一种蓝宝石热复合方法
【专利摘要】本发明涉及一种蓝宝石热复合方法，目的在防止裂纹产生和扩张，提高蓝宝石的强度。方法是将两层或两层以上不同晶面或相同晶面但侧面晶轴方向不同的蓝宝石片材热复合，目的是让上下两层或两层以上结理面方向交错，互相增强。避免当材料受到外力作用下沿着结理面一定结晶方向破裂。这种复合方法是将两层或两层以上需要复合的蓝宝石片材的复合面首先抛光到一定的光洁度、平整度，再进行叠合，按一定装载方式装在高温炉，在低于晶体熔点的高温下和保护气体下宝石材料的抛光面键合后结合为一体，形成一块蓝宝石片材。再进行加工到需要的尺寸和光洁度。这样可以降低蓝宝石片材料在加工和使用过程中因外力产生的崩边和破裂。
【专利说明】一种蓝宝石热复合方法
[0001]【技术领域】
本发明涉及一种蓝宝石热复合方法。
[0002]【背景技术】
由于蓝宝石有接近于金刚石是的硬度，莫氏硬度9。优良的可见光和红外光、紫外光透过率T>85%(400-800纳米波长)。并具有优良的抗弯强度和弹性模量，所以用在高端的手机屏主镜片、手表镜片、激光窗口片、摄像头保护镜片、激光条码扫描仪视窗片、触摸屏保护盖板。但目前使用时都是单层蓝宝石片材在使用，这里涉及的两层或两层以上复合的加工方法，提高了加工的成品率和片材的抗静压强度、抗冲击强度。 [0003]蓝宝石具有各向异性，及其蓝宝石晶体结构具有多个不同的晶面。虽然，蓝宝石的每个晶面较其他矿物硬度更高，但有的晶面具有其它一些不同的特点。例如，C面蓝宝石有很好的光学透过率和断裂韧性，A面蓝宝石比其他晶面的蓝宝石具有更高的抗压强度和耐磨性。R面和M面的蓝宝石也具有其它的一些优点。
[0004]美国专利文献US20130236699公开了一种蓝宝石叠层结构，包括:具有第一种晶面取向的第一层蓝宝石片形成蓝宝石叠层结构的主表面，具有第二种晶面取向的第二层蓝宝石片形成蓝宝石叠层结构的第二个主平面，两层蓝宝石片熔合在一起，形成蓝宝石叠层结构。 申请人:认为上述方案是不可能真正实现的，蓝宝石属于晶体结构，如果按照其说明书第24段所述，“熔合蓝宝石片的温度，可以接近或超过蓝宝石的熔融温度”，晶体的特性是有一定熔点，一旦大于熔点温度材料就会熔化。无法保持原有形状，则会发生晶格的崩塌，无法保持蓝宝石的固体片状形态，上下两片蓝宝石片一旦发生熔合，材料熔化后降温时自发成核结为多晶，其晶向无法保持一致的单晶，因此通过该方法获得的蓝宝石叠层结构无法保持原片材的形状不能用于触摸屏。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种蓝宝石热复合方法，解决了单片蓝宝石边、产生裂纹、甚至破裂的技术问题。
[0006]单层蓝宝石晶体片材在加工过程中由于晶体本身存在结理面，所以在加工过程和使用过程中当受到一定大的外力作用时晶体材料本身会沿着结理面一定结晶方向崩边、产生裂纹、甚至破裂。这是晶体材料的固有特性。为降低加工过程和使用过程中当受到外力作用时裂纹的产生、扩张，本发明提出了多层片材的复合方案，利用晶向不同板材之间的复合，增加了产品的强度，更适合在大尺寸手机屏和触摸平板电脑及军用激光窗口的使用；解决了因强度问题存在的应用局限性，可以让宝石片材做的更薄更轻且具有优良的性能。
[0007]本发明的具体技术方案是:
一种蓝宝石热复合方法，包括以下步骤:
步骤一，将要复合的两层或两层以上的蓝宝石片材的复合面抛光，其表面粗糙度Ra达到I纳米以下，平整度TTV〈5微米，LTV〈1.5微米，翘曲度〈10微米；
步骤二，将上述抛光后的蓝宝石片材按照晶面取向不同或侧面的晶轴取向不同进行晶向热复合；所述蓝宝石片材的热复合条件:蓝宝石片材置于高温炉中复合，复合温度高于1500°C低于蓝宝石熔点2050°C;充入氦气、氩气或氮气作为保护气；保温时间为1-15小时。
[0008] 申请人:发现，蓝宝石片材之间在低于其热熔温度的环境下，由于分子之间的热运动加剧，在特定上述方案的特定条件下会形成蓝宝石片材分子之间的键合。而蓝宝石片材表面粗糙度、平整度、LTV和翘曲度与热复合良品率息息相关，其原理可能在于上述因素会影响两个片材之间的物理距离，进而影响蓝宝石片材之间的分子键合过程。
[0009]所述蓝宝石片材抛光面间竖直紧靠放置于高温炉的钥坩埚内。竖直紧靠放置的优点在于(请补充)片材不容易发生变形，可以在高温下快速复合。
[0010]所述蓝宝石片材水平叠放在一平整度和蓝宝石片材一致的宝石支撑板上，但支撑板不进行抛光，再将支撑板作为载具放入高温炉的钥坩埚中。这种水平放置的优点在于(请补充)由于上下两片需要复合的宝石在重力作用下产生正压力，表面容易贴实而在较低温度下产生复合。
[0011]所述蓝宝石片材由第一蓝宝石片和第二蓝宝石片组成，其中第一蓝宝石片晶面取向是a向，第二蓝宝石片晶面取向是c向。
[0012]所述蓝宝石片材由蓝宝石表片和蓝宝石底片组成，蓝宝石底片由一块中心片和四个角片组成，中心片和角片拼合面积与蓝宝石表片一致。
[0013]本方案克服了单片蓝宝石片材的缺陷，同时与2个完整蓝宝石片材复合的方案相t匕，具有更好的强度和韧性，因为蓝宝石表片和中心片、角片的晶向组合更为多样，可以充分利用蓝宝石各晶向的特性。而且降低了成本。在触摸屏的实际应用中，发生跌落时大部分的情形为边角线落地，因此边角部位的特别加强具有现实意义，而现有技术中大多用圆形倒角来减轻应力集中，但这种方案没有从根本上解决边角易碎的问题，而中心片与角片的方案彻底解决了上述问题。
[0014]所述角片的两个边角存在直线倒角。直角倒角的作用在于将角片之间的接触方式从点接触改为线接触，提高了复合结构的抗剪切力。
[0015]所述中心片为棱形片，所述角片为边角设有直线倒角的三角片。
[0016]所述中心片的表层晶面为a向、c向或r向，所述蓝宝石表片的表层晶面与中心片表层晶面不相同，所述角片的边缘晶向与蓝宝石表片的边缘晶面不相同。
[0017]所述角片的边缘晶向为m向。
[0018]
升温和降温速度要小于200度/小时，以免热冲击带来破碎。为使炉内杂质挥发不污染产品炉压控制在负大气压，保护气体可以是氦气、氩气或氮气，保护炉内热场不受氧化。为使材料很好的键合必须达到1500摄氏度以上，但要低于宝石的熔点2050摄氏度，如果高于熔点晶体材料将熔化报废。保温时间要f 15小时，宝石抛光面就能键合粘在一起。
[0019]1、复合面技术参数控制:
先将要复合的两层或两层以上的蓝宝石片材的复合面抛光，表面粗糙度Ra达到I纳米以下，平整度TTV〈5微米，LTV〈1.5微米，翘曲度〈10微米。这样的抛光面才能很好的贴合，不至于在复合后存在光楔角而出现干涉环影响产品的外观造成缺陷。
[0020]2、热复合片子的晶向控制
为达到防止裂纹产生和扩张的效果，这里采用的两层或两层以上的宝石片材的相邻两层的晶面不同或侧面的晶轴取向不同晶向复合，如第I片的晶面是a向第2片是c向；又如第I片晶面是a向但横向取向是和m轴夹角45度，第2片的晶面是a向但横向取向是r轴方向。如两层以上只需相邻两层不同即可达到效果。
[0021]3、为达到高温复合采取的高温炉装载物理工位方法
第一种方案是将要符合的抛光面叠合，不需要复合的片子不要抛光，以免粘接无法拿开。竖直放在钥坩埚内可以将要复合的片子全部靠实，便于抛光面完全接触，有利高温键合。
[0022]第二种方案是将要复合的片子叠放在一平整度和片子一样的厚的宝石支撑板上，但支撑板不要抛光以免和产品粘住。再将支撑板作为载具放入高温炉的钥坩埚中，这样层间压力更利于片子键合为一体。
[0023]4、为使片材复合需要控制的高温炉技术参数
当要符合的宝石片材放入高温炉内时，升温和降温速度要小于200度/小时，以免热冲击带来破碎。为使炉内杂质挥发不污染产品炉压控制在负大气压，保护气体可以是氦气、氩气或氮气，保护炉内热场不受氧化。为使材料很好的键合必须达到1500摄氏度以上，但要低于宝石的熔点2050摄氏度，如果高于熔点晶体材料将熔化报废。保温时间要115小时，宝石抛光面就能键合粘在一起。
[0024]5、将因高温键合而粘接为一体的两层或两层以上的宝石片材进行外形尺寸加工和抛光达到工件的技术要求。
[0025]【专利附图】
【附图说明】
图1第I片蓝宝石的晶面是a向、第2片是c向复合后成为一块的结构示意图。
图2是第I片蓝宝石晶面是a向但横向取向和m轴夹角45度、第2片的晶面是a向但横向取向是r轴方向复合后为一块的结构不意图。
[0026]图3是第I片蓝宝石晶面是c向但横向取向是和m轴夹角90度、第2片的晶面是c向但横向取向是m轴方向的2英寸蓝宝石圆形片复合后成为一块的结构示意图。
[0027]图4为蓝宝石表片和底片的结构示意图。
[0028]图5为监宝石表片和底片的结构不意图(棱片)。
[0029]图6为蓝宝石表片和底片的结构示意图(倒角)。
[0030]【具体实施方式】 实施例1
将一片晶面为a面和一片晶面为r面的5英寸长方形蓝宝石片材，厚度为0.4mm的蓝宝石单面抛光，抛光后表面粗糙度Ra〈0.2纳米，TTV<3微米，LTV<0.5微米。抛光面叠合，竖直放入钥坩埚内，片子之间靠紧，不留缝隙。放入氦气保护炉内，炉内压力为25托，以150度/小时的升温速率加热到1900摄氏度，在1900摄氏度下保温10小时，再以以150度/小时的降温速率降至常温。取出因高温键合粘在一起的复合蓝宝石晶体片材，再进行研磨仿形、打孔、抛光，加工成0.75厚的蓝宝石手机主镜片(屏幕盖板)。具有耐划伤、高透过率、高强度的手机镜片。
[0031]实施例2
将第1片晶面是a向但横向取向是和m轴夹角45度，第2片的晶面是a向但横向取向是r轴方向，的4.5长方形英寸蓝宝石片材，厚度为0.35mm的蓝宝石单面抛光，抛光后表面粗糙度Ra〈0.1纳米，TTV<2微米，LTV<0.3微米。抛光面叠合，竖直放入钥坩埚内，片子之间靠紧，不留缝隙。放入氦气保护炉内，炉内压力为25托，以150度/小时的升温速率加热到1800摄氏度，在1800摄氏度下保温15小时，再以以150度/小时的降温速率降至常温。取出因高温键合粘在一起的复合蓝宝石晶体片材，再进行研磨仿形、打孔、抛光，加工成
0.65厚的蓝宝石手机主镜片(屏幕盖板)。具有耐划伤、高透过率、高强度的手机镜片。
[0032]实施例3
将第I片晶面是a向但横向取向是和m轴夹角45度，第2片的晶面是a向但横向取向是r轴方向，的7英寸长方形蓝宝石片材，厚度为0.4mm的蓝宝石单面抛光，抛光后表面粗糙度Ra〈0.1纳米，TTV<2微米，LTV<0.3微米。抛光面叠合，水平放在相同平整度经过研磨但未经抛光的蓝宝石平面载具上，可以叠放若干层，再将载具放入钥坩埚内。放入氦气保护炉内，炉内压力为25托，以150度/小时的升温速率加热到1700摄氏度，在1700摄氏度下保温15小时，再以以150度/小时的降温速率降至常温。取出因高温键合粘在一起的复合蓝宝石晶体片材，再进行研磨仿形、打孔、抛光，加工成0.75厚的蓝宝石手机平板电脑屏幕盖板。成为具有耐划伤、高透过率、高强度的电脑主屏镜片。
[0033]实施例4
将第I片晶面是a向但横向取向是和m轴夹角45度，第2片的晶面是a向但横向取向是r轴方向，的7英寸长方形蓝宝石片材，厚度为0.4mm的蓝宝石单面抛光，抛光后表面粗糙度Ra〈0.1纳米，TTV<2微米，LTV<0.3微米。抛光面叠合，水平放在相同平整度经过研磨但未经抛光的蓝宝石平面载具上，可以叠放若干层，再将载具放入钥坩埚内。放入氦气保护炉内，炉内压力为25托，以150度/小时的升温速率加热到1700摄氏度，在1700摄氏度下保温15小时，再以以150度/小时的降温速率降至常温。取出因高温键合粘在一起的复合蓝宝石晶体片材，再进行研磨仿形、打孔、抛光，加工成0.75厚的蓝宝石手机平板电脑屏幕盖板。成为具有耐划伤、高透过率、高强度的电脑主屏镜片。
[0034]实施例5
将第I片晶面是c向但横向取向是和m轴夹角90度，第2片的晶面是c向但横向取向是m轴方向，的2英寸蓝宝石圆形片材，厚度为0.7mm的蓝宝石单面抛光，抛光后表面粗糙度Ra〈0.1纳米，TTV<2微米，LTV<0.3微米。抛光面叠合，水平放在相同平整度经过研磨但未经抛光的蓝宝石平面载具上，可以叠放若干层，再将载具放入钥坩埚内。放入氦气保护炉内，炉内压力为25托，以150度/小时的升温速率加热到2000摄氏度，在2000摄氏度下保温8小时，再以以150度/小时的降温速率降至常温。取出因高温键合粘在一起的复合蓝宝石晶体片材，再进行研磨、抛光，加工成1.35厚的蓝宝石激光窗口片。成为具有高透过率、高强度的激光制导军用窗口片。
[0035]实施例6
如图4所示，蓝宝石复合结构由表片1、中心片21和角片22组成。中心片21和角片22组合面积与表片I相等。
[0036]实施例7 如图5所示，与实施例6不同的是，中心片21为棱形片，角片22为三角片。
[0037]实施例8
如图6所示，与实施例7不同的是，角片22具有直线倒角221。
【权利要求】
1.一种蓝宝石热复合方法，包括以下步骤: 步骤一，将要复合的两层或两层以上的蓝宝石片材的复合面抛光，其表面粗糙度Ra达到I纳米以下，平整度TTV〈5微米，LTV〈1.5微米，翘曲度〈10微米； 步骤二，将上述抛光后的蓝宝石片材按照晶面取向不同或侧面的晶轴取向不同进行晶面热复合；所述蓝宝石片材的热复合条件:蓝宝石片材置于高温炉中复合，复合温度高于1500°C低于蓝宝石熔点温度2050°C ;充入氦气、氩气或氮气作为保护气；保温时间为1-15小时。
2.根据权利要求1所述的蓝宝石热复合方法，其特征在于所述蓝宝石片材抛光面间竖直紧靠放置于高温炉的钥坩埚内。
3.根据权利要求1所述的蓝宝石热复合方法，其特征在于所述蓝宝石片材水平叠放在一平整度和蓝宝石片材一致的宝石支撑板上，但支撑板不进行抛光，再将支撑板作为载具放入高温炉的钥坩埚中。
4.根据权利要求1所述的蓝宝石热复合方法，其特征在于所述蓝宝石片材由第一蓝宝石片和第二蓝宝石片组成，其中第一蓝宝石片晶面取向是a向，第二蓝宝石片晶面取向是c向。
5.根据权利要求1所述的蓝宝石热复合方法，其特征在于所述蓝宝石片材由蓝宝石表片和蓝宝石底片组成，蓝宝石底片由一块中心片和四个角片组成，中心片和角片拼合面积与蓝宝石表片一致。
6.根据权利要求5所述的蓝宝石热复合方法，其特征在于所述角片的两个边角存在直线倒角。
7.根据权利要求5所述的蓝宝石热复合方法，其特征在于所述中心片为棱形片，所述角片为边角设有直线倒角的三角片。
8.根据权利要求5所述的蓝宝石热复合方法，其特征在于所述中心片的表层晶面为a向、c向或向，所述蓝宝石表片的表层晶面与中心片表层晶面不相同，所述角片的边缘晶向与蓝宝石表片的边缘晶面不相同。
9.根据权利要求5所述的蓝宝石热复合方法，其特征在于所述角片的边缘晶向为m向。
【文档编号】B32B9/04GK103643302SQ201310614083
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】吴云才 申请人:浙江上城科技有限公司