离子交换化学强化含锂玻璃中拐点应力测量的改进方法技术

本文公开了包含拐点的离子交换化学强化含Li玻璃试样中拐点应力测量的改进方法。其中的一种方法包括对与临界角度位置相关联的TIR‑PR过渡位置的偏移进行补偿，其中，所述偏移是由于漏模的存在而导致的。另一种方法包括对采集的模谱图像应用选定标准来确保在拐点应力计算中使用高品质的图像。另一种方法结合了利用由多个试样得到的模谱所进行的拐点应力直接测量和间接测量，以取得相比于仅使用直接测量方法或仅使用间接测量方法更高的准确性和精确性。本文还公开了用于利用测得的模谱形成玻璃制品的品质控制方法、以及用于确保拐点应力测量准确性的相关技术。

Improvement of Ion Exchange Chemically Enhanced Stress Measurement at Inflexion Point in Lithium-Containing Glass

In this paper, an improved method for measuring the stress at the inflection point in Li-containing glass specimens strengthened by ion exchange chemistry with inflection points is disclosed. One of the methods includes compensating for the migration of the TIR PR transition position associated with the critical angular position, where the migration is caused by the presence of a leaky mode. Another approach involves applying selection criteria to the sampled spectrum images to ensure that high-quality images are used in inflection point stress calculations. The other method combines direct and indirect measurements of inflection stress using mode spectra obtained from multiple samples to achieve higher accuracy and accuracy than using only direct or indirect measurements. This paper also discloses quality control methods for glass products formed by measured mode spectra, and related techniques for ensuring the accuracy of inflection point stress measurement.

【技术实现步骤摘要】
离子交换化学强化含锂玻璃中拐点应力测量的改进方法相关申请的交叉引用本申请依据35U.S.C.§119要求2017年7月28日提交的系列号为62/538335的美国临时申请、以及2018年6月22日提交的系列号为16/015776的美国申请的优先权，本文以它们的内容为基础并通过引用将其全文纳入本文。
本公开涉及化学强化玻璃，更具体而言，涉及离子交换化学强化含锂玻璃中拐点应力测量的改进方法。
技术介绍
化学强化玻璃是指经历过化学改性从而改善了至少一种强度相关特性(例如硬度、耐破裂性等)的玻璃。已发现化学强化玻璃特别可用作基于显示器的电子装置的盖板玻璃，特别是用作手持式装置(例如智能电话和平板电脑)的盖板玻璃。在一种方法中，化学强化通过离子交换处理来实现，通过离子交换处理，玻璃基质中的离子被从外部引入(例如从熔融浴引入)的离子取代。强化通常在取代离子(即，内扩散离子)大于原有离子(例如Na+离子被K+离子取代)时发生。离子交换处理产生从玻璃表面延伸进入玻璃基质内的折射率曲线。由钾所引发的折射率曲线具有相对于玻璃表面测量的层深度或DOL，其定义离子扩散层的尺寸、厚度或“深度”。所述折射率曲线还与多种应力相关特性有关，所述应力相关特性包括应力曲线、表面应力、中心张力、拐点应力、双折射率等。当折射率曲线满足某些标准时，该折射率曲线可定义光波导。最近，压缩深度(DOC)很大的化学强化玻璃已显示出在面坠落于坚硬粗糙表面上后具有优异的破裂耐性。含锂的玻璃(“含Li玻璃”)可允许进行快速离子交换(例如用Na+或K+置换Li+)以得到较大的DOC。注意到在这些玻璃中，DOC并非必然对应于由钾所定义的DOL，而是在许多情况下具有比该DOL大得多的DOL。具有特定商业重要性的一种示例性应力曲线包括：靠近基材表面的第一区域，其特征在于，折射率和应力快速变化或具有“尖峰”；以及位于基材更深处的第二区域，其中，折射率可十分缓慢地变化，且可与本体折射率基本上相同。曲线中第一区域与第二区域相遇的位置被称为拐点，因为应力曲线在上述两区域之间的过渡处弯曲，所述过渡处的斜率具有拐点形的突然变化。当玻璃在其边缘上受力(例如，坠落的智能电话)时，或者当玻璃经历大幅度弯曲时，曲线的尖峰部分特别有助于防止破裂。可通过在含有KNO3的浴中进行离子交换来在含Li玻璃中得到尖峰。经常优选的是，在具有KNO3和NaNO3的混合物的浴中得到尖峰，以使Na+离子也被置换。Na+离子比K+离子扩散得更快，因此比K+离子扩散得深至少一个量级。因此，曲线的更深区段区域主要由Na+离子形成，而曲线的较浅部分主要由K+离子形成。因为用Na交换Li并不会显著增大折射率，曲线中更深的第二区域通常不支持导模，即，不定义波导。此外，在与含Li的康宁(Corning)5玻璃相似的含锂玻璃中，压缩应力引起了与应力平行成分的相对折射率减小，这会导致化学强化玻璃板中横电(TE)光波相对折射率的减小。为了将含Li玻璃化学强化成作为盖板玻璃以及用于其它应用时在商业上可行，必须将它们在制造过程中的品质控制到某些规格。这种品质控制(QC)大部分取决于对制造过程中离子交换处理的控制能力，这需要快速且非破坏性地测量折射率和应力曲线的重要参数的能力，特别是对于拐点应力CSk，其出现于曲线的拐点处，在此处，交换入基材中的K离子的分布在基材中的一个区域中骤减，在此区域中，局部压缩应力基本上由扩散入玻璃中的Na离子产生。目前，在第二区域不承载导波的情况下，对于拐点应力CSk的直接测量特别困难。直接测量还会受到测量条件的不利影响，例如试样翘曲、照明的非均匀性以及采集到的模谱的图像品质不佳。另外，在十分靠近临界角的位置出现导模或漏模会弱化用于充分测定临界角的测量条件(测量窗口)，所述临界角为全内反射(TIR)向部分反射(PR)过渡的位置。需要该位置来利用直接方法准确测定拐点应力CSk。无法在相对较宽的测量窗口中充分表征拐点应力CSk已经阻碍了化学强化含Li玻璃的制造，因为当形成诸如由康宁股份有限公司(Corning,Inc.,纽约，康宁)制造的玻璃这样的具有优异耐坠落破裂性的化学强化Li基玻璃产品时，拐点应力是用于品质控制中的关键参数。
技术实现思路
用于对拐点应力CSk进行非破坏性直接测量的方法公开于美国专利申请公开第2016/0356760号中，而用于对拐点应力CSk进行非破坏性间接测量的方法公开于美国专利申请第2017/0082577号(美国专利第9897574号)中，上述文献通过引用全文纳入本文。如上所述，以往所公开的用于测量CSk的直接方法中的主要限制在于受限的测量窗口，或称为“甜区”。在优选的测量窗口中，拐点深度处的TM有效折射率和TE有效折射率(effectiveindex)都相对远离于TM和TE导模和漏模所关联的有效折射率，这允许对临界角位置进行准测测定，如下文所述。尤其会发生在一些经过第一步化学强化后在棱镜耦合角谱的情况中的另一个制约在于，TE模谱中临界角的探测精度相对较差，即使在谱图位于“甜区”中也是如此。基于尖峰应力斜率的间接方法之一能够避免这些问题，但当尖峰斜率很大(例如＞60兆帕/微米，这是大多数目前使用的表面附近第二步曲线的特征)时，该方法的精度变得不足。此外，该方法只有在TM(上部)过渡严格在“甜区”中时才是准确的，否则可能引起重大系统性误差。另外，双离子交换(DIOX)处理使得使用应力斜率法对CSk的提取复杂化，因为甜区较小，且因为DIOX处理会在超出最高阶导模相对于临界角折射率的预估斜率外推中引入大量不确定性。当化学强化的条件显著偏离参比条件时，基于采用CSk与最高阶导模的双折射率之间关系的间接方法会饱受重大系统性误差之苦。已发现这对于专注于使成本最小化以及采用不熟练技工的制造操作而言是成问题的。在大多数情况下，该方法对于CSk测量有效性的要求所强加于制造方法和产品属性上的限制比机械性能要求所强加的限制要严格得多。通常而言，对于QC度量有效性的这些严格限制被强化操作认为是不必要且成本高昂的。用于为QC而测量CSk的理想方法是非破坏性的、快速的、精确的且准确的，且最好该方法在测量条件范围内(即，在较大的测量窗口中)只具有较小的系统性误差，以使超出规格的产品(试样)不会因结合使其看上去像是符合规格的系统性误差被误认为是符合规格的产品(试样)。因此，本公开涉及通过离子交换形成且含有锂的化学强化玻璃试样的CSk的直接测量方法的精确性和准确性的改进方法。具体而言，所述方法拓宽了这些玻璃试样的“甜区”，认为所述方法在所述甜区中的准确性良好。此外，公开了QC方法，所述QC方法利用了改进的CSk直接测量方法，并且使用了结合间接方法来改善CSk的综合测量的改进的直接方法。在本公开的一个方面中，公开了CSk的直接测量方法，减轻了该方法中导致系统性误差、随机误差和伪随机误差的一个或更多个源头，允许在预先定义的“甜区”内对CSk进行更加精确的直接测量，而且拓宽了角耦合光谱的范围，能够在其中实现准确性和精确性可接受的直接CSk测量。这有效地将测量窗口拓宽至角耦合光谱的几乎全部可能范围，只存在很窄的谱空间区域，在这些谱空间区域中，CSk直接测量的可靠性较低且误差较大。本文所公开的方法总体上涉及测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量具有翘曲表面的化学强化含Li玻璃试样中的拐点应力的方法，所述方法包括：采集所述玻璃试样的TE模谱和TM模谱；对于所述TE模谱和TM模谱中的一种，测量全内反射(TIR)区段与部分内反射(PR)区段之间TIR‑PR过渡处光强度的TIR‑PR斜率；测量所述TE模谱和TM模谱中的至少一种的TIR‑PR过渡的TIR‑PR宽度；将测得的TIR‑PR斜率与TIR‑PR斜率阈值进行比较，将测得的TIR‑PR宽度与TIR‑PR宽度阈值进行比较，其中，所述TIR‑PR斜率阈值和所述TIR‑PR宽度阈值由具有平坦表面的参比玻璃试样定义；以及如果测得的TIR‑PR斜率大于所述TIR‑PR斜率阈值且测得的TIR‑PR宽度小于所述TIR‑PR宽度阈值，则使用所述TE模谱和所述TM模谱来测定所述拐点应力。

【技术特征摘要】
2017.07.28 US 62/538,335;2018.06.22 US 16/015,7761.一种用于测量具有翘曲表面的化学强化含Li玻璃试样中的拐点应力的方法，所述方法包括：采集所述玻璃试样的TE模谱和TM模谱；对于所述TE模谱和TM模谱中的一种，测量全内反射(TIR)区段与部分内反射(PR)区段之间TIR-PR过渡处光强度的TIR-PR斜率；测量所述TE模谱和TM模谱中的至少一种的TIR-PR过渡的TIR-PR宽度；将测得的TIR-PR斜率与TIR-PR斜率阈值进行比较，将测得的TIR-PR宽度与TIR-PR宽度阈值进行比较，其中，所述TIR-PR斜率阈值和所述TIR-PR宽度阈值由具有平坦表面的参比玻璃试样定义；以及如果测得的TIR-PR斜率大于所述TIR-PR斜率阈值且测得的TIR-PR宽度小于所述TIR-PR宽度阈值，则使用所述TE模谱和所述TM模谱来测定所述拐点应力。2.一种用于测量具有表面和主体的化学强化含Li玻璃试样中的拐点应力的方法，所述具有表面和主体的化学强化含Li玻璃试样包含具有拐点的应力曲线且定义波导，所述波导以导波和漏模的状态承载光线，所述方法包括：采集所述导波和所述漏模的TE模谱和TM模谱，其中，各模谱具有全内反射(TIR)区段和部分内反射(PR)区段，在所述全内反射(TIR)区段与所述部分内反射(PR)区段之间存在具有TIR过渡位置的TIR-PR过渡；测定所述TE模谱和所述TM模谱的各个TIR-PR过渡位置；由所述TE模谱和所述TM模谱测定所述TE模谱和所述TM模谱中所述漏模相对于所述TIR-PR过渡的位置；由所述漏模位置测定所述TM模谱和所述TE模谱中的每一种中由所述漏模而导致的所述TIR-PR位置的偏移量；添加距离所述TIR-PR过渡的测得位置的偏移量，以取得所述TM模谱和所述TE模谱中的每一种的修正后的TIR-PR过渡位置；使用所述TM模谱和所述TE模谱的所述修正后的TIR-PR过渡位置来测定所述拐点应力。3.一种用于测量具有表面和主体的化学强化含Li玻璃试样中的拐点应力的方法，所述具有表面和主体的化学强化含Li玻璃试样包含具有拐点的应力曲线且定义波导，所述波导以导模的状态承载光线，所述方法包括：采集TE模谱和TM模谱，所述TE模谱和所述TM模谱分别包含TE条纹和TM条纹；对于所述TE模谱和所述TM模谱中的每一种，测量对于波导所承载的光线的全内反射与部分内反射(TIR-PR)之间过渡的斜率SLP；以及将所述斜率与陡峭度阈值STH进行比较并使用所述斜率来测定所述TIR-PR过渡的位置，如果所述斜率大于选定的陡峭度阈值STH，使用所述经过修正的TIR-PR过渡位置来测定所述拐点应力。4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对所述拐点应力CSk的测定包括使用关系式CSk＝[n临界TE-n临界TM]/SOC，其中，n临界TE和n临界TM分别为所述TE模谱和所述TM模谱在所述TIR-PR过渡处的临界角有效折射率值。5.一种用于测量各自具有表面和主体的化学强化含Li玻璃试样中的拐点应力的方法，所述各自具有表面和主体的化学强化含Li玻璃试样包含具有拐点的应力曲线且定义波导，所述波导在尖峰区域以导模的状态承载光线，所述尖峰区域具有单调减小的折射率曲线，所述方法包括：测量多个所述玻璃试样中的每一个的TE模谱和TM模谱；使用所述TM模谱和所述TM模谱来直接测量所述拐点应力；间接测量所述拐点应力，所述间接测量采用所述拐点应力的直接测量结果来定义所述间接测量的移动平均比例因数；以及使用所述试样的所述移动平均比例...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·C·安德鲁斯，R·V·鲁斯夫，V·M·施奈德，
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