離子交換玻璃以及所得的制品的制作方法
【專利說明】離子交換玻璃以及所得的制品
[0001] 相關申請
[0002] 本申請要求2013年6月25日提交的美國申請13/926461以及2012年9月26日提交的 美國申請13/626，958的優先權，其全文通過引用結合入本文。 技術背景 發明領域
[0003] 本文所揭示的實施方式涉及用于生產離子交換玻璃(特別是此類玻璃，其具有如 下特性：中等壓縮應力、高的壓縮層深度和/或所需的中心張力）的方法。
[0004] 相關討論
[0005] 玻璃層疊體可用作建筑和車輛或運輸應用（包括汽車、機車、火車和飛機）中的窗 和玻璃窗。玻璃層疊體還可用作欄桿和階梯中的玻璃面板，作為用于墻壁、柱子、電梯橋廂、 廚房應用和其它應用的裝飾性面板或蓋板。如本文所使用，窗格玻璃或層疊玻璃結構是窗 戶、面板、墻壁、箱體、信息板(sign)或其他結構的透明、半透明、半透明的或者不透明部件。 用于建筑和/或汽車應用的常見類型的玻璃窗包括透明和有色的層疊玻璃結構。
[0006] 常規汽車玻璃窗結構可由2塊2mm的鈉鈣玻璃以及聚乙烯醇縮丁醛(PVB)中間層構 成。這些層疊構造具有一定優勢，包括低成本和足以應用于汽車和其它應用的抗沖性。但 是，由于它們有限的抗沖擊性和較高的重量，這些層疊體通常展現出差的性能特性，包括當 受到路邊碎片撞擊、故意破壞或者其他沖擊事件時較高的破裂可能性以及對于相應車輛較 低的燃料效率。
[0007] 在強度是至關重要的應用中（例如，上文所述的汽車應用），可以通過數種方法來 增強常規玻璃的強度，包括涂層、熱回火和化學強化(離子交換）。熱回火通常用于厚的整體 式玻璃片，并且其優勢在于產生貫穿玻璃表面的厚的壓縮層，通常是玻璃總厚度的20-25 %。但是，不利的是，壓縮應力的大小較低，通常小于IOOMPa。此外，對于較薄的玻璃(例如 小于約2mm的情況下），熱回火變得愈加無效。
[0008] 相反地，離子交換（IX)技術可以在經處理的玻璃中產生高水平的壓縮應力，在表 面處高至約lOOOMPa，并且適用于非常薄的玻璃。但是，不利的是，離子交換受限于較淺的壓 縮層，通常約為數十微米等。高的壓縮應力可產生非常高的鈍物沖擊抗性，這可能無法通過 汽車應用的特定安全標準，例如ECE(UN歐洲經濟委員會)的R43頭型沖擊測試，在該測試中， 要求玻璃在某一沖擊負荷下破裂以防止受傷。常規研究和發展工作聚焦于以車輛層疊體的 抗沖擊性為代價的受控或優先破裂。
[0009] 雖然常規單步驟離子交換工藝可采用長的離子交換步驟來實現較高的壓縮層深 度(DOL)，但是該長度的持續時間還導致中心張力(CT)上升超過選定的玻璃脆度限值，導致 不合乎希望的玻璃脆性。舉例來說，最近的實驗發現，當在純KNO 3中進行長的單步驟離子交 換工藝(475°C，8小時），4英寸x4英寸x0 · 7mm的Coming?GoriIlaGlass?片在破裂之后，展 現出不合乎希望的破碎(高能破碎成大量小片）。事實上，雖然實現了約為10 Iym的DOL，但是 導致65MPa的較高CT，這高于所需的主體玻璃片的脆度限值(48MPa)。
[0010] 此外，最近發現，安裝好的汽車玻璃窗（其采用離子交換玻璃)可能建立起深至約 75μπι的外部劃痕，這是由于暴露于環境研磨材料，例如石英砂、飛濺的碎片等，所導致的。該 深度會超過壓縮層的典型深度(例如，數十微米），這會導致玻璃不合乎希望的碎裂。
[0011] 鑒于上文所述，需要新的方法和設備來解決某些玻璃應用的問題，在這些玻璃應 用中，中等壓縮應力、高的壓縮層深度和/或合乎希望的中心張力是重要考量。
【發明內容】
[0012] 根據本文的一個或多個實施方式，方法和設備為薄的玻璃制品提供了來自離子交 換技術的表面壓縮層，其實現了耐劃痕性和抗沖擊性。玻璃制品展現出較高的壓縮層深度 (DOL)，使得其對于環境破壞具有抗性。值得注意的是，玻璃表面處的壓縮應力(CS)低于常 規離子交換玻璃，這使得玻璃能夠通過汽車沖擊安全標準(例如，ECE R43頭型沖擊測試）， 并且因而適用于汽車玻璃窗應用。
[0013] 舉例來說，一個或多個實施方式可涉及用于獲得具有中等CS和高DOL的薄玻璃的 離子交換工藝，其包括:（i)離子交換步驟;以及(i i)退火步驟。
[0014] 根據一個或多個實施方式，方法和設備通過進行如下一個或多個動作來提供產品 和/或生產產品，包括:在一個或多個第一溫度下，將玻璃片浸沒在熔鹽浴中持續第一時間 段，來進行離子交換過程，使得玻璃片內靠近其表面的離子被來自熔鹽浴的較大離子交換， 從而：（i)在玻璃片的表面處產生初始壓縮應力（iCS)，（ ii)在玻璃片中產生初始壓縮層深 度(iDOL)，以及(iii)在玻璃片內產生初始中心張力（iCT)。所述動作還可包括:在離子交換 過程已經完成之后，通過將玻璃片提升到一個或多個第二溫度，持續第二時間段，來對玻璃 片進行退火，使得對初始壓縮應力（iCS)、初始壓縮層深度（iDOL)和初始中心張力（iCT)中 的至少一個進行改性。
[0015] 所述動作還可在離子交換過程中，提供如下至少一種情況：（i)熔鹽浴包括KNO3， (ii)所述一個或多個第一溫度約為370-500°C，以及（iii)所述第一時間段約為4-24小時， 例如約8小時。
[0016] 所述動作還可在退火過程中，提供如下至少一種情況：（i)在空氣環境中進行退火 過程，（ii)所述一個或多個第二溫度約為400-550°C，以及（iii)所述第二時間段約為0.5-24小時，例如約8小時。
[0017] 所述動作還可提供如下性質:在離子交換過程之后，初始壓縮應力（iCS)超過預定 值，以及在退火過程之后，初始壓縮應力（iCS)降低至最終壓縮應力(fCS)，其低于或等于該 預定值。
[0018] 所述動作還可提供如下性質：在離子交換過程之后，初始壓縮層深度（iDOL)低于 預定值，以及在退火過程之后，初始壓縮層深度（iDOL)增加至最終壓縮層深度(fDOL)，其高 于或等于該預定值。
[0019] 所述作用還可提供如下性質:在離子交換過程之后，初始中心張力（iCT)超過預定 值，以及在退火過程之后，初始中心張力（iCT)降低至最終中心張力(fCT)，其低于或等于該 預定值。
[0020] 所述動作還可提供如下性質:初始壓縮應力（iCS)大于或等于約500MPa，以及最終 壓縮應力(fCS)小于或等于約400MPa，例如小于約350MPa或者小于約300MPa。
[0021] 所述動作還可提供如下性質：初始壓縮層深度（iDOL)小于或等于約75μπι(通常約 為40μπι)，以及最終壓縮層深度(fDOL)大于或等于約90μπι或者大于或等于約80μπι。
[0022] 所述動作還可提供如下性質：初始中心張力（iCT)大于或等于玻璃片選定的所需 脆度限值，以及最終中心張力(fCT)低于玻璃片選定的脆度限值。
[0023] 舉例來說，采用本文所述的一個或多個實施方式生產的設備可包括如下玻璃片， 其具有：（i)經過離子交換的玻璃片的表面處的壓縮應力（CS)，其小于或等于約400MPa、或 者小于約350MPa或者小于約300MPa，（ i i)進入玻璃片內的壓縮層深度(DOL)，其大于或等于 約80μπι或者大于或等于約90μπι，以及（iii)玻璃片內的中心張力(CT)，其低于選定的玻璃片 脆度限值。
[0024] 示例性實施方式提供了輕量化玻璃層疊體，其具有至少一片化學強化玻璃，例如 GoHlla_?玻璃，其可以設計并制造成使得兩片具有合適的表面壓縮應力水平，以確保其在 ECE R43頭型測試中評價時的破裂。額外的實施方式可以包括兩片0.7mm厚的化學強化玻 璃，其表面殘留CS約為250-350MPa(優選約為300MPa)并且DOL至少為60微米。然后可以通過 中間層材料(例如但不限于〇.8_厚的聚乙烯醇縮丁醛或者其他聚合物中間層材料)將這兩 片玻璃片結合在一起。
[0025] 另一個實施方式提供如下層疊結構，其具有第一玻璃層、第二玻璃層以及位于第 一玻璃層和第二玻璃層之間的至少一層聚合物中間層。第一玻璃層可以包括薄的化學強化 玻璃，其具有約為250-350MPa的表面壓縮應力以及大于約60μπι的壓縮應力層深度(D0L)。
[0026] 另一個實施方式提供如下層疊結構，其具有第一玻璃層、第二玻璃層以及位于第 一玻璃層和第二玻璃層之間的至少一層聚合物中間層。第一玻璃層可以包括薄的化學強化 玻璃，其具有約為250-350MPa的表面壓縮應力以及大于約60μπι的壓縮應力層深度(D0L)，以 及第二玻璃層可以包括薄的化學強化玻璃，其具有約為250-350MPa的表面壓縮應力以及大 于約60μηι的壓縮應力層深度。
[0027] 本領域技術人員在結合附圖閱讀本文所述之后，將清楚地了解本文所揭示和討論 的實施方式的其他方面、特征和優點。
【附圖說明】
[0028] 出于示意性目的，在附圖中示出優選形式，但是，應理解，本文所揭示和所討論的 實施方式不限于所示的精確配置和手段。
[0029] 圖1的流程圖顯示可