使用非等温的温度分布制造玻璃制品的方法
【专利说明】使用非等温的温度分布制造玻璃制品的方法
[0001]相关申请交叉参考
[0002]本申请根据35U.S.C.§119要求2013年08月15日提交的美国临时申请系列第61/866，162号的优先权，本文以该申请的内容为基础并通过参考将其完整地结合于此。
[0003]领域
[0004]本发明总体涉及用于成形玻璃制品的模具，具体来说，涉及具有三维形状的用于玻璃制品的单侧面模具和使用该模具来成形玻璃制品的方法。
[0005]背景
[0006]玻璃制品可包括作为各种消费者产品中的盖板玻璃，包括例如手机和平板的消费者装置上的互动显示器。随着玻璃制品更加广泛地应用于各种消费者设备，玻璃制品的几何复杂性也增加，因为制造商推动就美学和功能而言的设计范围。例如，某些产品可要求将玻璃制品形成为复杂的形状，例如绕着装置的边缘翘曲的弯曲的部分，由此需要额外的形成操作来获得所需的几何形貌。然而，某些产品的设计要求可规定较窄的偏离目标形状的误差。
[0007]因此，可需要用于形成玻璃制品的替代的模具和方法。
[0008]概述
[0009]根据一种实施方式，制造具有三维形状的玻璃制品的方法包含将玻璃制品坯料加热到凝固温度以上的温度，并将玻璃制品还料偶合到开口模具(open-f aced mo I d)。开口模具包含模塑区域，该模塑区域具有总体对应于玻璃制品的形状的三维形状并在模塑区域之内具有非等温的温度分布。该方法还包含沿着玻璃制品坯料保持非等温的温度分布，并在玻璃制品坯料偶合到开口模具的模塑区域的同时冷却玻璃制品坯料，以凝固(set)玻璃制品的形状。
[0010]在另一种实施方式中，用于形成玻璃制品的模塑设备包含开口模具，该开口模具包含模塑区域。该模塑区域具有接触面，接触面的三维形状总体对应于玻璃制品的形状。将多个排气孔设置在开口模具的模塑区域之内，并延伸穿过接触面。排气孔与真空栗流体连通。在开口模具中设置至少一个冷却通道，其包含设置靠近模塑区域并与开口模具的多个排气孔和接触面流体隔离的部分。该冷却通道在玻璃制品中产生非等温的温度分布。
[0011]又在另一种实施方式中，制造具有三维形状的玻璃制品的方法包含将玻璃制品坯料加热到凝固温度以上的温度，并将玻璃制品坯料偶合到开口模具。开口模具的三维形状不同于玻璃制品的目标形状。此外，开口模具在模塑区域之内具有非等温的温度分布。该方法还包含沿着玻璃制品坯料保持非等温的温度分布，并在玻璃制品坯料偶合到开口模具的模塑区域的同时将玻璃制品坯料冷却到低于粘性温度的温度，以凝固玻璃制品的形状，并从开口模具释放玻璃制品。
[0012]在以下的详细描述中给出了本实施方式的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。
[0013]应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述介绍了各种实施方式，用来提供理解要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各种实施方式的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明了本文所述的各种实施方式，并与说明书一起用来解释要求保护的主题的原理和操作。
[0014]附图简要说明
[0015]图1A示意性地显示根据本文所示或所述的一种或多种实施方式的具有2个弯曲的侧面的玻璃制品的俯视透视图；
[0016]图1B示意性地显示根据本文所示或所述的一种或多种实施方式的具有4个弯曲的侧面的玻璃制品的俯视透视图；
[0017]图1C示意性地显示根据本文所示或所述的一种或多种实施方式的图1的玻璃制品的沿着线A-A所示的俯视横截面视图；
[0018]图2示意性地显示根据本文所示或所述的一种或多种实施方式的玻璃的松弛与其温度和冷却速率的关系；
[0019]图3示意性地显示根据本文所示或所述的一种或多种实施方式的模具和玻璃制品的正面透视图；
[0020]图4示意性地显示根据本文所示或所述的一种或多种实施方式的由面内温度梯度导致的面外位移的建模结果；
[0021]图5示意性地显示根据本文所示或所述的一种或多种实施方式的由在厚度之间(through-thickness)的温度梯度导致的面外位移的建模结果;和
[0022]图6示意性地显示根据本文所示或所述的一种或多种实施方式的具有离子交换表面层的玻璃制品的俯视横截面视图。
[0023]详细描述
[0024]下面详细参考各种实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。图3示意性地显示用于与本文所述的模塑方法联用的模具的实施方式。在一种实施方式中，制造具有三维形状的玻璃制品的方法可通常包含将玻璃制品坯料加热到大于凝固温度的温度，并将玻璃制品坯料偶合到开口模具。开口模具包含模塑区域，该模塑区域具有总体对应于玻璃制品的形状的三维形状并在模塑区域之内具有非等温的温度分布。该方法还包含在玻璃制品坯料偶合到开口模具的模塑区域的同时冷却玻璃制品坯料，以凝固玻璃制品的形状。参考附图，将更加详细地描述制造具有三维形状的玻璃制品的方法以及其中所用的模具的各种实施方式。
[0025]现在参考1A-1C，显示根据本发明制造的玻璃制品。可将玻璃制品结合进入消费者产品例如智能手机或平板电脑。可利用各种技术来形成玻璃制品100，从而玻璃制品具有三维形状。如本文所使用，术语“三维形状”指玻璃制品总体上具有至少部分地从平坦的偏离的形状。例如但不限于，玻璃制品100可具有多种三维形状中的一种，例如如图1A所示的雪橇形状，其中边缘1 2a，1 2b弯曲远离中央部分，或者如图1B所示的碟形状，其中边缘104a，104b ,104c, 104d弯曲远离中央部分。在各种实施方式中，玻璃制品100还可具有基本上平坦的区域106，如图1C中示意性地显示的玻璃制品100的横截面视图所示。利用本文所述的形成技术可提供具有基本上平坦的区域的玻璃制品，该平坦的区域呈现较低的与平面构造的偏差，例如越过玻璃制品100的中央部分偏差小于或等于约200μπι的量。
[0026]玻璃制品100的强度和机械可靠性随它的表面缺陷或瑕疵尺寸密度分布以及材料遭受的随着时间累积的应力暴露而变化。例如，图1A或图1B中的玻璃制品100在制造过程中可遭受各种热应力和机械应力，例如通过形成、模塑和抛光造成。具体来说，玻璃制品100可在靠近模具的模塑区域的高轮廓化(high contoured)部分的位置(例如，在靠近弯曲的边缘102a和102b的点处)呈现高应力场，并在靠近模具的轮廓化更低的模具的模塑区域呈现低应力场(例如，在靠近图1C所示的基本上平坦的区域106的点处)。在一些实施方式中，玻璃制品100在强化过程例如在离子交换加工中进一步遭受应力。
[0027]在一实施例中，玻璃制品100遭受由玻璃中面内和在厚度之间的热梯度造成的应力。这种热梯度可来自在将玻璃制品坯料101形成为玻璃制品100时玻璃制品坯料101 (示于图3)所经历的不同的加热和冷却速率。例如，可从用来形成玻璃制品100的模具300(示于图
3)、模具的中央和模具的边缘的不同加热和冷却速率、玻璃制品坯料101和模具300之间的不同的接触情况等将这些热梯度赋予玻璃制品坯料101。这些热梯度可为玻璃制品100诱导内部应力和/或导致玻璃制品100的不利的变形或翘曲。然而，可利用热梯度来在玻璃制品100中赋予受控的变形或翘曲。例如，在各种实施方式中，热梯度可使玻璃制品坯料101翘曲成所需的三维形状。当在特定的温度范围中将这些热梯度引入到玻璃制品坯料1I时，在使玻璃制品100冷却之后该玻璃制品100可在有翘曲的情况下凝固。由此，该翘曲改变玻璃制品100的三维形状。或者，可利用热梯度来在玻璃制品中赋予超过设计公差的受控的变形或翅曲，从而补偿由下游制造工艺造成的玻璃制品100的后续的翅曲。
[0028]图2的图表显示根据本文所述的一种或多种实施方式的玻璃组合物的松弛随冷却速率的变化。在该图表中，X轴表示冷却速率(单位是°C(C)/秒(s))，而y轴表示凝固区温度(单位是。C (C))。应理解图片上所示的数值本质上只是说明性的，并可随玻璃组合物而变化。该图表显示粘性区202，粘弹区或凝固区204，和弹性区206。如图2所示，粘性区202指其中玻璃中的大于约95 %应力已经松弛的状态。粘弹区或凝固区204指其中玻璃中约90 %压缩应力到约10%的压缩应力已经松弛的状态。弹性区206指其中玻璃中小于约5%压缩应力已经松弛的状态。在一些实施方式中，所述粘度区之间的边界可取决于特定实施方式而变化。例如，粘性区到粘弹区之间的转变可发生在约90%-约95%的松弛，粘弹区和弹性区之间的转变可发生在约5 % -约10 %松弛。
[0029]当将玻璃制品坯料101形成为玻璃制品时，将玻璃制品坯料101加热到玻璃制品坯料101不再处于弹性区206的温度。在各种实施方式中，将玻璃制品坯料101加热到大于凝固温度的温度。对于给定的冷却速率，凝固温度是可在玻璃中形成应力的温度。可取决于各种因素，来选择将玻璃制品坯料1I所加热到的温度。在一些实施方式中，当将玻璃制品坯料101加热到大于凝固温度的温度时，玻璃制品坯料101进入粘性区202或粘弹区204。加热之后，将玻璃制品坯料101引入到模具300进行成形。
[0030]图3显示根据本文所述的