[发明专利]冲击引起的裂纹在脆性材料中的扩展

说明书

本申请要求2006年10月26日提交的、题为“冲击引起的裂纹在脆性材 料中的扩展(IMPACT INDUCED CRACK PROPAGATION IN A BRITTLE MATERIAL)”的美国专利申请第11/588051号的权益，其完整内容并入本文。

技术领域

本申请涉及脆性片材的分离，更具体地，涉及因在脆性材料上施加机械能 而沿刻划线产生裂纹以及裂纹的扩展。

背景技术

有两种常规技术可用于对脆性材料如玻璃、无定形玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷 材料的片材进行切割或成形，形成一片具有所需构造或几何特征的材料。

第一种常规方法是对片材进行机械刻划，也就是用坚硬器件如金刚石针尖 或钨针尖刻划脆性材料表面，然后该材料由于外加的显著弯曲力矩而沿刻划线 断裂。一般地，弯曲力矩是通过绕刻划线对脆性材料进行物理弯曲而施加的。 然而，弯曲运动量和片材运动量必须得到严格控制，因为弯曲可能沿刻划线造 成多处断裂源，甚至可能导致裂开(即裂纹自刻划线向外延伸)。而且，垂直于 片材方向的大幅度弯曲还有可能干扰片材形状(它可能具有稍微拱起的形状)， 同时，在弯曲片材、分离后再释放片材的过程中，弯曲过程会导致片材展平， 这有可能显著增加片材应力。在最糟糕的情况下，若片材拱起得太高，弯曲分 离将不起作用。此外，弯曲分离可能引起边缘摩擦的发生，沿边缘产生碎屑。

第二种常规技术是激光刻划，如美国专利第5776220号所述。典型的激光 刻划包括用连续波长激光加热脆性材料的局部区域，然后立即通过施加冷却剂 使受热区骤冷，冷却剂有气体或水之类的液体。经激光刻划的材料可通过机械 刻划中所用的弯曲法进行机械断开来实现分离，也可利用能量更高的第二激光 束来实现分离。使用能量更高的第二激光束可实现无弯曲分离。然而，这种分 离较慢，而且往往难以控制裂纹的扩展。第二激光束还会产生热裂口和高残余 应力。

因此，需要一种能实现快速、可重复、均匀分离的方法，它能使脆性片材 经历的弯曲最少，而且能最大程度减少对片材的操作。还需要一种能最大程度 减少干扰的分离方法，可用于垂直形成工艺(拉制)或水平形成工艺(例如浮法玻 璃)。还需要减少通常与剧烈弯曲分离相伴的扭梳纹(twist-hackle)变形，提高分 离边缘的质量。需要一种沿刻划线对脆性材料进行稳定分离的方法，它不需要 对材料进行物理弯曲，也不会产生极端温度梯度。特别需要一种能在极短时间 内(短于1秒)从连续移动的脆性材料带上分离板片的方法，它能减少可沿材料 带向上游扩展的外来干扰。

发明内容

本发明提供了通过冲击负荷快速分离脆性材料的方法，它不需要施加弯曲 力矩，也不会产生显著的剪切运动。本系统还提供了从连续移动的脆性材料带 上快速、可重复、均匀地分离脆性材料板片的方法，它减少了对材料带的干扰。 本系统在用于分离脆性片材时，还可减少在借助大弯曲力矩进行分离时常观察 到的扭梳纹，从而提高了边缘质量，减少了分离引起的玻璃粒子。

本系统可用于分离静态、独立或固定的片材，但也可特别用于从材料带上 分离板片，还可用于从移动的玻璃带上分离玻璃板。研究还发现，本系统对高 于300℃的热玻璃具有良好效果。

一般地，将来自振动针尖的冲击能施加到脆性材料上，产生裂纹，使裂纹 沿预先形成的刻划线扩展。冲击能通常施加在材料上与刻划线相反一侧的刻划 线局部区域内，使冲击能产生的应力沿刻划线在材料中产生张力，从而以最佳 方式产生裂纹并使之扩展，但片材沿垂直于片材的方向的运动最小。

在另一种方式中，在施加冲击能之前，通过向刻划线施加横向负荷促进脆 性材料沿刻划线的分离。由于施加了负荷，片材张紧，片材侧向硬度增加，使 刻划线底部的应力集中度增加，从而有利于裂纹的形成。较高的片材侧向硬度 还有助于裂纹沿刻划线扩展。通过选择冲击能、接触力、接触速度和沿刻划线 的张力的大小，本系统可用于以不同速率分离多种脆性材料。冲击能的振动频 率若太低，将影响分离速度。

在当前从连续玻璃带分离玻璃板的方式中，本发明控制和/或减少了有害干 扰的产生，这种干扰可在材料带中向上游迁移，对玻璃带的形成过程产生不利 影响。本发明还可高速(例如短于1秒)分离玻璃，对制造工艺的动态应用来说， 这有时是很关键的。在恰当的条件设置下，本发明可在不到1秒的时间内分离 超过2米宽的材料。