具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明一较佳实施例的超薄高铝盖板玻璃的冷弯成型制法，可以在不加热玻璃的前提下完成玻璃稳定弯曲，其原理是利用玻璃在强化后具有表面压应力，当玻璃两面的应力处于平衡状态下时，玻璃会维持在刚化时的原有形状，亦即，若进行强化时是平面，则强化后仍是平面；若强化时是曲面，则强化后仍是曲面。此时，若对强化后的玻璃板的其中一面进行减薄，也就是将玻璃表面移除一层厚度，一般而言，这层厚度仅为数微米至数十微米，被轻微减薄的玻璃面的表面压应力也跟着降低，于是玻璃板两面的应力失去平衡，玻璃板就会朝应力大的表面凸起，也就是形成弓形，且弓是朝向表面压应力较大的方向，减薄厚度会改变应力大小，所以可以借由调整减薄位置、面积、厚度等因素来控制玻璃板的整体弯曲形状。反之，若强化后的玻璃板本身就是规律弯曲的形状，例如弓形弯曲，也可以借由减薄凸出面的玻璃表面而将玻璃板回复到平面的形状。

具体而言，本发明的第一步骤是使玻璃板表面产生压应力：主要是先使一玻璃板的二表面产生压应力，用以利用压应力强化该玻璃板的二表面。其方式，是先选取合适的高铝盖板玻璃，按照预定的厚度与尺寸大小进行裁切、开裂，并对开裂后的玻璃边缘进行修整，尽量避免产生崩边、崩角与微裂纹。再将裁切好的玻璃板清洗干净，干燥后进行刚化，使该玻璃板表面产生压应力，刚化方式可为化学刚化或物理刚化，本实施例是化学刚化，用以使该玻璃板的二表面经过离子交换产生表面压应力，而具预定厚度的应力层，化学刚化温度可以设定在380-470℃之间，视实际需要而定，刚化时间一般在4小时以上，也根据实际需要的DOL而定，化学刚化后将玻璃板表面所沾附的硝酸钾清除干净。

一般化学钢化法用于传统钠钙玻璃板时，其DOL多半介于12-20μm之间，对应的σ_s大约在450-600MPa范围，因为σ_s也同时受到玻璃成分的影响，所以即使相同的DOL，对于不同的玻璃品牌型号所造成的化学成分差异，所得到的σ_s也会不同。同理，将化学钢化法用于高铝硅酸盐盖板玻璃的商业化量产时，以0.7mm厚度玻璃为例，其DOL多半是介于25-40μm之间，σ_s大约介于650-1000MPa。化学钢化后的玻璃板可以大幅提高抵抗外部撞击的能力约10-15倍，远优于物理钢化后的2-3倍。

本发明的第二步骤是使玻璃板弯曲：是在不会造成该玻璃板表面压应力消失的温度下(包括但不限于常温)，利用将该玻璃板的一表面减薄的方式，使该玻璃板因二表面的压应力不平衡而发生弯曲变形，主要是依据所需的玻璃板形状与事先设计好的玻璃板弯曲度计算出减薄图样、减薄深度，来控制该玻璃板表面减薄的位置、面积与厚度，减薄厚度是依据所测量化学刚化的离子交换层深度DOL与表面压应力σ_s来计算，是控制在不超过被减薄玻璃板表面的压应力层深度，减薄图样计算出后，依照图样于玻璃板表面进行覆膜(敷盖抗酸膜)，再将覆膜玻璃板进行化学减薄，此处所谓的化学减薄为业界已知技术，只要能将未敷盖抗酸膜的玻璃表面以蚀刻的方式均匀的移除玻璃表面结构，并得到均匀的减薄效果，并维持玻璃表面平整与光洁的化学减薄工艺都可以用来执行这里所称的玻璃减薄，所使用的化学减薄液可以是业界任何一种已知的酸性药液。此外，玻璃减薄也可以使用蒙砂法、研磨抛光法、激光烧蚀法、热酸蒸浴法等等可以对玻璃表面进行减薄的任一方法，皆可应用于此出所称的玻璃减薄。

此外，玻璃板的两个外表面所产生的压应力差异可以是一种均匀分布的应力差，也可以是不均匀的应力差，前者会造成玻璃板出现对称变形弯曲，后者会造成不对称的变形弯曲，借由控制玻璃表面减薄的区域位置与面积大小、减薄的厚度等因素，就可以控制玻璃板各个位置的弯曲力矩(Bending moment)，进而控制玻璃板在各个位置的弯曲度(曲率)。减薄后，再将玻璃板清洗，进行厚度、形状与弯曲率的测量及质量管理，并与后续胶合工艺进行衔接。

由上可知，本发明针对高铝薄板玻璃不易热弯成型这个技术难题，提供一种不用升高温度就可以将高铝盖板玻璃弯曲成型的方法，亦即，将高铝盖板玻璃先经过离子交换并达到预期的化学强化效果后，再于常温下使用局部化学减薄的方法，使得玻璃基板两个外表面具有不同的压应力，利用此应力差的原理，达到玻璃随应力分布而自然弯曲的结果。

换言之，本发明该制法可以视为一种应力冷弯的方法，此种高铝盖板玻璃使用应力冷弯的曲面成形方法可以适用于汽车仪表显示、车窗、全景天窗、显示器保护盖板、与其他消费性电子产品的外观保护，特别是对于高铝盖板玻璃不适于使用高温软化成型的场合，在不需要模具的情况下可以直接于室温下完成玻璃弯曲工艺，可以避免玻璃热弯成型工艺中所造成的诸多缺点。再者，与热弯成型工艺比较，应力冷弯工艺的设备与操作相对简单许多，不但成本低且产品再现性高，极具竞争优势。更甚者，此种应力冷弯工艺不仅可以应用于化学强化后的高铝盖板玻璃，同样的原理与方法也可以应用于其他化学强化与物理刚化后的玻璃，包括钠钙玻璃板。

以下，详细说明本发明该制法的应力冷弯工艺原理：

式中符号说明：

T:温度；

t:时间；

K:热传导率；

ρ:密度；

C_p:比热；

x:玻璃板厚度方向坐标值；

y:玻璃板长度方向坐标值；

R:曲率半径；

k:玻璃热扩散率(k＝K/ρ·C_p)；

h:玻璃板厚度；

D:离子扩散系数；

C:离子浓度；

B:晶格膨胀常数(Lattice dilation constant)；

σ_s:玻璃表面的压应力(Surface compressive stress)；

σ_c:玻璃中央区的张应力(Central tension stress)；

ν:柏松比(Poisson’s ratio)。

如图1a和图1b所示，若玻璃厚度为t，经过化学刚化使硝酸钾熔盐中的钾离子交换位于玻璃表面与内部的钠离子后，由于钾离子体积略大于钠离子体积，因而造成钾离子在玻璃表面产生挤压效应，同时在玻璃表面造成压应力σ_s(Surface compressive stress)，并在玻璃中央部位产生相应的张应力σ_c(Central tension stress)。此时，若离子交换深度为DOL，则依据应力平衡原理，可以得到下列公式：

当玻璃表面存在压应力时，中央区也会对应存在张应力，此时，σ_s可以造成玻璃表面的强化，但σ_c会弱化玻璃中央区的抗撞击能力。

高铝盖板玻璃的化学强化，其过程中主要是以离子交换方式将玻璃表面的金属离子与外部熔盐中较大的金属离子互换，通常互换的离子具有相同的电价位，例如，目前业界最常用的组合是使用融熔硝酸钾中的钾离子置换玻璃表面的钠离子，温度约在390℃至470℃之间。由于钾离子的体积略大于钠离子，于是造成玻璃表面因体积效应而产生压应力，同时在玻璃中央部位相应产生张应力。玻璃表面的压应力可以提升玻璃表面抵抗外力撞击的能力，但玻璃中央区的张应力会弱化玻璃中央的抗撞击能力。

对于外部离子在足够温度下，可以经由玻璃表面扩散进入玻璃内部时，此扩散行为可以用菲克扩散定律(Fick’s diffusion law)来表示：

边界条件(Boundary condition)为

C＝C₁，当(玻璃板的右表面)

C＝C₂，当(玻璃板的左表面)

起始条件(Initial condition)为

C＝C₀当t＝0且C₀＜C₁，C₀＜C₂

当经过离子交换过程后，若玻璃板左右两面的外来离子浓度相同，意即C₁＝C₂，依据扩散定律，外来离子在玻璃右半部的浓度分布可以如下表示：

此处误差函数(Error function)的定义为：

且满足erf(0)＝0，erf(1)＝0.8427

同理，玻璃板的左半边的外来离子浓度分布可以如下表示：

因为C(x)是x的函数，所以平均浓度C_av可以对整板厚度进行C(x)积分获得，意即对于积分，结果如下：

此处，

此时，对于玻璃板厚度由左面到右面的应力分布可用下列公式表达：

此处，B为晶格膨胀常数(Lattice dilation constant)。

由此，可以推算玻璃在两个表面的压应力σ_s与位于压应力区之间的中央张应力σ_c：

由公式(8)与(9)中的应力分布曲线，呈现左右对称形式，当外部较大体积的离子扩散进入玻璃内时，其表面浓度分布与表面压应力呈现一致趋势，意即浓度越高的区域所产生的压应力也越大。此时，若玻璃板的任一单边的表面被减薄，也就是除去表面一层，若自右边S1玻璃面移除一层玻璃且厚度为Δh，则图1b中右半部的厚度减少Δh，但于留下来的玻璃其离子浓度分布曲线与之前的相同，不会因为表面减薄而重新分布。但应力分布曲线会因为左半边的压应力减少，减薄后的玻璃板在x轴(厚度)方向必然要重新调整应力分布，以使得整体的压应力与张力力重新得到平衡。

根据公式(3)，若右半边的厚度自表面减少Δh，则右表面的外来离子浓度将成为：

整理后可得：

此时，在x的位置，其应力值可由公式(8)计算得到：

于是，玻璃板左右两面的压应力不相等，产生压应力差，会造成玻璃板弯曲，由于左边没有减薄其压应力较大，会将玻璃板两端边缘压向右边，此现象可以用下列表达式表达：

将公式(10)代入公式(12)可得到Δσ与Δh的数学关系。

其次，对于四边未被固定的薄板，当受到一均匀压应力时会发生变形，此时因为应力关系，如图2所示，其弯曲力矩(Bending moment)M为：

上式中w为作用于薄板上的均匀压应力，L为板长；此处w也代表薄板左右两面的应力差，因此，可以将w视为Δσ，亦即w＝Δσ。

上述这种两面应力不平衡所造成的薄板弯曲所形成的弓面也适用于此处所讨论的高铝玻璃薄板。此处弓形高度δ可以用下列公式表达：

此处L为玻璃板长边长度，R为弓形的曲率半径(Radius of curvature)。R值与玻璃薄板的材料机械特性有着密切关连，可以用下列公式表达：

将公式(13)代入公式(15)，经过整理后可以得到公式(16)如下：

再将公式(12)中的Δσ代入公式(16)中，整理后可得到

若再将公式(16)与(17)分别代入公式(14)，整理后可以得到

上式中负号代表弓形弯曲是凸向左方，项目代表材料因子，代表玻璃板的几何因子，C₁-C′_x代表因为两边的外来离子浓度差异而造成的压应力差。

由公式(18)可以得知，当C′_x→C₁时弓高δ→0，反之，当C′_x→0时弓高δ会出现最大值δ_max。同理，板长L增加或板后h减少均会造成弓高δ的增加。

针对相同材质、长宽形状、厚度的高铝盖板玻璃，公式(18)可以简化为

上式中的常数

如图3中所示，当Δh＝DOL时，玻璃板右面的离子交换层已经被完全移除，此时C_x′＝0，导致σ_x′＝0，结果是Δσ＝σ_s，此时是两个玻璃表面的压应力差最大值。由此，若右边玻璃继续被减薄，则Δh＞DOL，同时玻璃的中央张应力层直接暴露于右表面。当张应力区继续被减薄，此时因为σ_s已经达到压应力的最大值，不会继续提升玻璃板的弯曲力矩(Bendingmoment)，但随着Δh在张应力区的增加，张应力区的厚度逐渐减少，依据公式(1)并重新整理后，可以得到张应力σ_c与减薄后的玻璃板厚度h-Δh及σ_s(玻璃左面的压应力)之间的关系：

此公式适用于(h-DOL)＞Δh＞DOL (21)

对于特定玻璃样品而言，DOL、h、σ_s均已固定，当Δh增加时(继续对玻璃减薄)，σ_c会持续增大，直到Δh→(h-DOL)，此时σ_c→∞，意即在玻璃继续减薄的过程中，中央张应力将会一路增加，并提供玻璃板弯曲的新动力，直到此张应力超过玻璃的材料破坏强度而导致拨提断裂或破碎为止。

进一步讨论在张应力区所形成的弯曲力矩，若σ_c ⁰代表Δh＝DOL时的张应力，则

重新代入公式(13)(14)(15)，可得到M、R、δ：

上式中项目代表材料因子，代表玻璃板的几何因子，代表中央区被减薄后所增加的张应力。由公式(24)可以得知，当时弓高δ_c→0，表示玻璃板的弓高仍然维持在原先的δ，也就是由压应力差所造成的弓高。反之当时弓高δ_c会随着张应力的升高而增加，直到玻璃破裂。同理，板长L增加或板厚h减少均会造成弓高δ的增加。

针对相同材质、长宽形状、厚度的高铝盖板玻璃，公式(25)可以简化为

上式中的常数

当减薄厚度超过DOL时，作用在玻璃板上的弯曲力矩是由两部分组成，在Δh≤DOL时的δ与Δh＞DOL时的δ_c。若Φ代表这两种原因所造成的弓高总和，则

由公式(27)可以观察得到，前者是由压应力层中的外来离子浓度决定，后者是由中央区的张应力增加幅度来决定弓高。此处也应该被注意到的，就是压应力层里的外来离子浓度与张应力层里的σ_c ⁰，都是由离子交换中的工艺条件所决定的，最终产出的表面压应力σ_s与压应力层深度DOL，在加上玻璃本身的材料特性，特别是杨氏系数与松柏比，就成为影响应力弯曲变形的主要因素，当然，玻璃的几何因素，例如长度与厚度也是应用此方法进行弯曲工艺设计时的基本因素。

针对中央张应力σ_c，整理后可以下列公式表达：

1.当Δh＝0时，

2.当0＜Δh＜DOL时，在此区间中央张应力会随Δh增加而降低。

3.当Δh＝DOL时，

4.当DOL＜Δh＜(h-DOL)时，在此区间中央张应力会随Δh增加而增加，张应力会增加弯曲的效果，再加上原先的压应力所产生的弯曲效应，两者相加后的弯曲力矩使得玻璃板继续弯曲直到玻璃破裂。

再者，当作用于玻璃板表面的应力变成非均匀分布时，上述数学关系仍然存在，但不同之处在于弯曲力矩会随着不同的应力分布而改变，也因此会造成不同的弯曲形状。例如图4中所显示的情况是应力非均匀分布情况中最单纯的一种，图中应力以不均匀的方式分布于B点到C点之间，于是形成偏向右方的弯曲力矩，弯曲形状与弓高也因此而改变。图4中的状况只是在玻璃板的长轴(长边)做非均匀分布，若同时在短轴(宽边)也同时进行非均匀分布的应力分布，则玻璃板的弯曲形状将会沿着长、宽两边同时发生不均匀的弯曲，最终整个玻璃板的弯曲形状将由平衡后的弯曲力矩决定。

在工艺实施方法上，要做到非均匀的应力分布，可以简单的采取玻璃板局部减薄，因为被减薄的位置会出现应力差与弯曲力矩，没有减薄的位置仍然处于应力平衡(无应力差)的状态，控制玻璃板单面或两面减薄的位置与厚度，可以决定玻璃板的弯曲形状，特别是非对称型的弯曲形状。

以下，举本发明该制法的数个实施例与相关参数：

实施例1：

本例使用彩虹特种玻璃的高铝盖板玻璃，型号Irico CG-01，厚度0.7mm；使用标准化强炉内置硝酸钾(纯度99％以上)，化强温度为400℃，化学刚化后使用日本折原制作所的FSM-6000LE表面应力仪测量DOL与σ_s。玻璃试样大小为140mm x 70mm，所有玻璃试片均经过边缘处理并尽量消除边缘微裂纹，经过整理后的玻璃片均先经过清洗与干燥，然后置入化强炉中进行化学刚化。化学刚化时间会根据所需的DOL而定，范围可以从4小时到48小时。

将经过化学刚化后的玻璃试样经过清洗与干燥后进行DOL与σ_s测量。本例中，化学刚化玻璃的离子交换深度为40μm，测得的表面压应力为858MPa，CG-01高铝盖板玻璃的材料参数整理于表1，可以用来计算与验证数学模型与实验结果。

表1

化学刚化后的样品将其中一玻璃面使用抗酸膜敷盖，另一面完全裸露并置于化学药液中进行蚀刻，化学药液主要成份为硫酸与氢氟酸的混合液，硫酸浓度为5％，氢氟酸浓度为2％，在此药液中将化学刚化后的玻璃试样减薄到指定厚度，样品经过化学蚀刻并减薄后即可进行形状与弓高测量，对于整板均匀应力分布的玻璃板样品而言，弓高可以用来计算曲率半径，所以也代表玻璃的弯曲率。

不同减薄厚度Δh与相对应发生弯曲后的弓高δ经过测量后整理于表2，并依据前述的数学公式分别计算出每个减薄厚度下所量侧的弓高与计算得到的弯曲半径R，压应力差Δσ，由压应力差所分摊产生的弓高δ，以及当Δh>DOL后的张应力σ_c，与张应力所引起的弓高δ_c。表2中显示在Δh＝0时可由公式(1)计算得到σ_c＝10.74，此时弓高为0，玻璃板处于应力平衡状态；当DOL>Δh>0时，δ由压应力差所产生，如表2中第二项；当Δh＝DOL时Δσ＝σ_s，可以利用公式(21)计算得到材料因子的数值，此处计算得到的数值为4.8x10^{- 12}MPa^-1，这个数值比使用表1中的杨氏系数与泊松比所计算出来的数值2.58x10^-12 MPa^-1要大一点，这符合预期，因为表1中的数值是没有离子交换前的状态，当钾离子由玻璃表面逐渐扩散进入玻璃内部时，因为晶格扩张效应强化玻璃内部结构，因此材料因子会稍有增加，就如同化学刚化后的玻璃表面硬度会增加一样的道理。当Δh>DOL时可以由公式(21)、(22)与(25)计算得到σ_c、Δσ_c与δ_c三项数值，并同时可以计算出此时残留的压应力差Δσ与相应的δ。

表2

实施例2：

本例使用的玻璃板试样与例1中相同，唯一差别是离子交换深度不同，例2中的DOL为67μm，测得的表面压应力为789MPa，采用与例1中相同的样品制备方式与计算方法，得到材料因子的数值为6.99x10^-12MPa^-1。测量与计算结果整理于表3：

表3

实施例3：

本例使用的玻璃板试样与例1中相同，唯一差别是离子交换深度不同，例3中的DOL为92μm，测得的表面压应力为722MPa，采用与例1中相同的样品制备方式与计算方法，得到材料因子的数值为8.83x10^-12MPa^-1。测量与计算结果整理于表4：

表4

实施例4：

本例使用廊坊南玻公司所生产的低铝玻璃，型号NB3，厚度0.7mm；使用标准化强炉内置硝酸钾(纯度99％以上)，化强温度为400℃，化学刚化后使用日本折原制作所的FSM-6000LE表面应力仪测量DOL与σ_s。玻璃试样大小为140mm x 70mm，经过整理后的玻璃片均先经过清洗与干燥，然后置入化强炉中进行化学刚化，材料参数整理于表5。

表5

化学刚化后的DOL为24.5μm，测得的表面压应力为666MPa，采用与例1中相同的样品制备方式与计算方法，得到材料因子的数值为3.38x10^-12MPa^-1，未化学刚化前的玻璃材料因子数值使用表5中的参数计算值为2.50x10^-12 MPa^-1，符合预期，比化强后的数值略小。测量与计算结果整理于表6：

表6

实施例5：

本发明的第二步骤中，不同减薄图案可以产生各种玻璃表面的弯曲形状，形成应力非均匀分布于玻璃表面，因而影响玻璃最终的弯曲形状，图5中所示即为各种图案所产生的曲线图，这里仅是举例但应力冷弯技术不限于这些图案与弯曲形状。

必须一提的是，本发明该制法中减薄工艺可以使用下列中的任何一种或多种方法，但不限于下述方法，例如：化学蚀刻法、蒙砂法、研磨抛光法、激光烧蚀法、离子撞击减薄法、热酸蒸浴法等，且所使用的熔盐包括但不限于硝酸钾、硝酸钠、或与硝酸钾可以共熔的其他金属盐类。其次，玻璃板两面的表面压应力在减薄前可以是不平衡或不均匀状态，包括但不限于浮法玻璃的锡面在化学刚化时会降低离子交换速率，造成玻璃板锡面的表面压应力小于空气面，此时仍可使用应力冷弯方法借由玻璃表面减薄来制作弯曲形状玻璃，也可以适当的对空气面减薄，消除化学刚化后的玻璃弯曲。

综上所述，本发明所提供的超薄高铝盖板玻璃的冷弯成型制法，主要是指将高铝盖板玻璃冷弯的方法，是先将超薄高铝盖板玻璃板经由化学强化处理后，再使用局部化学减薄的方法，使玻璃板两个外表面具有不同的压应力，利用此应力差的原理，达到玻璃板随应力分布而自然弯曲的结果，可避免高温加热，不需要热弯模具而直接在室温下完成玻璃板的弯曲，此等针对高铝盖板玻璃使用应力冷弯的曲面成形方法可以适用于汽车仪表显示、车窗、全景天窗、显示器保护盖板、与其他消费性电子产品的外观保护，特别是对于高铝盖板玻璃不适于使用高温软化成型的场合，本方法工艺设备简单、易控、生产成本远低于玻璃板的高温软化成型工艺，甚具实用价值者。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。