使用非等溫的溫度分布制造玻璃制品的方法
【專利說明】使用非等溫的溫度分布制造玻璃制品的方法
[0001]相關申請交叉參考
[0002]本申請根據35U.S.C.§119要求2013年08月15日提交的美國臨時申請系列第61/866，162號的優先權，本文以該申請的內容為基礎并通過參考將其完整地結合于此。
[0003]領域
[0004]本發明總體涉及用于成形玻璃制品的模具，具體來說，涉及具有三維形狀的用于玻璃制品的單側面模具和使用該模具來成形玻璃制品的方法。
[0005]背景
[0006]玻璃制品可包括作為各種消費者產品中的蓋板玻璃，包括例如手機和平板的消費者裝置上的互動顯示器。隨著玻璃制品更加廣泛地應用于各種消費者設備，玻璃制品的幾何復雜性也增加，因為制造商推動就美學和功能而言的設計范圍。例如，某些產品可要求將玻璃制品形成為復雜的形狀，例如繞著裝置的邊緣翹曲的彎曲的部分，由此需要額外的形成操作來獲得所需的幾何形貌。然而，某些產品的設計要求可規定較窄的偏離目標形狀的誤差。
[0007]因此，可需要用于形成玻璃制品的替代的模具和方法。
[0008]概述
[0009]根據一種實施方式，制造具有三維形狀的玻璃制品的方法包含將玻璃制品坯料加熱到凝固溫度以上的溫度，并將玻璃制品還料偶合到開口模具(open-f aced mo I d)。開口模具包含模塑區域，該模塑區域具有總體對應于玻璃制品的形狀的三維形狀并在模塑區域之內具有非等溫的溫度分布。該方法還包含沿著玻璃制品坯料保持非等溫的溫度分布，并在玻璃制品坯料偶合到開口模具的模塑區域的同時冷卻玻璃制品坯料，以凝固(set)玻璃制品的形狀。
[0010]在另一種實施方式中，用于形成玻璃制品的模塑設備包含開口模具，該開口模具包含模塑區域。該模塑區域具有接觸面，接觸面的三維形狀總體對應于玻璃制品的形狀。將多個排氣孔設置在開口模具的模塑區域之內，并延伸穿過接觸面。排氣孔與真空栗流體連通。在開口模具中設置至少一個冷卻通道，其包含設置靠近模塑區域并與開口模具的多個排氣孔和接觸面流體隔離的部分。該冷卻通道在玻璃制品中產生非等溫的溫度分布。
[0011]又在另一種實施方式中，制造具有三維形狀的玻璃制品的方法包含將玻璃制品坯料加熱到凝固溫度以上的溫度，并將玻璃制品坯料偶合到開口模具。開口模具的三維形狀不同于玻璃制品的目標形狀。此外，開口模具在模塑區域之內具有非等溫的溫度分布。該方法還包含沿著玻璃制品坯料保持非等溫的溫度分布，并在玻璃制品坯料偶合到開口模具的模塑區域的同時將玻璃制品坯料冷卻到低于粘性溫度的溫度，以凝固玻璃制品的形狀，并從開口模具釋放玻璃制品。
[0012]在以下的詳細描述中給出了本實施方式的其他特征和優點，其中的部分特征和優點對本領域的技術人員而言，根據所作描述就容易看出，或者通過實施包括以下詳細描述、權利要求書以及附圖在內的本文所述的本發明而被認識。
[0013]應理解，前面的一般性描述和以下的詳細描述介紹了各種實施方式，用來提供理解要求保護的主題的性質和特性的總體評述或框架。包括的附圖提供了對各種實施方式的進一步的理解，附圖被結合在本說明書中并構成說明書的一部分。附圖以圖示形式說明了本文所述的各種實施方式，并與說明書一起用來解釋要求保護的主題的原理和操作。
[0014]附圖簡要說明
[0015]圖1A示意性地顯示根據本文所示或所述的一種或多種實施方式的具有2個彎曲的側面的玻璃制品的俯視透視圖；
[0016]圖1B示意性地顯示根據本文所示或所述的一種或多種實施方式的具有4個彎曲的側面的玻璃制品的俯視透視圖；
[0017]圖1C示意性地顯示根據本文所示或所述的一種或多種實施方式的圖1的玻璃制品的沿著線A-A所示的俯視橫截面視圖；
[0018]圖2示意性地顯示根據本文所示或所述的一種或多種實施方式的玻璃的松弛與其溫度和冷卻速率的關系；
[0019]圖3示意性地顯示根據本文所示或所述的一種或多種實施方式的模具和玻璃制品的正面透視圖；
[0020]圖4示意性地顯示根據本文所示或所述的一種或多種實施方式的由面內溫度梯度導致的面外位移的建模結果；
[0021]圖5示意性地顯示根據本文所示或所述的一種或多種實施方式的由在厚度之間(through-thickness)的溫度梯度導致的面外位移的建模結果;和
[0022]圖6示意性地顯示根據本文所示或所述的一種或多種實施方式的具有離子交換表面層的玻璃制品的俯視橫截面視圖。
[0023]詳細描述
[0024]下面詳細參考各種實施方式，這些實施方式的例子在附圖中示出。只要有可能，在所有附圖中使用相同的附圖標記來表示相同或類似的部分。圖3示意性地顯示用于與本文所述的模塑方法聯用的模具的實施方式。在一種實施方式中，制造具有三維形狀的玻璃制品的方法可通常包含將玻璃制品坯料加熱到大于凝固溫度的溫度，并將玻璃制品坯料偶合到開口模具。開口模具包含模塑區域，該模塑區域具有總體對應于玻璃制品的形狀的三維形狀并在模塑區域之內具有非等溫的溫度分布。該方法還包含在玻璃制品坯料偶合到開口模具的模塑區域的同時冷卻玻璃制品坯料，以凝固玻璃制品的形狀。參考附圖，將更加詳細地描述制造具有三維形狀的玻璃制品的方法以及其中所用的模具的各種實施方式。
[0025]現在參考1A-1C，顯示根據本發明制造的玻璃制品。可將玻璃制品結合進入消費者產品例如智能手機或平板電腦。可利用各種技術來形成玻璃制品100，從而玻璃制品具有三維形狀。如本文所使用，術語“三維形狀”指玻璃制品總體上具有至少部分地從平坦的偏離的形狀。例如但不限于，玻璃制品100可具有多種三維形狀中的一種，例如如圖1A所示的雪橇形狀，其中邊緣1 2a，1 2b彎曲遠離中央部分，或者如圖1B所示的碟形狀，其中邊緣104a，104b ,104c, 104d彎曲遠離中央部分。在各種實施方式中，玻璃制品100還可具有基本上平坦的區域106，如圖1C中示意性地顯示的玻璃制品100的橫截面視圖所示。利用本文所述的形成技術可提供具有基本上平坦的區域的玻璃制品，該平坦的區域呈現較低的與平面構造的偏差，例如越過玻璃制品100的中央部分偏差小于或等于約200μπι的量。
[0026]玻璃制品100的強度和機械可靠性隨它的表面缺陷或瑕疵尺寸密度分布以及材料遭受的隨著時間累積的應力暴露而變化。例如，圖1A或圖1B中的玻璃制品100在制造過程中可遭受各種熱應力和機械應力，例如通過形成、模塑和拋光造成。具體來說，玻璃制品100可在靠近模具的模塑區域的高輪廓化(high contoured)部分的位置(例如，在靠近彎曲的邊緣102a和102b的點處)呈現高應力場，并在靠近模具的輪廓化更低的模具的模塑區域呈現低應力場(例如，在靠近圖1C所示的基本上平坦的區域106的點處)。在一些實施方式中，玻璃制品100在強化過程例如在離子交換加工中進一步遭受應力。
[0027]在一實施例中，玻璃制品100遭受由玻璃中面內和在厚度之間的熱梯度造成的應力。這種熱梯度可來自在將玻璃制品坯料101形成為玻璃制品100時玻璃制品坯料101 (示于圖3)所經歷的不同的加熱和冷卻速率。例如，可從用來形成玻璃制品100的模具300(示于圖
3)、模具的中央和模具的邊緣的不同加熱和冷卻速率、玻璃制品坯料101和模具300之間的不同的接觸情況等將這些熱梯度賦予玻璃制品坯料101。這些熱梯度可為玻璃制品100誘導內部應力和/或導致玻璃制品100的不利的變形或翹曲。然而，可利用熱梯度來在玻璃制品100中賦予受控的變形或翹曲。例如，在各種實施方式中，熱梯度可使玻璃制品坯料101翹曲成所需的三維形狀。當在特定的溫度范圍中將這些熱梯度引入到玻璃制品坯料1I時，在使玻璃制品100冷卻之后該玻璃制品100可在有翹曲的情況下凝固。由此，該翹曲改變玻璃制品100的三維形狀。或者，可利用熱梯度來在玻璃制品中賦予超過設計公差的受控的變形或翅曲，從而補償由下游制造工藝造成的玻璃制品100的后續的翅曲。
[0028]圖2的圖表顯示根據本文所述的一種或多種實施方式的玻璃組合物的松弛隨冷卻速率的變化。在該圖表中，X軸表示冷卻速率(單位是°C(C)/秒(s))，而y軸表示凝固區溫度(單位是。C (C))。應理解圖片上所示的數值本質上只是說明性的，并可隨玻璃組合物而變化。該圖表顯示粘性區202，粘彈區或凝固區204，和彈性區206。如圖2所示，粘性區202指其中玻璃中的大于約95 %應力已經松弛的狀態。粘彈區或凝固區204指其中玻璃中約90 %壓縮應力到約10%的壓縮應力已經松弛的狀態。彈性區206指其中玻璃中小于約5%壓縮應力已經松弛的狀態。在一些實施方式中，所述粘度區之間的邊界可取決于特定實施方式而變化。例如，粘性區到粘彈區之間的轉變可發生在約90%-約95%的松弛，粘彈區和彈性區之間的轉變可發生在約5 % -約10 %松弛。
[0029]當將玻璃制品坯料101形成為玻璃制品時，將玻璃制品坯料101加熱到玻璃制品坯料101不再處于彈性區206的溫度。在各種實施方式中，將玻璃制品坯料101加熱到大于凝固溫度的溫度。對于給定的冷卻速率，凝固溫度是可在玻璃中形成應力的溫度。可取決于各種因素，來選擇將玻璃制品坯料1I所加熱到的溫度。在一些實施方式中，當將玻璃制品坯料101加熱到大于凝固溫度的溫度時，玻璃制品坯料101進入粘性區202或粘彈區204。加熱之后，將玻璃制品坯料101引入到模具300進行成形。
[0030]圖3顯示根據本文所述的