用于减轻涂覆玻璃中的强度和/或应变损失的方法和设备技术

提供了方法和设备：具有第一失效应变特性、第一弹性模量特性和挠曲强度的玻璃基材；在玻璃基材上施涂涂层，以产生复合结构，从而增加其硬度，其中，涂层具有第二失效应变特性和第二弹性模量特性，其中，第一失效应变特性高于第二失效应变特性；以及以下一种情况：(i)第一弹性模量特性高于最小预定阈值，从而减轻了由于施涂涂层所导致的玻璃基材的任意挠曲强度下降；以及(ii)第一弹性模量特性低于最大预定阈值，从而减轻了由于施涂涂层所导致的玻璃基材的任意失效应变的下降。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本申请根据35U.S.C.§119，要求2014年8月28日提交的美国临时申请系列第62/042,966号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。技术背景本文涉及在经涂覆的玻璃基材结构中保留高强度和/或应变的方法和设备。许多消费者产品和商用产品采用高质量的覆盖玻璃片来保护产品内的关键器件，为输入和/或显示器提供用户界面和/或提供许多其他功能。例如，移动装置，如智能电话、mp3播放器和平板电脑等，通常在产品上采用一块或多块高强度玻璃片，来同时保护产品并实现前述用户界面。在此类应用以及其他应用中，玻璃优选是耐用的(例如，耐划痕和抗碎裂)、透明的和/或抗反射的。事实上，在智能电话和/或平板应用中，覆盖玻璃通常是用户输入和显示的主要界面，这意味着覆盖玻璃会优选展现出高耐用性和高光学性能特性。有证据表明，产品上的覆盖玻璃可能显著暴露于苛刻操作条件，碎裂(例如裂纹)和划痕可能是最常见的。此类证据暗示锋利接触、单次损坏事件是移动产品中的覆盖玻璃上的可见裂纹(和/或划痕)的主要来源。一旦在用户输入/显示元件的覆盖玻璃上划伤了明显裂纹或划痕，产品的外观下降，由此引起的光散射的增加可能导致显示器性能的明显下降。明显的裂纹和/或划痕还会影响触摸感应显示器的精度和可靠性。由于单次严重裂纹和/或划痕，和/或多次中等程度的裂纹和/或划痕都是不可见的，并且都会明显影响产品性能，它们常常导致消费者的抱怨，特别是对于诸如智能手机和/或平板之类的移动装置而言。为了降低产品的覆盖玻璃发生划痕的可能性，已经提出将覆盖玻璃的硬度增加到约15GPa或更高。增加给定玻璃基材的硬度的一种方法是向玻璃基材施涂膜涂层或膜层，从而产生展现出相比于裸玻璃基材具有更高硬度的复合结构。例如，可以向玻璃基材施涂钻石状碳涂层，以改善复合结构的硬度特性。事实上，钻石展现出100GPa的硬度；但是，由于材料的高成本，对于此类材料的使用是很节制的。虽然向玻璃基材的顶部增加涂层可以改善结构硬度，并由此改善覆盖玻璃的耐划痕性，但是涂层可能劣化基材的其他特性，例如基材的挠曲强度和/或基材的失效应变。玻璃基材的强度和/或失效应变的下降可能导致更高的裂纹易感性，特别是深裂纹的易感性。因此，本领域需要新的方法和设备以实现玻璃基材上的高硬度涂层的需求。
技术实现思路
向玻璃基材施涂涂层可能存在许多原因，例如为了实现某些电特性、光学性质、半导体特性等。通常来说，相比于较软的表面，较硬的表面展现出更好的耐划痕性。但是，用于为特定应用实现某些强度和或失效应变特性的给定基材组合物可能无法展现出所需的表面硬度水平，因此无法展现出所需的耐划痕性水平。因此，可以向玻璃基材施涂涂层以解决表面硬度问题。例如，购自康宁有限公司(CorningIncorporated)的氧化物玻璃(例如玻璃)，已经被广泛地用于消费者电子产品。此类玻璃被用于常规玻璃的强度和/或失效应变不足以实现所需性能水平的应用中。通过化学强化(离子交换)制造玻璃，从而实现高水平的强度，同时维持所需的光学性质(例如，高透过性、低反射率以及合适的折射率)。适用于离子交换的玻璃组合物包括碱性铝硅酸盐玻璃或者碱性铝硼硅酸盐玻璃，但是也可以是其他玻璃组合物。离子交换(IX)技术可以在经处理的玻璃中产生高水平的压缩应力，并且适用于薄的玻璃基材。对于本文的挠曲强度的确定，可以使用环上环测试，这是用于在环境温度下的先进陶瓷的单调等双轴挠曲强度的已知测试方法(参见例如ASTMC1499-09)。环上环测试覆盖了经由同心环构造下，在单调单轴负荷情况下，确定先进脆性材料的双轴强度。此类测试已被广泛接受，并用于评估玻璃基材的表面强度。对于本文实施方式所进行的环上环实验，可以在约为2英寸乘以2英寸的试样尺寸上，采用1英寸直径支撑环和0.5英寸直径负荷环。环的接触半径可以约为1.6mm，以及头速度可以约为1.2mm/分钟。在涂覆的玻璃制品中，可以通过环上环方法测量表面挠曲强度或者表面失效应变，也可以使用其他类似方法，例如环上球。当涂层处于张力时，通常观察到与涂层相关的强度下降，在这些测试中，这意味着制品的经涂覆的表面在内(负荷)环或球的相反表面上(例如，经涂覆的表面在制品处于负荷下形成的“碗形外侧”上)。通常采用已知统计学方法(例如，统计学平均值或者威布尔特性强度)来描述特性强度。对于一组样品(测试中的每组样品有至少10个标称相同的样品)，通常将这些值称作威布尔特性强度或者威布尔特性失效应变。虽然玻璃展现出非常合乎希望的强度性质，但是此类玻璃的硬度约为6-10GPa。如上文所述，对于许多应用，更合乎希望的硬度可能约为15GPa或更高。注意的是，出于本文的目的，术语“硬度”指的是布氏硬度测试，其测量单位是GPa，并且采用了用于测试材料的压痕硬度的纳米压头尖端。尖端是三侧金字塔，其是几何自相似的，具有较平坦轮廓，总内角(includedangle)为142.3度，半角为65.35度(从一个金字塔平面的主轴测量)。或者也可以使用其他硬度测试。如上文所述，增加给定玻璃基材的硬度的一种方法是施涂膜涂层或膜层，从而产生展现出相比于裸玻璃基材具有更高硬度的复合结构。此外，如上文所述，此类涂层可能劣化玻璃基材的强度和/或失效应变。例如，用于改善玻璃基材的硬度的涂层可能通常具有的弹性模量(Ec)高于玻璃基材的弹性模量(Es)，例如Ec大于或等于约100GPa以及Es约为70GPa。此外，由于涂层相比于玻璃的较高应力，通常可能在涂层中引发裂纹动力学，这是当涂层与玻璃基材牢固粘附时涂层和玻璃中的相等应变的方式实现的。裂纹动力学还可通过渗透进入玻璃基材的裂纹进一步表征，其在负荷下克服了玻璃基材的压缩应力(CS)，并最终由于持续负荷导致扩展贯穿玻璃基材。可以通过如下破碎力学框架的方式，对经涂覆的玻璃基材的复合结构中的挠曲强度的损失进行力学表述。εM是平行于加于涂层和玻璃基材上的表面双轴施加的宏观应变，作用在未开裂涂层上的净应变σc和作用在未开裂玻璃基材上的净应变σs如下所示：其中，和是涂层和玻璃基材中的残留应力，是平面内模量，以及指的是施加的宏观应力。为了评估由于涂层所导致的玻璃基材中发生的挠曲强度下降的多少，需要参照状态(即，对照样)，其如图1所示。对照样品是具有预先存在的玻璃瑕疵10的离子交换(强化)玻璃基材102。可以通过分析对照样品的强度分布，来估算预先存在的玻璃瑕疵(裂纹)的尺寸。假定在裂纹尺寸上的残留应力是均匀的，因为玻璃瑕疵尺寸通常是亚微米或者微米区间。通过对比，考虑经涂覆的玻璃基材，其包括玻璃基材102和具有涂层裂纹的涂层104，所述涂层裂纹与玻璃基材102的预先存在的玻璃瑕疵相连，如图2所示。由于玻璃基材102中的预先存在的玻璃瑕疵10所产生的涂层104中的沉积缺陷或应力集中，导致可能产生此类情形。在该情况下，对于hc<a，在图1中的裂纹尖端的模式I应力强度因子，可表述如下：其中，以及对于以及fs＝1.1215-fc.(等式5)但是，已经发现，通过对玻璃基材102和/或涂层104的某些特性进行了适当考虑，可以在涂覆之后实现玻璃基材102的挠曲强度和/或失效应变下降的减轻。例如，方法和设备可以包括：提供具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，所述方法包括：提供玻璃基材，所述玻璃基材具有第一失效应变特性、第一弹性模量特性以及挠曲强度；在所述玻璃基材上施涂涂层，以产生复合结构，其中，所述涂层具有第二失效应变特性和第二弹性模量特性，其中，所述第一失效应变特性高于所述第二失效应变特性；以及对所述第一弹性模量特性进行选择，从而具有以下一种情况：(i)所述第一弹性模量特性高于最小预定阈值，从而减轻了由于施涂所述涂层所导致的所述玻璃基材的任意挠曲强度下降；以及(ii)所述第一弹性模量特性低于最大预定阈值，从而减轻了由于施涂所述涂层所导致的所述玻璃基材的任意失效应变下降。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.28 US 62/042,9661.一种方法，所述方法包括：提供玻璃基材，所述玻璃基材具有第一失效应变特性、第一弹性模量特性以及挠曲强度；在所述玻璃基材上施涂涂层，以产生复合结构，其中，所述涂层具有第二失效应变特性和第二弹性模量特性，其中，所述第一失效应变特性高于所述第二失效应变特性；以及对所述第一弹性模量特性进行选择，从而具有以下一种情况：(i)所述第一弹性模量特性高于最小预定阈值，从而减轻了由于施涂所述涂层所导致的所述玻璃基材的任意挠曲强度下降；以及(ii)所述第一弹性模量特性低于最大预定阈值，从而减轻了由于施涂所述涂层所导致的所述玻璃基材的任意失效应变下降。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于以下至少一种：所述第一失效应变特性大于约1％，以及所述第二失效应变特性低于约1％；以及所述第一失效应变特性大于约0.5％，以及所述第二失效应变特性低于约0.5％。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于以下至少一种：所述玻璃基材的所述第一弹性模量特性的所述最低预定阈值至少约70GPa；所述玻璃基材的所述第一弹性模量特性的所述最低预定阈值至少约75GPa；所述玻璃基材的所述第一弹性模量特性的所述最低预定阈值至少约80GPa；以及所述玻璃基材的所述第一弹性模量特性的所述最低预定阈值至少约85GPa。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于以下至少一种：所述玻璃基材的所述第一弹性模量特性的所述最大预定阈值不超过约65GPa；所述玻璃基材的所述第一弹性模量特性的所述最大预定阈值不超过约60GPa；所述玻璃基材的所述第一弹性模量特性的所述最大预定阈值不超过约55GPa；以及所述玻璃基材的所述第一弹性模量特性的所述最大预定阈值不超过约50GPa。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂层的所述第二弹性模量特性是以下至少一种：至少40GPa、至少45GPa、至少50GPa、至少55GPa、以及至少60GPa。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在施涂了所述涂层之后，所述复合结构的所述挠曲强度是以下至少一种：至少200MPa、至少250MPa、至少300MPa、至少350MPa、以及至少400MPa。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃基材是未经离子交换的玻璃。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃基材是经过离子交换的玻璃。9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涂层包括以下一种或多种：氮化硅、氧氮化硅、碳化硅、氧碳化硅、氮化铝、氧氮化铝(AlON)、碳化铝、氧碳化铝、氧化铝、钻石状碳、纳米晶体钻石、氧化物以及氧化铟锡(ITO)。10.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：在所述玻璃基材上施涂所述涂层之前，向所述玻璃基材施涂中间涂层，以产生所述复合结构。11.一种设备，所述设备包括：玻璃基材，所述玻璃基材具有第一失效应变特性、第一弹性模量特性以及挠曲强度；以及施涂在所述玻璃基材上以产生复合结构的涂层，其中，所述涂层具有第二失效应变特性和第二弹性模量特性，其中，所述第一失效应变特性高于所述第二失效应变特性，其中：对所述第一弹性模量特性进行选择，从而具有以下一种情况：(i)所述第一弹性模量特性高于最小预...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·J·埃利森，S·高梅兹，S·D·哈特，胡广立，J·C·莫罗，J·J·普莱斯，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US