用于测定脆性-断裂材料薄片的边缘的断裂强度的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测定由脆性-断裂材料构成的薄、平坦样品、特别是薄玻璃片在拉伸 应力σ的断裂强度。
【背景技术】
[0002] 已知这种样品在放置于应力负荷下时可能产生两种彼此无关的断裂类型：源自样 品表面内部的断裂以及从样品边缘开始生长的断裂。本发明涉及后一种类型的断裂，即，源 自样品边缘的断裂。
[0003] 不管是为了表征和优化边缘的特性，还是为了确保有保障的断裂强度，优选地都 需要检查样品的边缘是否能够承受住特定的拉伸应力σ。另外，优选测定这种样品的应力 〇b，在该应力（断裂应力）下样品从边缘开始断裂。
[0004] 为了测定薄玻璃样品的断裂应力，已知一种例如由S. Τ. Gulati的"Two Point Bending of Thin Glass Substrate'，，SID Symposion. Techn. Papers 第 42 卷 652-654 页 (2011)所提出的两点弯曲法。在此，薄玻璃样品被夹在两个支承板之间，并通过这两个支承 板的聚拢而弯曲（参见图1)。
[0005] 该方法具有许多缺陷。在这种弯曲类型中会沿着样品产生不均匀的张紧状态，其 中，沿着边缘在样品的中间具有最高的应力，并且该应力随着相对于中心的距离的增大而 下降。因此该方法不适合用于表征特定应力下样品边缘的扩张区段。通过对以该方法在较 大区段上所获得的局部断裂应力测量值的总结表明只是具有有限的可靠性。此外，具有不 均匀厚度的样品在该方法中会产生难以解决的问题。另外，由于必须要夹紧，因此会对样品 的几何形状提出要求，这些要求在许多情况下需要高成本地准备样品。该方法的实施还需 要不低的设备和人员费用。
【发明内容】
[0006] 因此，本发明的目的在于减少现有技术的缺陷。特别是应当能够简单、可靠地检测 在机械拉伸应力σ下的样品边缘的断裂强度。
[0007] 本发明的目的通过独立权利要求的特征来实现。本发明的优选的实施方式和扩展 方案在从属权利要求中给出。
[0008] 本发明基于这样的认识：在弯曲样品时，位于弯曲外侧上的样品材料将承受拉伸 应力σ。
[0009] 借助根据本发明的方法待表征的样品包括第一侧面和与第一侧面相对置的第二 侧面以及至少一个边缘。该待检测的边缘形成第一侧面到第二侧面的过渡部。该边缘例如 可以形成为有棱角的或者倒圆形的（abgerundet)，或者包括镶边。样品在该边缘上具有厚 度t。
[0010] 特别是有意识地检测由玻璃构成的样品，优选该样品具有最大1毫米的厚度，最 优选为最大300微米。
[0011] 样品的待检测的边缘根据本发明首先在第一侧面的区域内测量其断裂强度。
[0012] 相应地，本发明包括一种用于测定由脆性-断裂材料构成的平坦样品、特别是玻 璃片的断裂强度的方法，其中，该样品具有第一侧面和第二侧面以及至少一个边缘，并且第 一侧面与第二侧面相对置，该方法针对在机械拉伸应力σ下断裂从样品的待检测边缘开 始，其中，
[0013] -在位于样品的一个区段中的待检测边缘上的第一侧面沿着待检测边缘承受拉伸 应力σ，对此
[0014] -在该待检测的区段内弯曲样品，从而使该样品沿着待检测的边缘获得弯曲，对此
[0015] -在待检测的区段内将样品以限定的曲率压在形状稳定的型板的型板表面上，从 而
[0016] -使待检测的区段被强加有型板表面的曲率，其中，
[0017] -使用具有第一弯曲半径R的型板表面，并且在对应于该弯曲半径R的机械拉伸应 力σ下检测样品的断裂强度，并且
[0018] -以连续减小的弯曲半径R以及随之增高的拉伸应力σ重复该检测，直至样品断 裂，并且
[0019] -评定出样品在多大的拉伸应力σ或者在多大的弯曲半径下断裂。
[0020] 优选还要确定样品是否从待检测的边缘开始断裂。
[0021] 根据本发明的方法具有多种优势。与前述的已知方法不同的是，沿着边缘以弯曲 半径R弯曲的边缘区域的位置不是通过样品的几何结构或对样品的制备而预先设定的，而 是可以通过型板在待检测的区段上的布置来自由地选择。该方法对于样品的制备只提出很 低的要求。基本上只需要在待检测的区段中借助型板弯曲边缘。与已知方法不同的是，其 他不需要检测的边缘的几何形状对于该测量没有重要的影响。此外，该测量相对于这些设 备和人员来说比较简单并且不容易出错。另外，也可以检测具有不均匀厚度t的样品。在 远离待检测边缘处的厚度变化通常对该方法没有影响。如果厚度t沿着边缘变化，则拉伸 应力σ的局部值发生变化，该拉伸应力的局部值由样品边缘的各个区段承受；该拉伸应力 的局部值必要时可以通过分析边缘的相应局部厚度来修复。
[0022] 优选样品为外部不受力状态下的平面结构，该结构在根据本发明的弯曲情况下不 是塑性变形，因此该结构在测量之后可以恢复至其初始的几何形状（除非结构断裂）。
[0023] 样品优选以圆柱形弯曲，从而使得样品的圆弧形弯曲的区段呈现出至少一部分空 心圆柱体的形状，其中，在样品的圆柱形弯曲的区段中，样品的第一侧面成为空心圆柱体的 外部侧面，以及样品的第二侧面成为空心圆柱体的内部侧面，并且样品的待检测边缘沿着 空心圆柱体的底面延伸。在本发明的特别优选的扩展方案中，型板表面相应地以圆弧形弯 曲，从而使样品通过被压在型板表面上而被强加有具有弯曲半径R的圆弧形弯曲。
[0024] 但是该弯曲也可以不是圆弧形的，但尽管如此样品在被压在型板表面上时仍然承 受限定的拉伸应力。例如，型板表面可以被成型为抛物线形或椭圆形。在这种表面中，弯曲 半径不断地变化并且在顶点具有最小值。
[0025] 根据本发明的方法特别可以应用在薄玻璃样品上，该薄玻璃样品的厚度t例如 可由以下集合中选出：{10 H m、15 μ m、20 μ m、25 μ m、30 μ m、35 μ m、40 μ m、45 μ m、50 μ m、 55 μπι、65 μπι、70 μπι、75 μπι、85 μπι、100 μπι、110 μπι、120 μπι、145 μπι、160 μπι、180 μπι、 200 μπι、210μπι、250 μπι}。拉伸应力σ也可以处于其他的范围内，例如20MPa、40MPa、 80MPa、IOOMPa。
[0026] 根据本发明的方法的一个优选实施方式的特征在于，通过使样品沿着待检测的边 缘逐段地弯曲，并且通过使样品沿着待检测的边缘连续地或者逐步地相对于型板移动，使 得待检测边缘的扩张区段承受机械拉伸应力σ，从而使样品的待检测边缘的连续增大的区 段承受由型板表面的形状预先限定的弯曲。在此，型板表面特别是可以至少在一个区域中 具有均匀的圆弧形的横截面，并且样品的沿着待检测边缘扩张的区段以面接触方式压在该 圆弧形的型板区域中，从而使得该样品的被压的边缘区域强加有具有恒定弯曲半径R的扩 张的圆弧形弯曲。
[0027] 该实施方式允许在保持相同的或者直至特定应力σ下连续地检测样品边缘的扩 张区段。根据经验，这对于两点弯曲法是不可能的。只有在使用型板时才能够在边缘的任 意位置上弯曲，特别是根据此处的一种实施方式利用弯曲覆盖边缘。
[0028] 该实施方式能够对几乎任意长度的边缘进行检测。在边缘和型板之间的相对运动 可能造成边缘在型板上的滑动。但是这种滑动例如也可以通过在圆柱形的随动型板上的滚 动来避免。
[0029] 特别是样品在扩张的区域中能够被强加均匀的圆弧形的弯曲。这导致在该区域中 呈现均匀的张紧状态。
[0030] 另一个优选的实施方式的特征在于，至少在圆弧形弯曲的边缘区域中、在样品的 待检测区段中强加于样品的弯曲半径R位于下限值R miJP上限值RMax之间的范围内，因此
[0031] RMin< R < R Max，其中
[0032] RMin= E*V(2* σ * (Ι-f)，
[0033] Rfcx= E*V(2* σ * (1+f)，
[0034] 其中，E代表样品材料的弹性模量，〇代表预先限定的拉伸应力，f是0至I之间 的数值，特别是〇. 5,优选0. 25,最优选选0. 1。
[0035] 在该实施方式中，在样品的弯曲半径R和作用在其边缘上的拉伸应力〇之间建立 了联系。这使得能够通过选择相应的弯曲半径来调整期望的检测拉伸应力σ，或者反过来 通过期望的检测拉伸应力来选择相应的弯曲半径。这基于以下关系：在厚度为t的样品边 缘上的恰好的弯曲应力〇和弹性模量E近似地通过下述公式来表述：
[0036] σ = E*V(2*R)。
[0037] 在此，R是样品的中性平面中的样品弯曲半径。后者通常对应于位于样品侧面之 间的中心平面。根据本发明特别应当检测薄的样品，从而一般能够忽略中性平面的弯曲半 径R和侧面的弯曲半径之间的差别。
[0038] 此外优选地，一种根据本发明的方法的特征在于，
[0039] -型板表面
[0040]-形成为圆柱形或具有恒定半径&的圆柱扇形，从而型板表面具有圆弧形横截面， 其具有恒定的半径&，或者
[0041]-形成为圆锥形或圆锥扇形，从而使型板表面在至少一个位置上具有圆弧形横截 面，其具有恒定的半径Rp其中，
[0042] -该横截面为圆弧形的型板表面是凹形的，并且通过压力将样品的第一侧面的至 少一个区域沿径向以面接触方式压在该凹形的型板表面上，由此使样品在样品的待检测区 段中、在样品的待检测边缘上被强加有半径为R的圆弧形弯曲，从而使样品的第一侧面的 该压区域与凹形的型板表面以面接触方式接触，
[0043] 或者
[0044] -该横截面为圆弧形的型板表面是凸形的，并且通过压力将样品的第二侧面的至 少一个区域沿径向以面接触方式从外侧压在凸形的型板表面上，由此使样品在样品的待检 测区域中、在样品的待检测边缘上被强加有半径为R的圆弧形弯曲，从而使样品的第二侧 面的该压区域与凸形的型板表面以面接触方式接触。
[0045] 该实施方式是特别有利的，因为在此所配置的型板类型的使用特别简单并且是有 容许误差的。通过以面接触方式压在相应型板表面上，使样品实现了均匀的圆弧形的弯曲。 由此可以确保样品边缘上的每个点均承受预先限定的弯曲并因此承受预期的应力负荷。
[0046] 可以有意地为样品的中性面强加半径为R的弯曲。这可以通过使用具有曲率半径 &的凹形型板表面来精确地实现，该曲率半径连同样品的中性面的期望半径R对应于在样 品的压状态下连同该中性面与凹形的型板表面的间距。在使用凸形型板的情况下也是类似 如此，在这种情况下，型板的半径&相对于R减小了样品的中性面与凸形型板表面的间距。 因此，通常对于凹形型板表面来说，&= R+t/2,而在凸形型板表面情况下，L= R-t/2。因 此，上述两种情况都导致将中性面通常作为样品的中心面，但是相应地分别将一个侧面压 在型板表面上。然而在许多情况下可以忽略&和R之间的差异并有I= R。
[0047] 另一个实施方式的特征在于，通过将样品沿着待检测的边缘连续地或逐段地相对 于型板移动，使得样品在待检测的区段中在待检测的边缘上沿着待检测的边缘逐段地被强 加有弯曲半径为R的圆弧形的弯曲。
[0048] 该实施方式能够实现对几乎任意长度的边缘的检测。边缘和型板之间的相对移动 可能造成边缘在型板上的滑动。但是这种滑动例如也可以通过在圆柱形的随动型板上的滚 动来避免。
[0049] 根据本发明的另一种方法的特征在于，型板的型板表面是凸形的，并且
[0050] -样品的第二侧面通过压力而压在凸形的型板表面上，并且
[0051] -压力通过可弯曲的带传递到样品的第一侧面或样品的第二侧面上，其中，该可弯 曲的带优选平行于样品的待检测的边缘延伸，并且优选与待检测的边缘间隔开以及优选粘 附在样品的第一侧面或第二侧面上，并且优选突出样品，优选该可弯曲的带被构造为柔性 的（f Iexibel)，并且优选该可弯曲的带被构造为自粘附的。
[0052] 该可弯曲的带使得样品能够可靠地压在型板上。该优选的实施方式极大地简化了 对样品的维护。
[0053] 本发明的另一个实施方式的特征在于，型板表面是凸形的，并且包括以下步骤：
[0054] a)将可弯曲的带粘附在样品的第一侧面上或者粘附在样品的第二侧面上，并平行 于待检测的边缘且与样品的待检测边缘间隔开，其中，优选将该可弯曲的带构造为自粘附 的，并且优选该可弯曲的带为柔性的，
[0055] b)将样品放置在凸形的型板表面上，从而使样品的第二侧面接触凸形的型板表 面，
[0056] c)特别是借助该可弯曲的带调整作用在样品上的力平衡，从而使样品在待检测的 区段中通过凸形的型板表面弯曲，并且将样品的第二侧面以面接触方式压在凸形的型板表 面上，由此使得样品的第二侧面在待检测的边缘上至少暂时地承受具有型板表面的弯曲半 径&的圆弧形的弯曲，以及优选
[0057] d)将样品沿着待检测的边缘相对于型板移动，从而使样品的暴露于型板表面的弯 曲半径&的区段沿着待检测的边缘增大，并且样品的边缘的检测区段沿着待检测的边缘扩 张。
[0058] 该实施方式具有这样的优点：当样品断裂时，粘附的可弯曲带能够将碎片保持在 一起。这对于可能的进一步分析断裂样品来说是有意义的。此外，这在可能手动实施该方 法的情况下提高了操作的安全性。可弯曲的带在这种情况下也可以用作样品的一种"把 手"，操作者在这些带上抓住样品，并在必要时通过施加拉力使样品在型板上弯曲。然而 在个别情况下也可