具有高储能的应力分布的玻璃基制品及制造方法技术

提供了具有限定的应力分布的玻璃基制品和制造这种玻璃基制品的方法。一种非限制性玻璃基制品包括：从所述表面延伸到压缩深度的外部区域，其中所述外部区域处于中性应力或第一压缩应力下；处于第二压缩应力下的核心区域，所述第二压缩应力限定压缩峰值，所述压缩峰值具有最大压缩值和在约1微米到约200微米的范围内的零应力下的最大宽度；和设置在所述表面和所述核心区域之间的中间区域，其中所述中间区域处于拉伸应力下。区域处于拉伸应力下。区域处于拉伸应力下。

【技术实现步骤摘要】
具有高储能的应力分布的玻璃基制品及制造方法
[0001]本申请为申请日为2018年11月30日、申请号为201811458399.2、名称为“具有高储能的应力分布的玻璃基制品及制造方法”的专利技术专利申请的分案申请。
[0002]相关申请
[0003]本申请主张2017年11月30日提交的序列号为62/592,708的美国临时申请的优先权的权益，依赖该申请的内容并通过引用将该申请的内容作为整体结合在此。


[0004]本公开内容涉及包含具有相对较高的储能的应力分布的玻璃基制品以及制造这种玻璃基制品的方法。

技术介绍

[0005]电子装置，例如，诸如移动电话和平板电脑之类的手持电子装置，包括覆盖基板，其通常由玻璃制成并且被称为覆盖玻璃。然而，电子装置的覆盖玻璃的破损是一个长期存在的问题。覆盖玻璃的故障和破损可归因于当装置受到动态或静态载荷时玻璃的弯曲引起的弯曲故障，以及当覆盖玻璃落在诸如沥青、混凝土等粗糙表面上时，由于玻璃表面上的尖锐压痕引起的损坏引入所导致的尖锐接触故障。
[0006]有两种常用的方法用于在玻璃表面上产生压缩表面应力、热强化(回火(tempering))和化学强化(离子交换)。热强化玻璃产品包括将产品加热到接近软化温度，然后淬火或快速冷却产品。结果，在冷却期间，玻璃将具有比内部更低的表面温度。这种温差一直保持到玻璃的表面冷却到室温。由于玻璃的中心还更慢地冷却到室温，它将收缩到较小的比容(specific volume)，同时表面层的高比容保持不变。这导致表面压缩层，其赋予回火玻璃以强度。这一工艺目前被用于加强汽车侧窗和后窗。
[0007]如本文所用，“热强化”是指经过热处理的基板以改善基板强度，“热强化”包括回火基板和热强化基板，例如回火玻璃和热强化玻璃。回火玻璃涉及加速冷却过程，其在玻璃中产生较高的表面压缩和/或边缘压缩。影响表面压缩程度的因素包括空气淬火温度、体积和其他变量，这些变量产生至少10,000磅/平方英寸(psi)的表面压缩。回火玻璃通常比经退火的或未经处理的玻璃强四到五倍。热强化玻璃是通过比回火玻璃更低的差温致冷(differential cooling)来生产的，这导致表面处的压缩强度更低，并且热强化玻璃的强度大约是经退火的或未经处理的玻璃的两倍。
[0008]传统上，热强化玻璃已被用于防止由于将这种瑕疵引入玻璃而引起的故障，因为热强化玻璃通常表现出大的压缩应力(CS)层(例如，约为玻璃总厚度的21％)，这可以防止瑕疵进一步传播到玻璃中，从而能够防止产生故障。图1示出了通过热强化产生的应力分布的示例。在图1中，热处理玻璃制品100包括第一表面101、厚度t1和表面CS 110。热处理玻璃制品100表现出如下的CS：从第一表面101减小到如本文所定义的压缩深度(depth of compression,DOC)130，在该深度处应力从压缩应力变为拉伸应力，然后达到最大中心张力(CT)120。
[0009]热强化仅被限于厚玻璃基制品(即，厚度t1为约3毫米或更大的玻璃基制品)，因为为了实现热强化和期望的残余应力，必须在这类制品的核心和表面之间形成足够的热梯度。在许多应用中，诸如在显示器(例如，用户电子产品，包括移动电话、平板电脑、计算机、导航系统等)、建筑(例如，窗户、淋浴板、台面等)、运输工具(例如，汽车、火车、飞机、海上航行器等)、器具、或需要优异抗断裂性但薄而轻的制品的任何应用中，这种厚的制品中是不理想的或不实用的。根据一个或多个实施方式，本文所描述的应力分布可以通过热强化来实现。
[0010]第二种常用的强化方法，离子交换(IOX)或化学强化，最适用于含有移动阳离子的玻璃。在该方法中，含有碱金属离子(例如，Na
+
)的玻璃在含有较大碱金属离子(例如，K
+
)的熔融盐中于低于玻璃化转变温度的温度下进行处理。尽管碱金属离子停留在刚性玻璃网络内的特定位置，但它们具有在位点之间移动的能力。因此，当含碱金属玻璃浸入含有另一种类型的较大碱金属离子的熔融盐中时，熔融盐中的一些较大离子将与玻璃外部的那些离子进行交换。如果该过程在低于玻璃化转变温度的温度下进行，使得与离子交换速率相比应力松弛缓慢，则大离子将发现它们自身被填入太小的刚性位点中。由于结构不能松弛以容纳新获得的较大离子，因此形成双轴压缩应力。这种过程，有时称为离子填充或化学回火，可以在玻璃上产生具有极高压缩应力的表面层，并且目前应用于加强诸如飞机窗户和电子装置上的防刮擦触摸屏之类的产品。
[0011]尽管化学强化不以与热强化相同的方式受到玻璃基制品的厚度的限制，但是已知的化学强化玻璃基制品不显示热强化玻璃基制品的应力分布。通过化学强化(例如，通过离子交换工艺)产生的应力分布的示例如图2所示。在图2中，化学强化玻璃基制品200包括第一表面201、厚度t2和表面CS 210。玻璃基制品200表现出如下的CS：从第一表面201减小到如本文所定义的压缩深度(DOC)230，在该深度处应力从压缩应力变为拉伸应力，然后达到最大中心张力(CT)220。如图2所示，这种分布显示基本平坦的CT区域或沿着CT区域的至少一部分具有恒定或接近恒定的拉伸应力的CT区域。通常，相较于图1所示的最大中心张力值，已知的化学强化玻璃基制品显示出较低的最大CT值。
[0012]玻璃基制品经常受到严重的冲击，这会在这些制品的表面中引入大的瑕疵。这些瑕疵可以从表面延伸至达到约200微米的深度。已经表明，覆盖玻璃的层深与提高粗糙表面装置跌落性能密切相关。目前，用于优化层深的一种可行的分布是抛物线分布，这可以通过热强化或通过非常深的离子交换来实现。此外，对于具有抛物线残余应力分布的玻璃基板，较高的储能分布具有改善的跌落性能。需要玻璃基制品表现出改善的性能，诸如抵抗由于制品掉落而导致的断裂，特别是在受到尖锐接触损坏时，同时还限制或防止玻璃基制品中的裂纹分叉(crack bifurcation)。

技术实现思路

[0013]本公开内容的一个方面涉及一种具有表面和厚度(t)的玻璃基制品，所述玻璃基制品包括：外部区域，所述外部区域从所述表面延伸到压缩深度，其中所述外部区域处于中性应力或第一压缩应力下；核心区域，所述核心区域处于第二压缩应力下，所述第二压缩应力限定压缩峰值，所述压缩峰值具有最大压缩值和在约1微米到约200微米的范围内的零应力下的最大宽度；和中间区域，所述中间区域设置在所述表面和所述核心区域之间，其中所
述中间区域处于拉伸应力下。
[0014]本公开内容的另一方面涉及一种装置，包括：壳体，所述壳体具有前表面、后表面和侧表面；至少部分地位于所述壳体内的电气部件；位于所述壳体的前表面处或附近的显示器；和设置在所述显示器上方的覆盖基板，其中所述壳体和所述覆盖基板的至少一者的一部分包括如本公开内容的第一方面所述的玻璃基制品。
[0015]另一方面涉及一种具有表面和厚度(t)的玻璃基制品，所述玻璃基制品包括：外部区域，所述外部区域从所述表面延伸到压缩深度，其中所述外部区本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种玻璃基制品，所述玻璃基制品具有表面和厚度(t)，所述玻璃基制品包括：外部区域，所述外部区域从所述表面延伸到压缩深度，其中所述外部区域处于中性应力或第一压缩应力下；核心区域，所述核心区域处于第二压缩应力下，所述第二压缩应力限定压缩峰值，所述压缩峰值具有最大压缩值和在1微米到200微米的范围内的零应力下的最大宽度；和中间区域，所述中间区域设置在所述表面和所述核心区域之间，其中所述中间区域处于拉伸应力下。2.根据权利要求1所述的玻璃基制品，其中所述压缩峰值具有在5微米到200微米的范围内的零应力下的最大宽度。3.根据权利要求1或2所述的玻璃基制品，其中所述压缩峰值具有在10微米到40微米的范围内的零应力下的最大宽度。4.根据权利要求1或2所述的玻璃基制品，其中所述外部区域处于限定表面压缩应力的所述第一压缩应力下。5.根据权利要求4所述的玻璃基制品，其中所述压缩峰值具有至少为所述表面压缩应力的50％的最大压缩应力。6.根据权利要求5所述的玻璃基制品，其中所述压缩峰值具有至少为所述表面压缩应力的70％的最大压缩应力。7.根据权利要求4所述的玻璃基制品，其中所述表面压缩应力在300MPa至1200MPa的范围内。8.根据权利要求7所述的玻璃基制品，其中所述表面压缩应力在600MPa至1000MPa的范围内。9.根据权利要求7所述的玻璃基制品，其中所述压缩峰值具有至少为所述表面压缩应力的30％的最大压缩应力。10.根据权利要求9所述的玻璃基制品，其中所述压缩峰值具有至少为所述表面压缩应力的50％的最大压缩应力。11.根据权利要求1或2所述的玻璃基制品，其中所述压缩峰值包括应力增加区域，使得所述应力增加区域的所有点包括具有在20MPa/微米至200MPa/微米范围内的值的切线，并且包括应力减小区域，使得所述应力减小区域的所有点包括具有在
‑
20MPa/微米至
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200MPa/微米范围内的值的切线。12.根据权利要求1或2所述的玻璃基制品，其中所述外部区域处于所述第一压缩应力下并且延伸到压缩深度(DOC)，在所述DOC处，所述玻璃基制品的应力值为零，所述DOC在0.05
·
t和0.30
·
t的范围内。13.根据权利要求12所述的玻璃基制品，其中所述中间区域中的所述拉伸应力具有比所述压缩峰值的所述最大压缩值的绝对值更小的最大拉伸应力绝对值。14.根据权利要求1或2所述的玻璃基制品，其中所述玻璃基制品的厚度(t)在0.1mm至3.0mm的范围内。15.根据权利要求1或2所述的玻璃基制品，其中所述玻璃基制品具有一应力分布，所述应力分布导致所述玻璃基制品中存储的拉伸能量，使得当损坏引入到所述玻璃基制品的表面时，与具有相同量的存储拉伸能量但不具有压缩峰值的玻璃基制品相比，所述应力分布
减少了裂纹分叉。16.根据权利要求1或2所述的玻璃基制品，其中，所述核心区域包括位于所述玻璃基制品的所述表面和与所述表面相对的第二表面之间的中点。17.根据权利要求1或2所述的玻璃基制品，包括碱金属铝硅酸盐玻璃。18.根据权利要求1或2所述的玻璃基制品，其中所述玻璃基制品由包括在0.1摩尔％和20摩尔％范围内的Li2O的玻璃基组合物形成。19.根据权利要求1或2所述的玻璃基制品，其中所述玻璃基制品由包括在0.1摩尔％和10摩尔％范围内的B2O3的玻璃基组合物形成。20.根据权利要求1或2所述的玻璃基制品，其中所述玻璃基制品由包括在0.1摩尔％和10摩尔％范围内的P2O5的玻璃基组合物形成。21.根据权利要求1或2所述的玻璃基制品，其中所述玻璃基制品由基本上不含K2O的玻璃基组合物形成。22.一种装置，包括：壳体，所述壳体具有前表面、后表面和侧表面；至少部分地位于所述壳体内的电气部件；位于所述壳体的前表面处或附近的显示器；和设置在所述显示器上方的覆盖基板，其中所述壳体和所述覆盖基板的至少一者的至少一部分包括权利要求1或2所述的玻璃基制品。23.一种玻璃基制品，所述玻璃基制品具有表面和厚度(t)，所述玻璃基制品包括：外部区域，所述外部区域从所述表面延伸到压缩深度，其中所述外部区域处于中性应力或第一压缩应力下；核心区域，所述核心区域处于第二压缩应力下，所述核心区域包括位于所述玻璃基制品的所述表面和与所述表面相对的第二表面之间的中点，所述第二压缩应力限定具有最大压缩值和最大宽度的压缩峰值，使得所述最大压缩值(以MPa计)与所述最大宽度(以微米计)的长宽比大于2：1；和中间区域，所述中间区域设置在所述表面和所述核心区域之间，其中所述中间区域处于拉伸应力下，其中所述玻璃基制品具有一应力分布，所述应力分布导致所述玻璃基制品中存储的能量防止由表面引起的损坏形成的裂纹穿透所述玻璃基制品的整个厚度。24.根据权利要求23所述的玻璃基制品，其中所述玻璃基制品包括结合在一起的一对玻璃基基板。25.根据权利要求24所述的玻璃基制品，其中所述一对玻璃基基板通过共价键结合在一起。26.根据权利要求25所述的玻璃基制品，其中所述共价键包括Si
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O
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Si键。27.根据权利要求24所述的玻璃基制品，其中所述玻璃基基板与聚合物结合在一起。28.根据权利要求24所述的玻璃基制品，其中所述玻璃基基板通过旋涂玻璃结合在一起。29.一种制造玻璃基制品的方法，包括：提供第一玻璃基基板，所述第一玻璃基基板具有表面、厚度(t1)和从所述表面延伸到压缩深度的外部区域，其中所述外部区域在所述表面处具有第一压缩应力并且具有应力减小
区域，使得所述第一玻璃基基板具有抛物线应力分布；提供第二玻璃基基板，所述第二玻璃基基板具有表面、厚度(t2)和从所述表面延伸到压缩深度的外部区域，其中所述外部区域在所述表...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹森，
申请(专利权)人：康宁公司，
类型：发明
国别省市：