[发明专利]玻璃的酸强化

说明书

相关申请交叉参考

本申请要求2011年11月10日提交的美国临时申请序列第61/558105号的优先权，本申请以其内容为基础并通过参考将其全文结合于此，相当于全文引用于本文。

技术领域

本发明一般涉及玻璃强化方法。更具体来说，本文所述的各种实施方式涉及利用酸性介质强化玻璃制品的方法，使得经过酸强化的玻璃制品表现出改进的耐挠曲应变性和耐冲击破坏性，还涉及由此生产的经过酸强化的玻璃制品和使用经过酸强化的玻璃制品的装置。

背景

目前非常需要具有用于消费电子装置如蜂窝电话、媒体播放器、计算机和电视机的信息显示器中所需光学和机械特性的玻璃制品。电子装置的制造商和使用者所高度评价的这些制品的性能属性包括：较小的厚度，极佳的光学性质，较高的耐表面磨损性，以及足以承受冲击或外加弯曲应力造成的断裂或破碎的强度，等等。

玻璃制品的耐冲击和挠曲破坏性一般通过标准化的挠曲(弯曲)断裂应力测试和落球(冲击)测试来确定。已知通过这些方法测定的玻璃制品测量强度可能变化很大，在很大程度上取决于测试用玻璃的制备方式和测试前的操作方式。对于包含玻璃制品的消费应用而言，表示强度变化性减小的落球和弯曲强度测试结果和表示高总体强度的结果对于装置设计者而言同样重要。

有一些对信息显示器所用薄玻璃制品(如厚度小于或等于约2毫米)的机械性质进行改进的方法可供商业应用或处于广泛开发之中。用于改进冲击和挠曲强度的玻璃回火方法是众所周知的，包括例如化学回火(离子交换强化)方法，该方法能在这些片材表面中得到高水平的压缩应力。

如上所述，虽然玻璃回火方法能生产对冲击和挠曲破坏表现出非常高的耐受性的制品，但在回火之后测得的强度水平可能出现不利的变化性，一些样品具有高强度，而另一些具有明显减小的强度。已将这些强度变化性至少部分归因于回火之前制品中存在的操作引发的表面缺陷。为了解决强度变化性问题而开发的措施之一是玻璃蚀刻处理，该处理能在回火之前或之后从玻璃制品中消除存在缺陷的表面。一般来说，这种处理包括使用基于氟化物的化学蚀刻剂，包括诸如HF、NaF和NH₄HF₂之类的化合物。

虽然已经显示玻璃表面蚀刻方法能有效地减小经过回火的玻璃制品中的强度变化性，但是在使用这种方法时，甚至除了蚀刻剂如HF的高成本以外，仍要注意一些问题。最重要的是HF的操作要求，这是大规模制造环境中的重要问题。此外，氟化物蚀刻产生大量的副产物氟化物，如Na₂SiF₆、K₂SiF₆、CaF₂等，这些副产物沉淀并集合后会在蚀刻槽中形成淤渣。必须定期清除并处置这些淤渣，花费很高。

氟化物蚀刻剂的侵蚀性也很成问题。虽然仅仅通过集中式的表面缺陷消除或减少处理就应足以改进玻璃强度，但包含氟离子的溶液会迅速地蚀刻玻璃制品的整个表面。因此，对于进行处理的每一百万平方英尺的玻璃，即使与蚀刻溶液如HF/H₂SO₄溶液进行短暂接触(如2分钟-5分钟)，也能有效地从存在缺陷的制品中除去小至1.5微米的表面玻璃，等于除去约1500磅玻璃，产生多达10000-20000磅蚀刻后的玻璃废液。

与使用侵蚀性蚀刻剂相关的其他问题包括不均匀表面消除的可能性。这种消除的不利结果可包括降低制品的表面平整性或厚度，这可能干扰精确的电子装置沉积，以及因为一般性的表面雾化或表面反射率的局部变化而导致玻璃光学性质的降低。广泛性蚀刻还可能暴露出之前仅作为无法检测和无害的表面下片材损坏而存在的表面划痕。

上述问题清楚表明，仍然需要改进的玻璃制品强化方法，这些方法能提供制品强度方面的显著改进，同时不会增加强度变化性，也不会增加成本或降低现有商用玻璃强化工艺的功效。

简要概述

本文所述为利用酸性介质强化玻璃制品的各种方法，以及经过强化的玻璃制品和包含经过强化的玻璃制品的电子装置。