热钢化玻璃及用于玻璃的热钢化的方法和设备技术

一种强化玻璃片材产品以及用于制备所述产品的方法和设备。所述方法包括通过非接触热传导充分长地冷却玻璃片材，从而固定片材的表面压缩和中心张力。所述方法得到具有改善破碎性质的热强化玻璃片材。

Hot tempered glass and method and apparatus for hot tempering of glass

A reinforced glass sheet product and method and apparatus for preparing said product. The method includes cooling the glass sheet sufficiently by non-contact thermal conduction, thereby securing surface compression and central tension of the sheet. The method yields thermally enhanced glass sheets with improved crushing properties.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】热钢化玻璃及用于玻璃的热钢化的方法和设备相关申请本申请要求2014年07月31日提交的美国专利申请号62/031,856，2014年11月04日提交的美国专利申请号62/074,838以及2015年04月14日提交的美国专利申请号62/147,289的权益，以上各文的全部内容通过引用纳入本文。背景本公开涉及改善的热调整(强化或钢化)玻璃，特别是玻璃片材，以及用于玻璃特别是玻璃片材的热强化的改善的方法和设备。在玻璃片材的热(或“物理”)强化中，将玻璃片材加热到大于玻璃的玻璃化转变温度的升高的温度，然后快速冷却片材表面(“淬冷”)，同时通过厚度和较低的玻璃热导率绝热的片材内部区域以更缓慢的速率冷却。这种差异化冷却在玻璃表面区域中形成残留压缩应力，通过玻璃中心区域中的残留拉伸应力来平衡。这与玻璃的化学强化不同，其中通过改变更靠近表面的区域中的玻璃化学组成来相对于中心产生表面压缩应力，例如通过离子扩散。这也与通过在仍然为热的时将具有不同热膨胀系数的玻璃组合物的层组合或层压在一起的玻璃强化不同，更低的膨胀层通常是最外面的，从而在返回到环境温度时得到表面压缩应力。相对于化学强化和层压，热强化过程通常是更不昂贵的，且更快速地进行。相对于未强化的玻璃，热强化玻璃具有优势。强化玻璃的表面压缩提供比未强化玻璃更大的耐断裂性。强度的增加通常与表面压缩的量成正比。如果相对于片材的厚度，片材具有足够水平的热强化，那么当和如果片材破碎时，片材将分割成具有钝的边缘的小碎片，而不是分割成具有尖锐边缘的较大或细长碎片。破碎成足够小碎片，或者如通过各种已知标准定义的“划切小块”的玻璃可称作安全玻璃，或“完全钢化”玻璃，或有时简称为“钢化”玻璃。因为强化程度取决于玻璃片材的表面和中心之间的温差，所以更薄的玻璃需要更高的冷却速率来获得给定应力。此外，更薄的玻璃通常需要更高的最终表面压缩应力和中心张力数值，来实现在破碎时划切成较小的颗粒。因此，如果不是不可能的话，在具有约3mm或更小片材厚度的玻璃中实现完全钢化(划切)是极具挑战性的。概述本公开部分地涉及高度强化的薄玻璃片材和方法工艺，以及设备，所述设备令人惊讶地在过去不能实现的厚度下获得高水平的玻璃片材的热强化，这超出了玻璃的对流气体热强化的现有技术状态，理想地同时使玻璃仅接触气体且同时还降低工艺的功率要求。所述设备和方法在具有小到至少薄至0.1mm的厚度的玻璃片材中实现热强化，包括最高达“完全钢化”或划切性能。附图简要说明图1(现有技术)是“完全钢化”所需的鼓风机功率作为玻璃厚度函数的图片。图2(现有技术)是用于老方法或机器O和新方法或机器N的“完全钢化”所需的鼓风机功率作为玻璃厚度函数的图片。图3(现有技术)是图2的老曲线O和新曲线N进行放大以匹配以及在图1的图片上叠加之后的图片。图4是根据本公开的一种或多种实施方式的热强化玻璃片材的图解的交叉部分的横截面。图5是通过本专利技术的方法和设备的一种或多种实施方式获得的假想温度的无量纲表面假想温度参数θs的图表。图6是通过模拟用于不同玻璃组合物的表面压缩应力的图表，其相对于提出的用于所示各种组合物的钢化能力参数进行作图。图7和8是两参数P1和P2作为传热系数h的函数的图片。图9是玻璃片材的表面压缩(MPa)作为片材厚度t(毫米)的函数的图片，其显示通过本公开的设备和方法的一种或多种实施方式新开发的性能区域。图10的图片显示用于本公开的钢化玻璃片材的选定示例作图的压缩应力作为厚度的函数。图11的流程图显示根据本公开的方法的一些方面。图12的流程图显示根据本公开的另一种方法的一些方面。图13A是图3的图片，且在其上标出了区域R和点A，B，A’和B’，从而显示本公开的方法以及方法和设备和工艺允许操作的区域，与现有技术进行对比。图13B是图13A的区域R和点A，B，A’和B’的另一种表示，但显示邻近(且相对于比例设置)的图2的减少尺寸的副本。图14(现有技术)是钢化所需的传热系数作为玻璃厚度函数的图片。图15是根据本公开的与通过对流相比更多地通过传导来冷却的玻璃片材的图解横截面。图16是根据本公开的实验设备的示意性横截面图。图17A是类似于图16的设备的另一种实施方式的剖开透视图。图17B是图17A的插图特征的替代实施方式的剖开透视图。图17C是图17A的插图特征的又一替代实施方式的剖开透视图。图18的流程图显示根据本公开的又一种方法的一些方面。具体描述本领域需要改善玻璃的热加工，同时改善用于热强化玻璃的方法和设备以及所得热强化的片材自身。例如，在便携式电子装置中，期望更薄但更强的光学质量的玻璃片材材料，以及包括这种玻璃片材的产品。玻璃的压缩非常强，但针对表面处的张力较弱。通过在片材表面处提供压缩，其通过不存在暴露表面的中心处的张力来平衡，显著增加玻璃片材的可用强度。然而，虽然相对于强化的替代方法，热强化通常更便宜和更快，但它受制于不能用于强化薄-例如，2-3mm或更小玻璃片材，因为强化水平取决于玻璃片材的表面和中心之间的温差，且难以在薄玻璃片材的表面和中心之间获得显著的差异。本说明书提供改善的方法和设备，用于利用热强化来制备高度强化的薄玻璃片材。所述方法和设备解决了现有工艺中的限制，允许在具有下述厚度的玻璃片材中实现高水平的强化：小于约3mm，小于2mm，小于1.5mm，小于1.0mm，小于0.5mm，小于约0.25mm，和小于约0.1mm。用于热强化玻璃的标准工业过程涉及在辐射能力炉子或对流炉子(或使用两种技术的“组合模式”炉子)中，将玻璃片材加热到预定温度，然后进行气体冷却(“淬冷”)，通常以贴着或沿着玻璃表面吹扫大量环境空气的形式。这种气体冷却过程主要是对流的，由此通过流体的整体运动(集体移动)来进行传热，通过扩散和平流，因为气体从热的玻璃片材携带走热量。某些因素可限制玻璃片材中可能的强化的量。这种限制至少部分地因下述而存在：成品片材上的压缩应力的量与在淬冷中实现的片材表面和中心之间的温差的大小直接相关。然而，淬冷中的温差越大，玻璃越容易破碎。对于给定的冷却速率，可通过从更高的片材初始温度淬冷，来减少破碎。此外，已知更高的起始温度需要获得更高冷却速率的全部强化潜能。但是，增加淬冷开始时的片材的温度可导致片材的过量变性，因为片材变软，这同样地限制了实际可行的可获得的温差。片材厚度也对淬冷中可取得的温差带来显著的限制。对于淬冷中给定的冷却速率，片材越薄，表面和中心之间的温差越低，因为存在更少的玻璃厚度来热隔绝中心与表面。因此，薄玻璃的热强化要求更高的冷却速率，因此需要更快的从玻璃外部表面除去热量，这需要大量的能量消耗。图1显示通过用来鼓吹足够的环境空气以“完全钢化”钠钙玻璃(“SLG”)的空气鼓风机所需的单位为千瓦/平方米玻璃片材面积的功率作为单位为毫米的玻璃厚度的函数，其基于约35年之前的工业标准热强化过程。所需的功率随着所用玻璃变薄指数地增加，因此多年以来，厚度为约3mm的玻璃片材是最薄的完全钢化的市售玻璃。此外，片材越薄，在给定玻璃软度(即，在给定粘度下)下的变性的可能性越大。因此，降低厚度同时减少了可直接获得的温差，因为增加的片材变形的风险，趋于减少使用更高片材温度来实现更高冷却速率的全部益处，以及通过更高冷却速率来防止玻璃破本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于强化片材的方法，所述方法包括下述步骤：冷却包括材料的片材,片材具有第一片材表面和第二片材表面,材料具有转变温度,在冷却开始时，片材温度大于转变温度，其中通过下述来进行冷却：a.邻近第一散热器表面设置第一片材表面，且在第一片材表面和第一散热器表面之间具有第一间隙，从而进行从第一片材表面到第一散热器表面的热传导,第一间隙具有越过第一间隙的长度g

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.31 US 62/031,856;2014.11.04 US 62/074,838;1.用于强化片材的方法，所述方法包括下述步骤：冷却包括材料的片材,片材具有第一片材表面和第二片材表面,材料具有转变温度,在冷却开始时，片材温度大于转变温度，其中通过下述来进行冷却：a.邻近第一散热器表面设置第一片材表面，且在第一片材表面和第一散热器表面之间具有第一间隙，从而进行从第一片材表面到第一散热器表面的热传导,第一间隙具有越过第一间隙的长度g1和第一间隙面积Ag1,b.邻近第二散热器表面设置第二片材表面，且在第二片材表面和第二散热器表面之间具有第二间隙，从而进行从第二片材表面到第二散热器表面的热传导,第二间隙具有越过第二间隙的长度g2和第二间隙面积Ag2,c.将第一气体的第一流动提供到第一间隙，且将第二气体的第二流动提供到第二间隙,第一气体具有热容量Cp1和热导率k1,第二气体具有热容量Cp2和热导率k2,在质量流速下将第一气体的流动提供到第一间隙,其中大于零且小于(2k1Ag1)/(g1Cp),以及在质量流速下，将第二气体提供到第二间隙,其中大于零且小于(2k2Ag2)/(g2Cp2),由此，第一流动和第二流动接触片材,以及比通过对流更多地通过传导来冷却片材,d.充分地冷却以形成片材的表面压缩应力和中心张力。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一散热器表面具有多个开口，且第二散热器表面具有多个第二开口,且其中将第一气体的第一流动提供到第一间隙包括使第一气体只通过多个第一开口流动到第一间隙，且将第二气体的第二流动提供到第二间隙由下述组成：使第二气体只通过多个第二开口流动到第二间隙。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述开口具有小于0.5mm的横截面尺寸。4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述开口具有小于0.01mm的横截面尺寸。5.如权利要求3-4中任一项所述的方法，其特征在于，第一散热器表面和第二散热器表面中的多个开口在垂直于各第一散热器表面和第二散热器表面的20度之内。6.如权利要求2-5中任一项所述的方法，其特征在于，第一间隙和第二间隙是约100μm或更小。7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，第一气体是空气。8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，第一气体是氦气。9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，还包括下述步骤：主要通过传导通过来自热源的气体来加热片材，主要通过传导加热片材的步骤在冷却片材的步骤之前进行。10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，如通过拉曼位移所测量，相对于片材的玻璃化转变温度，赋予至少50℃的片材的第一表面表面假想温度。11.用于强化片材的方法，所述方法包括下述步骤：a.至少部分地通过递送到第一表面和第一散热器之间的间隙的气体的流动或压力,在片材的第一表面上支撑片材的至少一部分,其中片材包括具有转变温度的玻璃，且片材温度大于玻璃的转变温度；b.通过到达散热器的气体，比通过对流更多地通过热传导来从片材的第一表面冷却片材。12.用于强化片材的方法，所述方法包括下述步骤：加热片材，所述片材包括材料且具有第一片材表面和第二片材表面,材料具有转变温度,充分地进行加热以使玻璃片材大于转变温度；越过第一间隙邻近第一散热器表面设置第一片材表面,第一散热器表面具有第一多个开口；越过第二间隙邻近第二散热器表面设置第二片材表面,第二散热器表面具有第二多个开口；通过第一多个开口和第二多个开口将气体递送进入第一间隙和第二间隙，且冷却片材a.比通过对流更多地通过传导，以及b.充分冷却以构建片材中的热诱导表面压缩和热诱导中心张力。13.一种设备，其包含：第一散热器，其具有第一散热器表面；第二散热器，其具有设置成与第一散热器相反的第二散热器表面；以及第一散热器表面和第二散热器表面之间的间隙；其中间隙由气体组成，且构造成接收加热的玻璃片材，且比通过对流更多地通过传导来冷却加热的玻璃片材，从而提供热强化的片材。14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，气体比通过对流更多地通过传导来冷却加热的玻璃片材。15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，气体冷却第一散热器和第二散热器中的一种或两种。16.如权利要求13-15中任一项所述的设备，其特征在于，第一散热器和第二散热器中的一种或两种用冷却流体进行冷却，且其中冷却流体不是气体。17.如权利要求16所述的设备，其特征在于，第一散热器和第二散热器中的一种或两种包括封闭通路，用于使冷却流体经过那里流动。18.如权利要求13-17中任一项所述的设备，其特征在于，第一散热器和第二散热器包括与间隙和气体来源流体连通的多个开口，其中气体从气体来源流动到间隙。19.如权利要求18所述的设备，其特征在于，多个开口包括小于1mm的最小横截面尺寸。20.如权利要求13-19中任一项所述的设备，其特征在于，在与垂直于各第一散热器表面和第二散热器表面成20度或更小的角度下设置多个开口。21.如权利要求20所述的设备，其特征在于，多个开口设置成垂直于各第一散热器表面和第二散热器表面。22.如权利要求13-21中任一项所述的设备，其特征在于，第一散热器表面和第二散热器表面的一种或两种是多孔的。23.如权利要求13-22中任一项所述的设备，其特征在于，间隙包括约2500μm或更小的总厚度。24.如权利要求13-23中任一项所述的设备，其特征在于，气体包括气体混合物。25.如权利要求24所述的设备，其特征在于，气体包括空气、氦气或氢气。26.如权利要求13-25中任一项所述的设备，其特征在于，气体在进入间隙的入口处包括至少0.04W/(m·K)的热导率。27.如权利要求13-26中任一项所述的设备，其特征在于，还包括加热区，其用于将包括玻璃转变温度的玻璃片材加热到大于玻璃转变温度的温度，从而提供加热的玻璃片材。28.如权利要求27所述的设备，其特征在于，还包括转变区，其设置在加热区和通道之间，用于将加热的玻璃片材从加热区传送到通道。29.如权利要求28所述的设备，其特征在于，从上游加热区到通道，转变区以倾斜角设置。30.如权利要求28-29中任一项所述的设备，其特征在于，转变区还包括多个转变气体轴承。31.一种热强化玻璃片材:所述玻璃片材具有单位为毫米的厚度t,单位为毫米的长度l,和单位为毫米的宽度w,t小于l且小于w；玻璃片材具有通过厚度t隔开的第一主要表面和第二主要表面；玻璃片材包括玻璃，所述玻璃具有单位为1/℃的低温线性CTEαSCTE,单位为1/℃的高温线性CTEαLCTE,单位为GPa的弹性模量E,单位为℃的应变温度T应变,和单位为℃的软化温度T软化；玻璃片材的第一主要表面具有小于800MPa且大于下式的热诱导表面压缩应力：单位为MPa；其中P1通过下式给出：P2通过下式给出：且h大于或等于0.0625cal/s·cm2℃。32.如权利要求31所述的玻璃片材，其特征在于，h是大于或等于0.063cal/s·cm2℃。33.如权利要求31所述的玻璃片材，其特征在于，h是大于或等于0.065cal/s·cm2℃。34.如权利要求31所述的玻璃片材，其特征在于，h是大于或等于0.07cal/s·cm2℃。35.如权利要求31所述的玻璃片材，其特征在于，h是大于或等于0.075cal/s·cm2℃。36.如权利要求31所述的玻璃片材，其特征在于，h是大于或等于0.08cal/s·cm2℃。37.如权利要求31所述的玻璃片材，其特征在于，h是大于或等于0.10cal/s·cm2℃。38.如权利要求31所述的玻璃片材，其特征在于，h是大于或等于0.15cal/s·cm2℃。39.如权利要求31-38中任一项所述的玻璃片材，其特征在于，沿着第一主要表面的任意50mm或更小轮廓，片材的第一主要表面平坦到100μm总指示器跳动(TIR)。40.一种如权利要求31-39中任一项所述的热强化玻璃片材，其中片材具有热诱导中心张力，其小于400MPa且大于下式：单位为MPa；其中P1CT通过下式给出：P2CT通过下式给出：且hCT大于或等于0.06cal/s·cm2℃。41.如权利要求40所述的片材，其特征在于，hCT大于或等于0.10cal/s·cm2℃。42.如权利要求40-41中任一项所述的玻璃片材，其特征在于，片材的中心张力大于50MPa。43.如权利要求40-42中任一项所述的玻璃片材，其特征在于，片材的中心张力大于100MPa。44.如权利要求31-43中任一项所述的玻璃片材，其特征在于，玻璃具有单位为℃的退火温度T退火和在玻璃片材第一主要表面上测量的表面假想温度，其单位为℃且通过Tfs表示；玻璃片材具有无量纲表面假想温度参数θs，其通过(Tfs-T退火)/(T软化-T退火)来给出,其中参数θs是0.50-0.9。45.如权利要求44所述的玻璃片材，其特征在于，参数θs是0.60-0.9。46.如权利要求44-45中任一项所述的玻璃片材，其特征在于，在片材的第一表面上测量的表面假想温度是玻璃的玻璃转变温度以上至少75℃。47.如权利要求44-46中任一项所述的玻璃片材，其特征在于，在片材的第一表面上测量的表面假想温度是玻璃的玻璃转变温度以上至少90℃。48.一种热强化玻璃片材:所述玻璃片材具有单位为毫米的厚度t,单位为毫米的长度l,和单位为毫米的宽度w,t小于l且小于w；玻璃片材具有通过厚度t隔开的第一主要表面和第二主要表面,沿着第一主要表面任意50mm或更小轮廓，片材的第一主要表面平坦到100μm总指示器跳动(TIR)；玻璃片材包括玻璃，所述玻璃具有单位为1/℃的低温线性CTEαSCTE,单位为1/℃的高温线性CTEαLCTE,单位为GPa的弹性模量E,单位为℃的应变温度T应变,和单位为℃的软化温度T软化；玻璃片材的第一主要表面具有小于600MPa且大于下式的热诱导表面压缩应力：单位为MPa；其中P1通过下式给出：P2通过下式给出：

【专利技术属性】
技术研发人员：R·O·马斯克梅耶，J·C·托马斯，K·L·沃森，P·J·莱齐，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US