個層深度的強化的表面層，以及至少一個邊緣，所述至少一個邊緣的平均邊緣強度至少為200MPa。
28.如權利要求27所述的強化玻璃制品，其特征在于，所述至少一個邊緣是激光切割邊緣。
29.如權利要求觀所述的強化玻璃制品，其特征在于，所述激光切割邊緣通過以下方式形成a.提供強化的玻璃片，所述強化的玻璃片具有應變點和退火點；b.在所述強化的玻璃片內的一個缺陷深度引發缺陷，所述缺陷深度大于所述層深度， 位于所述中心區域以內；以及c.用激光束輻照所述強化的玻璃制品，在缺口深度將所述強化的玻璃制品加熱至以下溫度范圍，從而形成缺口 從比應變點低大約50°C到應變點和退火點之間的溫度，所述缺口從所述缺陷延伸出來，分離所述強化的玻璃片，形成強化的玻璃制品，所述至少一個邊緣是通過分離所述強化玻璃片形成的。
30.如權利要求27所述的強化的玻璃制品，其特征在于，所述強化的玻璃制品是堿性鋁硅酸鹽玻璃。
31.如權利要求30所述的強化的玻璃制品，其特征在于，所述堿性鋁硅酸鹽玻璃包含64摩爾SiO2彡68摩爾％ ；12摩爾Nei2O彡16摩爾％ ；8摩爾Al2O3彡12 摩爾％ ；0摩爾％彡B2O3彡3摩爾摩爾彡5摩爾％ ；4摩爾％彡MgO彡6 摩爾％ ；以及0摩爾彡5摩爾％，其中66摩爾Si02+B203+Ca0彡69摩爾 ％ ； Na20+K20+B203+Mg0+Ca0+Sr 0 >10 摩爾摩爾 ％ 彡 MgO+CaO+SrO 彡 8 摩爾% ； (Na2CHB2O3) -Al2O3彡2摩爾摩爾Na2O-Al2O3彡6摩爾％ ；和4摩爾％ 彡(Na2CHK2O)-Al2O3彡10摩爾％，所述玻璃的液相線粘度至少為130千泊。
32.如權利要求30所述的強化的玻璃制品，其特征在于，所述強化的玻璃制品是通過離子交換而化學強化的。
33.如權利要求27所述的強化的玻璃制品，其特征在于，所述強化的玻璃制品是以下物件中的一種用于移動通信或娛樂裝置的覆蓋板，以及用于便攜式計算機的屏幕。
全文摘要
本發明提供了一種用來將強化玻璃制品、特別是強化玻璃片分離或分割成至少兩片的方法，所述至少兩片中的一個具有預定的形狀和/或尺寸。在玻璃內大于所述玻璃的強化表面層的深度的深度之處引發了一個缺陷，在大于所述強化表面層的深度并且位于所述強化表面層以外的缺口深度處形成了從所述缺陷延伸出來的缺口，以至少部分地分離所述玻璃。在一個實施方式中，通過以下的方式產生所述缺口用激光器處理玻璃，將玻璃加熱至以下的溫度范圍從比玻璃的應變點低大約50℃到玻璃的應變點和退火點之間的溫度。本發明還描述了一種玻璃制品，所述玻璃制品具有至少一個強化的表面以及至少一個邊緣，所述至少一個邊緣的平均邊緣強度至少為200MPa。
文檔編號C03B33/09GK102356050SQ201080013560
公開日2012年2月15日 申請日期2010年2月11日 優先權日2009年2月19日
發明者A·A·阿布拉莫夫, S·戈麥斯, S·楚達 申請人:康寧股份有限公司