离子交换玻璃以及所得的制品的制作方法
【专利说明】离子交换玻璃以及所得的制品
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2013年6月25日提交的美国申请13/926461以及2012年9月26日提交的 美国申请13/626，958的优先权，其全文通过引用结合入本文。 技术背景 发明领域
[0003] 本文所揭示的实施方式涉及用于生产离子交换玻璃(特别是此类玻璃，其具有如 下特性：中等压缩应力、高的压缩层深度和/或所需的中心张力）的方法。
[0004] 相关讨论
[0005] 玻璃层叠体可用作建筑和车辆或运输应用（包括汽车、机车、火车和飞机）中的窗 和玻璃窗。玻璃层叠体还可用作栏杆和阶梯中的玻璃面板，作为用于墙壁、柱子、电梯桥厢、 厨房应用和其它应用的装饰性面板或盖板。如本文所使用，窗格玻璃或层叠玻璃结构是窗 户、面板、墙壁、箱体、信息板(sign)或其他结构的透明、半透明、半透明的或者不透明部件。 用于建筑和/或汽车应用的常见类型的玻璃窗包括透明和有色的层叠玻璃结构。
[0006] 常规汽车玻璃窗结构可由2块2mm的钠钙玻璃以及聚乙烯醇缩丁醛(PVB)中间层构 成。这些层叠构造具有一定优势，包括低成本和足以应用于汽车和其它应用的抗冲性。但 是，由于它们有限的抗冲击性和较高的重量，这些层叠体通常展现出差的性能特性，包括当 受到路边碎片撞击、故意破坏或者其他冲击事件时较高的破裂可能性以及对于相应车辆较 低的燃料效率。
[0007] 在强度是至关重要的应用中（例如，上文所述的汽车应用），可以通过数种方法来 增强常规玻璃的强度，包括涂层、热回火和化学强化(离子交换）。热回火通常用于厚的整体 式玻璃片，并且其优势在于产生贯穿玻璃表面的厚的压缩层，通常是玻璃总厚度的20-25 %。但是，不利的是，压缩应力的大小较低，通常小于IOOMPa。此外，对于较薄的玻璃(例如 小于约2mm的情况下），热回火变得愈加无效。
[0008] 相反地，离子交换（IX)技术可以在经处理的玻璃中产生高水平的压缩应力，在表 面处高至约lOOOMPa，并且适用于非常薄的玻璃。但是，不利的是，离子交换受限于较浅的压 缩层，通常约为数十微米等。高的压缩应力可产生非常高的钝物冲击抗性，这可能无法通过 汽车应用的特定安全标准，例如ECE(UN欧洲经济委员会)的R43头型冲击测试，在该测试中， 要求玻璃在某一冲击负荷下破裂以防止受伤。常规研究和发展工作聚焦于以车辆层叠体的 抗冲击性为代价的受控或优先破裂。
[0009] 虽然常规单步骤离子交换工艺可采用长的离子交换步骤来实现较高的压缩层深 度(DOL)，但是该长度的持续时间还导致中心张力(CT)上升超过选定的玻璃脆度限值，导致 不合乎希望的玻璃脆性。举例来说，最近的实验发现，当在纯KNO 3中进行长的单步骤离子交 换工艺(475°C，8小时），4英寸x4英寸x0 · 7mm的Coming?GoriIlaGlass?片在破裂之后，展 现出不合乎希望的破碎(高能破碎成大量小片）。事实上，虽然实现了约为10 Iym的DOL，但是 导致65MPa的较高CT，这高于所需的主体玻璃片的脆度限值(48MPa)。
[0010] 此外，最近发现，安装好的汽车玻璃窗（其采用离子交换玻璃)可能建立起深至约 75μπι的外部划痕，这是由于暴露于环境研磨材料，例如石英砂、飞溅的碎片等，所导致的。该 深度会超过压缩层的典型深度(例如，数十微米），这会导致玻璃不合乎希望的碎裂。
[0011] 鉴于上文所述，需要新的方法和设备来解决某些玻璃应用的问题，在这些玻璃应 用中，中等压缩应力、高的压缩层深度和/或合乎希望的中心张力是重要考量。
【发明内容】
[0012] 根据本文的一个或多个实施方式，方法和设备为薄的玻璃制品提供了来自离子交 换技术的表面压缩层，其实现了耐划痕性和抗冲击性。玻璃制品展现出较高的压缩层深度 (DOL)，使得其对于环境破坏具有抗性。值得注意的是，玻璃表面处的压缩应力(CS)低于常 规离子交换玻璃，这使得玻璃能够通过汽车冲击安全标准(例如，ECE R43头型冲击测试）， 并且因而适用于汽车玻璃窗应用。
[0013] 举例来说，一个或多个实施方式可涉及用于获得具有中等CS和高DOL的薄玻璃的 离子交换工艺，其包括:（i)离子交换步骤;以及(i i)退火步骤。
[0014] 根据一个或多个实施方式，方法和设备通过进行如下一个或多个动作来提供产品 和/或生产产品，包括:在一个或多个第一温度下，将玻璃片浸没在熔盐浴中持续第一时间 段，来进行离子交换过程，使得玻璃片内靠近其表面的离子被来自熔盐浴的较大离子交换， 从而：（i)在玻璃片的表面处产生初始压缩应力（iCS)，（ ii)在玻璃片中产生初始压缩层深 度(iDOL)，以及(iii)在玻璃片内产生初始中心张力（iCT)。所述动作还可包括:在离子交换 过程已经完成之后，通过将玻璃片提升到一个或多个第二温度，持续第二时间段，来对玻璃 片进行退火，使得对初始压缩应力（iCS)、初始压缩层深度（iDOL)和初始中心张力（iCT)中 的至少一个进行改性。
[0015] 所述动作还可在离子交换过程中，提供如下至少一种情况：（i)熔盐浴包括KNO3， (ii)所述一个或多个第一温度约为370-500°C，以及（iii)所述第一时间段约为4-24小时， 例如约8小时。
[0016] 所述动作还可在退火过程中，提供如下至少一种情况：（i)在空气环境中进行退火 过程，（ii)所述一个或多个第二温度约为400-550°C，以及（iii)所述第二时间段约为0.5-24小时，例如约8小时。
[0017] 所述动作还可提供如下性质:在离子交换过程之后，初始压缩应力（iCS)超过预定 值，以及在退火过程之后，初始压缩应力（iCS)降低至最终压缩应力(fCS)，其低于或等于该 预定值。
[0018] 所述动作还可提供如下性质：在离子交换过程之后，初始压缩层深度（iDOL)低于 预定值，以及在退火过程之后，初始压缩层深度（iDOL)增加至最终压缩层深度(fDOL)，其高 于或等于该预定值。
[0019] 所述作用还可提供如下性质:在离子交换过程之后，初始中心张力（iCT)超过预定 值，以及在退火过程之后，初始中心张力（iCT)降低至最终中心张力(fCT)，其低于或等于该 预定值。
[0020] 所述动作还可提供如下性质:初始压缩应力（iCS)大于或等于约500MPa，以及最终 压缩应力(fCS)小于或等于约400MPa，例如小于约350MPa或者小于约300MPa。
[0021] 所述动作还可提供如下性质：初始压缩层深度（iDOL)小于或等于约75μπι(通常约 为40μπι)，以及最终压缩层深度(fDOL)大于或等于约90μπι或者大于或等于约80μπι。
[0022] 所述动作还可提供如下性质：初始中心张力（iCT)大于或等于玻璃片选定的所需 脆度限值，以及最终中心张力(fCT)低于玻璃片选定的脆度限值。
[0023] 举例来说，采用本文所述的一个或多个实施方式生产的设备可包括如下玻璃片， 其具有：（i)经过离子交换的玻璃片的表面处的压缩应力（CS)，其小于或等于约400MPa、或 者小于约350MPa或者小于约300MPa，（ i i)进入玻璃片内的压缩层深度(DOL)，其大于或等于 约80μπι或者大于或等于约90μπι，以及（iii)玻璃片内的中心张力(CT)，其低于选定的玻璃片 脆度限值。
[0024] 示例性实施方式提供了轻量化玻璃层叠体，其具有至少一片化学强化玻璃，例如 GoHlla_?玻璃，其可以设计并制造成使得两片具有合适的表面压缩应力水平，以确保其在 ECE R43头型测试中评价时的破裂。额外的实施方式可以包括两片0.7mm厚的化学强化玻 璃，其表面残留CS约为250-350MPa(优选约为300MPa)并且DOL至少为60微米。然后可以通过 中间层材料(例如但不限于〇.8_厚的聚乙烯醇缩丁醛或者其他聚合物中间层材料)将这两 片玻璃片结合在一起。
[0025] 另一个实施方式提供如下层叠结构，其具有第一玻璃层、第二玻璃层以及位于第 一玻璃层和第二玻璃层之间的至少一层聚合物中间层。第一玻璃层可以包括薄的化学强化 玻璃，其具有约为250-350MPa的表面压缩应力以及大于约60μπι的压缩应力层深度(D0L)。
[0026] 另一个实施方式提供如下层叠结构，其具有第一玻璃层、第二玻璃层以及位于第 一玻璃层和第二玻璃层之间的至少一层聚合物中间层。第一玻璃层可以包括薄的化学强化 玻璃，其具有约为250-350MPa的表面压缩应力以及大于约60μπι的压缩应力层深度(D0L)，以 及第二玻璃层可以包括薄的化学强化玻璃，其具有约为250-350MPa的表面压缩应力以及大 于约60μηι的压缩应力层深度。
[0027] 本领域技术人员在结合附图阅读本文所述之后，将清楚地了解本文所揭示和讨论 的实施方式的其他方面、特征和优点。
【附图说明】
[0028] 出于示意性目的，在附图中示出优选形式，但是，应理解，本文所揭示和所讨论的 实施方式不限于所示的精确配置和手段。
[0029] 图1的流程图显示可