通过在表面组成中产生梯度来对平板玻璃施加预应力制造技术

本发明专利技术涉及一种玻璃制品，特别是平板玻璃；其中，表面材料由于针对性工艺控制而具有梯度材料特性，这又导致表面的压缩预应力。本发明专利技术还涉及一种用于生产玻璃制品的方法及其用途。用途。

【技术实现步骤摘要】
通过在表面组成中产生梯度来对平板玻璃施加预应力


[0001]本专利技术涉及玻璃制品，例如，平板玻璃。其中，表面材料由于针对性工艺控制而具有梯度材料特性，这又导致表面的压缩预应力。本专利技术还涉及一种用于生产玻璃制品的方法及其用途。

技术介绍

[0002]许多应用都需要在其表面进行压缩预应力化的玻璃，特别是在安全玻璃领域的应用，或者通常用于比未预应力化的玻璃更能抵抗机械效应的玻璃。玻璃制品表面的压缩预应力化有多种方法。
[0003]对于所谓的化学预应力化，参见i.a.ArunK.Varshneya,ChemicalStrengtheningofGlass:LessonsLearnedandYetToBeLearned,InternationalJournalofAppliedGlassScience1[2]131
‑
142(2010)，位于玻璃表面的较小离子被较大的离子取代，例如钠离子被钾离子取代。这导致表面相对于芯部材料的需要更大空间。由于与芯部材料的连接，表面不会发生这种膨胀，反而被压缩到原始尺寸，如此会产生相应的压缩应力。化学预应力化工艺通常在高温，但仍显著地是在低于退火点的情况下进行。
[0004]对于所谓的热预应力，参见i.a.WernerKiefer,ThermischesVorspannenvonniedrigerGlastechnischeBerichte57(1984),No.9,pp.221
‑
228，玻璃产品，例如平板玻璃，被加热到例如高于退火点100K的温度，然后通过吹气等以类似冲击的方式进行冷却。表面上的压缩预应力(热预应力化)是由局部不同的冷却(由于玻璃的低导热率，冷却在表面上快速进行，在芯部中却进行的缓慢)的相互作用产生的，由此产生的局部不同的热膨胀，进而导致应力积聚以及随后的应力松弛，并且这种应力的松弛高度依赖于温度。
[0005]根据TechnicalInformationExchangeNo.32(TIE
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32)，Thermalloadsonopticalglass,SchottAG,Mainz,Germany,October2018，热预应力化的玻璃板的表面压缩应力σ为
[0006]E是弹性模量，μ是泊松比，ΔT是在冲击冷却工艺中芯部温度通过退火点时板的表面温度和芯部温度之差。CTE是玻璃的热膨胀系数。“f”是反映表面温度和平均板材温度之差与表面温度和芯部温度之差之间的关系的因子。“f”在任何情况下都小于“1”；如果直至通过玻璃化转变范围时，已经形成具有抛物线形温度分布的“稳态”，f＝2/3。
[0007]根据Kiefer,loc，以下适用于ΔT。引自：
[0008]这里，h是板材和例如鼓风机空气的冷却介质之间的传热系数，d代表板材厚度，к代表玻璃的导热系数，T
环境
代表冷却介质的温度或环境温度。
[0009]T
G
是玻璃化转变范围的离散值，即应力在T
G
之上松弛，并且不再低于T
G
。更准确地说，这个温度取决于冷却速度。与冷却速度无关的最合适的估计值是退火点。在文献中，玻璃化转变温度也经常在这一点上使用，这意味着由于退火点和玻璃化转变温度几乎没有差异，因此误差不大。
[0010]两种工艺，即热预应力化和化学预应力化，都可用于板材和其他玻璃制品；上述考虑总是适用于这种情况，即，相对于相应考虑的一块这种玻璃制品的横向尺寸，其厚度较小。这种情况对于玻璃板来说尤其如此。然而，这两种方法都需要额外的方法步骤，其中包括玻璃的再加热和大量的化学或技术工程费用。

技术实现思路

[0011]现有技术缺乏一种在玻璃制品表面施加压缩预应力的方法，这种方法是对准“行内”生产方法的改进。
[0012]该目标通过权利要求的主题实现。
[0013]如果在生产过程中成功地改变表层的组成，使其产生比内部更低的CTE，则可以形成现有技术的上述两种方法的一种可行的替代方案。与上述两种方法相比，本专利技术恰恰实现了这一点。这并不排除根据本专利技术的玻璃制品在生产后的附加步骤中也任选地进行化学预应力化或热预应力化。然而，与此相反，本专利技术针对表面上的压缩预应力化，可以通过生产期间在表面与芯部之间引入的CTE 差来实现。
[0014]假设，首先，在冷却至退火点T
G
的冷却工艺中，所有源自不同热膨胀的应力完全松弛，但不再是在较低温度下。其次，与所考虑的玻璃板的厚度相比，表层的厚度较小，表面处的压缩预应力的二维应力状态遵循胡克定律：
[0015]这里，ΔCTE是芯部的热膨胀系数CTE
K
与表面的热膨胀系数CTE
O
之间的差。
[0016]根据本专利技术，术语“表面”是指接近玻璃/空气边界的玻璃部分。在这里，形成表面的玻璃被称为“表面玻璃”，而位于更内侧的剩余玻璃被称为“本体玻璃”或“芯部玻璃”。很难精确界定表面与本体，因此本专利技术定义表面玻璃的深度为<20nm。组成的表面分析尤其可以通过Cs
‑
TOF
‑
SIMS在1000eV下进行。在不同情况下，将接近表面深度<20nm的测量值的平均值用作表面值，并借助氧化物组成的逆矩阵确定构成相中的组成。
[0017]优选地，执行从大约5nm深度至<20nm深度的3次以上的单独测量。单独测量优选为等距的。例如，可以在6nm、9nm、12nm、15nm以及18nm的深度进行单独测量，或者在5nm、7.5nm、10nm、12.5nm、15nm以及17.5nm的深度进行单独测量。单独测量的精确深度在这里不是决定性的。根据本文解释的公式并基于所确定的表面玻璃的组成来计算确定表面玻璃的性质。
[0018]由于玻璃组成不会因为生产而在更深处发生任何变化，因此可以通过对玻璃组成的常规化学分析来确定芯部玻璃的组成。在任何情况下的深度500nm处为芯部玻璃。在玻璃生产过程中，可以通过特定措施对玻璃表面产生有利影响。
[0019]优选地，借助于芯部玻璃的化学分析值对TOF
‑
SIMS测量值进行标准化。特别地，可以沿表面的方向继续TOF
‑
SIMS的结果(相同的信号强度意味着相同的质量流量)。因此，优
选地，以％为单位精确地与玻璃化学分析得出的浓度相对应的浓度，将其指定为芯部玻璃的特定TOF
‑
SIMS信号强度(例如，在500nm、600nm或700nm的深度测定或取平均值)。朝着表面继续这些值，即，如果已经产生了对应于20％浓度的信号强度x，并且在表面处也测量到x，则表面浓度最初也被设置为等于20％。如果在表面测量到值2x而不是值x，则表面浓度设定为等于40％。随后对以这种方式确定的表面浓度进行标准化，使得它们的总和为 100％。
[0020]该目的是通过生产方法和合适的玻璃的有针对性的组合来实现的。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种玻璃制品，特别是硼硅酸盐玻璃制品，其包括三个部分：
‑
上侧表面玻璃；
‑
芯部玻璃；以及
‑
下侧表面玻璃；其中，所述上侧表面玻璃和所述下侧表面玻璃在不同情况下的深度均为<20nm，并且在任何情况下的深度500nm处为所述芯部玻璃；其中，所述下侧表面玻璃中的氧化锡和氧化铋的比例之和大于所述上侧表面玻璃中的氧化锡和氧化铋的比例之和；根据公式(13、14)计算的所述芯部玻璃的CTE
K
的范围为2.5～5.0ppm/K；其中，根据公式(14、15、16)计算的所述上侧表面玻璃的CTE
O
比根据公式(13、14)计算的所述芯部玻璃的CTE
K
低至少0.6ppm/K；并且其中，如果E/(1
‑
μ)和T
G
采用根据公式(31)、(29)和(37)计算的所述芯部玻璃的值，并且如果ΔCTE采用针对芯部玻璃和上侧表面玻璃计算的CTE值之间的差CTE
K
‑
CTE
O
，则根据公式(10)在上侧表面上产生至少50MPa的压缩预应力σ
O
。2.根据权利要求1所述的玻璃制品，其中，所述芯部玻璃的组成的特征在于构成相系统，所述构成相系统包含比例为10～50mol％的构成相硅硼钠石，比例为0～30mol％的构成相钾硅硼钠石，比例为0～20mol％的构成相钙长石，比例为0～20mol％的构成相三氧化二硼以及比例为20～75mol％的构成相二氧化硅。3.根据权利要求1或2所述的玻璃制品，其中所述芯部玻璃的组成的特征在于以下构成相：构成相最小值(mol％)最大值(mol％)硅硼钠石1050钾硅硼钠石030堇青石020钙长石020透辉石020三氧化二硼020二氧化硅2075。4.根据权利要求1或2所述的玻璃制品，其中所述芯部玻璃的组成的特征在于以下构成相：构成相最小值(mol％)最大值(mol％)硅硼钠石1050钾硅硼钠石030钠长石050钙长石020三氧化二硼020二氧化硅2075。5.根据前述权利要求中任一项所述的玻璃制品，其中，所述上侧表面玻璃中的构成相二氧化硅的比例与所述芯部玻璃中的构成相二氧化硅的比例之比在1.1：1至2.0：1的范围
内。6.根据前述权利要求中任一项所述的玻璃制品，其中，所述上侧表面玻璃中的构成相二氧化硅的比例为至少50mol％。7.根据前述权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：U，
申请(专利权)人：肖特股份有限公司，
类型：发明
国别省市：