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您当前的位置： 铝硅酸盐盖板玻璃化学冷弯减薄面的再强化方法与流程
2021-01-31 04:01:43|
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本发明属于玻璃加工技术领域，具体涉及铝硅酸盐盖板玻璃化学冷弯减薄面的再强化方法。
背景技术：
汽车材料轻量化是目前在车用材料技术发展与节能减碳领域的重要课题，其中汽车玻璃的轻量化也是重点之一。目前市售的前挡风玻璃与天窗多数是使用两片物理刚化的钠钙玻璃板，中间夹一层聚乙烯醇丁醛树酯(polyvinylbutyral,pvb)胶膜黏合而成。若要藉由降低玻璃厚度达到减重的效果，同时不能降低胶合后的玻璃窗组合的机械性能，就受限与钠钙玻璃本身强度与物理刚化对于玻璃板的厚度要求这两项因素所制约。要克服此一制约因素，可以将钠钙玻璃板改由高铝玻璃钙板置换，高铝硅酸盐盖板玻璃因其铝硅含量高所以具有比传统钠钙玻璃更大的强度，可以用比较薄的厚度达到传统钠钙玻璃的强度。
目前一般钠钙玻璃板的厚度都在2mm以上，且玻璃软化点温度较低，约在580～620℃左右(因厂牌型号而异)，可以精准加工且生产良率高，但高铝盖板玻璃比较薄，厚度多半在1.8mm以下，且软化点温度高达900℃上下，如此高的温度使得高铝玻璃无法与钠钙玻璃同炉同步进行热弯工艺，就算单独进行热弯，也常常会因为高温加热下的薄板玻璃容易因为温度分布不均匀而使得玻璃弯曲度不到位、或因热传不均匀引起的表面波纹或皱折、以及因徐冷不完全而导致的边角的热应力、以及其他因高温与薄板这两个因素所引起的缺陷。上述这个问题就是目前阻碍使用高铝薄板玻璃来轻量化汽车玻璃的主要难点。再者，当两片经过前期许多种加工后的半成品玻璃要进行胶合时，再整个工艺过程中已经投入相当多的资源并产生相当的制造成本，此时若是胶合时发现形状或弯曲面无法密合，将会造成相当大的成本损失，而且强化后的玻璃，重工难度极高，目前行业内确实发生强化后的高铝玻璃与钠钙玻璃胶合时出现不密合的难题，原因多半是由高铝盖板玻璃所引起，因为不能密合的主要原因是两片玻璃的弯曲度不一致。而化学冷弯法就是针对此以难点提出解决方法，简单易用，室温下操作，不需要高温模具，因此大幅降低成本，适合批量生产应用。
超薄中高铝玻璃的化学冷弯方法是可以在不加热玻璃的前提下完成玻璃彎曲，其原理是利用玻璃在物理钢化或化学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，玻璃会维持在物理钢化或化学强化时的原有形状，亦即，若进行物理钢化或化学强化时是平面，则物理钢化或化学强化后仍是平面；若物理钢化或化学强化时是曲面，则物理钢化或化学强化后仍是曲面。此时，若对应力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著降低，于是玻璃板两面的應力失去平衡，玻璃板就会朝应力大的表面凸起，也就是形成弓型，且弓朝向表面压应力较大的一方，减薄厚度会改变应力大小，所以可以藉由调整减薄位置、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，例如弓型弯曲，也可以藉由减薄凸出面的玻璃表面而将玻璃板回复到平面的形状。先前技术如美国专利号us10273184b2中提到针对厚度在不超过0.3mm的玻璃板在强化炉中以弯曲方式进行强化，强化后再胶合到另外一片硬板上，并藉此将强化后的弯曲玻璃贴平，以达到对单一玻璃面的增强效用，这中曲面强化玻璃被强行压平后，原先的凸出面会被挤压而形成新的压应力，具有表面再次强化的效果，但另一面(原先的凹面)会被张开，其表面压应力会下降，所以选用这一面与硬板贴合，如此，可以形成外表面更强的胶合玻璃，这其中虽然也提到玻璃板两边具有不同的压应力，但其目的不是为了弯曲玻璃，也没有应用到对玻璃表面进行减薄，且其所述技术仅限于玻璃厚度不超过0.3mm，存在一定的技术瓶颈。再者，先前技术如美国专利us9302937b2中也曾述及，针对平板玻璃与管状玻璃进行内、外两个玻璃面再不同条件下进行强化，使之产生不同的表面压应力，藉由降低其中一面的压应力来达到降低玻璃中央区的张应力，再以胶合的方式形成三明治结构来达成平板胶合玻璃强化的目的，同时抑制玻璃因应力不均所产生的微彎曲，也就是说，再这篇专利中，玻璃因为应力不均衡所导致的弯曲被视为缺陷，且这篇专利中也未提到可以藉由玻璃表面减薄来控制玻璃的弯曲成型。再者，先前技术如美国专利us2018370852a1中曾述及一种利用玻璃板两面应力不同的方式进行玻璃弯曲的方法，其方法是使用离子植入(ion-implantation)技术将玻璃板的一个表面进行高能物理的金属离子植入，再将这片玻璃放入化学刚化炉中进行离子交换，有金属离子植入的那一面玻璃的离子交换速率会降低，因而导致玻璃两面压应力不同，因此在化强过程中就变型弯曲，这个方法的缺点是(1)离子植入是相对比较昂贵的工艺，且是否适合用加工大型窗户玻璃，例如车窗，仍值的商榷；(2)化强炉温度高达400℃以上，在高温下形成的弯曲形状比在常温下要难操作，且高温时的形状等降温到常温时还会因为温差有所变异。同时，这篇专利申请中并没有提到玻璃表面减薄这个常温下操作的简易方法。因此目前待要解决的技术问题之一就是如何使该超薄中高铝玻璃板的二个表面产生具预定厚度的应力层，如何利用减少玻璃板预定厚度的方式，来控制该玻璃板的弯曲变形。
进一步地，上文所述汽车前档或天窗使用的高铝盖板玻璃在化学冷弯之前都需要经过玻璃钢化处理，目前实践证明，厚度2.0mm以下的玻璃很难用物理钢化法进行钢化，因此要达到物理刚化后的玻璃强度，特别是玻璃表面的压应力(compressivestress,σs)，玻璃需要維持在2mm以上厚度(有关物理刚化的要求与具体细节请参阅王承遇等的著作，不在此赘述)。但是可以使用化学离子交换的方法进行化学强化，这种化学强化的方法可以应用于任何厚度的高铝钙板玻璃，因此没有玻璃板厚度的限制，且化学强化后的高铝玻璃板的表面强度可以是物理刚化后的钠钙玻璃板的2至3倍，可以大幅提升玻璃表面防撞击能力。化学强化法是不受玻璃厚度限制，因此，对于高铝盖板玻璃厚度低于2mm的玻璃板，同样可以使用化学强化法进行玻璃表面强化。但是对于经过无论是化学强化或物理钢化后的高铝盖板玻璃在经过「化学冷弯」方法处理后，随之带来的问题是玻璃板被减薄的区域会因为表面压应力层的部分或全部被移除而造成表面压应力下降，这会导致原先经过玻璃钢化处理后应力强化的效果在这些被减薄的区域大幅下降，甚至于消失。因此产生了另外一个新的技术问题就是如何使得减薄区域的表面应力可以重新提升。
一般而言，狭义的玻璃化学强化系指针对含有氧化钠成分的硅酸盐玻璃，在硝酸钾熔盐中，使用离子交换的方式，在约380-460℃的范围，用熔盐中半径较大的钾离子(半径0.133nm)置换玻璃网络中半径较小的钠离子(半径0.098nm)以挤压玻璃表面的网络结构，改变玻璃表面成分，经离子交换后挤塞的体积效应在玻璃表面形成预压应力层，以阻止表面裂纹受力扩展，达到提高玻璃力学强度的目的，因钾离子的体积略大于钠离子的体积，因此，当玻璃表面发生钾离子取代钠离子后，如图1所示，会在表面形成压应力，此压应力层的深度一般即指离子交换层深度(depthofion-exchangedlayer,dol)，所形成的表面压应力(compressivestress,cs，代表符号：σs)的大小会受到玻璃成分及离子交换深度等因素影响。介于玻璃板两外表面的压应力层之间的区域是中央张力区(centraltension,ct，代表符号：σc)，玻璃在化学强化过程中其表面压应力与中央部位的张应力是保持平衡的，当玻璃表面因为有压应力而增强抵抗外力撞击的能力时，中央区会因为产生张应力而弱化。一般化学强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σs大约在450-600mpa范围，因为σs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σs也会不同。同理，将化学强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，σs大约介于650-900mpa。化学强化后之玻璃板可以大幅提高抵抗外部撞击的能力约10-15倍，远优于物理刚化后的2-3倍。广义的玻璃化学强化是指任何可以使用离子交换的方式将玻璃表面的某种金属离子置换出来，而新置入到玻璃表面的外来离子通常是同电荷价位但体积略大于原先玻璃表面的离子，在提供足够动能时可以离子交换方式扩散进入玻璃并达到表面强化的目的。因此，含有钠离子的玻璃在硝酸钾熔盐中进行钾离子与钠离子的交换仅是行业内最常用的玻璃化学刚化方式，但不是唯一的方式，其他以离子交换方式进行的玻璃化学强化可以在许多参考文献中见到，不再此赘述，本发明申请仅以行业内常用的钾、钠离子在高铝盖板玻璃中的离子交换，所形成的化学刚化玻璃为例进行说明，但不受限于此种离子交换方式所形成的化学刚化玻璃。
尽管高铝盖板玻璃可以使用化学强化的方式得到高表面强度，但这种表面压应力所产生的表面强度主要是由控制离子交换时的外部离子浓度、温度与时间来决定，以钾、钠离子交换为例，当温度约在420℃且反应时间约在4～5小时左右，可以得到大约750-900mpa的表面压应力(不同厂牌型号的高铝玻璃会因玻璃组成份不同而略有差异)，此表面压应力系由钾离子在玻璃内的分布所造成，此时若将化学强化后的玻璃进行二次加热且温度高于离子交换温度，会给玻璃内的钾离子足够动能并引起钾离子继续向玻璃内部扩散，如此就会破坏原先的钾离子浓度分布并且让玻璃表面的钾离子浓度降低，造成表面压应力减小，亦即玻璃表面被弱化。此外，不但化学强化后的玻璃板不适宜再次加热，也因为中央区的张应力会弱化中央区的强度，所以对于强化后的玻璃板再次进行切割与其他机械加工时会比强化前更易于崩边或破损。同样的情况也发生在物理刚化后的玻璃板，所以，在制作玻璃车窗时，无论化学强化的高铝玻璃板或是物理刚化的钠钙玻璃板都需要先进行几何结构的加工，亦即诸如切割、钻孔、磨抛以及热弯等等与尺寸及玻璃弯曲度有关的工艺都应该先完成，然后才各自进行强化工艺，强化后再将玻璃板进行胶合工艺，最后是完成所有的表面装饰工艺。
技术实现要素：
针对铝硅酸盐盖板玻璃不易热弯成型这个技术难题，此处提供一种不用升高温度就可以将铝硅酸盐盖板玻璃弯曲成型的方法，具体说明，就是将铝硅酸盐盖板玻璃先进行玻璃钢化再使用局部化学减薄的方法，对于高铝玻璃薄板(厚度2.0mm以下)就是先经过离子交换并达到预期的化学强化效果后，再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。这种常温下的工艺操作可以视为一种因为玻璃表面减薄造成两表面压应力不均匀所导致的弯区方法。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，藉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(bendingmoment)，进而控制玻璃板在各个位置的弯曲度(曲率)。
为了达到上述目的，采取以下具体的技术方案：
铝硅酸盐盖板玻璃化学冷弯成型工艺具体为：在玻璃板两表面经由玻璃刚化方法在玻璃板表面产生表面应力，此时将其中一表面减薄，使得玻璃因为两面的应力不平衡而发生弯曲变形，使用此一特性并加以控制，达到玻璃弯曲的目的，获得化学冷弯减薄的铝硅酸盐盖板玻璃。
其中，使玻璃板表面产生压应力的玻璃钢化方法为化学强化或物理刚化之一，化学强化是指使该玻璃板经过离子交换产生的表面压应力，物理刚化是指使该玻璃板经过升温后急速降温所形成的表面热应力。
其中，该减薄工艺在常温下进行，或是任何不会造成玻璃表面应力消失的温度下进行；该减薄工艺为化学减薄、机械减薄方法的任意一种。
其中，该减薄工艺为化学蚀刻法、蒙砂法、研磨抛光法、激光烧蚀法、离子撞击减薄法、热酸蒸浴法中的任意一种。
本发明所述铝硅酸盐盖板玻璃选择为高铝盖板玻璃时，厚度一般在2.0mm以下。
高铝盖板玻璃化学冷弯成型工艺包含有以下步骤：使玻璃板表面产生压应力：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；使玻璃板弯曲：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。
进一步地，所述高铝盖板玻璃厚度在2.0mm以下时仅能使用化学强化法，亦即离子交换方式，来产生玻璃表面的压应力。此处所称的化学强化为一般习知技术，凡是可以在玻璃表面进行离子交换并形成玻璃表面压应力的方式皆包括。
进一步地，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强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；此时仍可使用化学冷弯与减薄面的再次强化方法来制作弯曲形状玻璃，也可以适当的对空气面减薄，消除化学强化后的玻璃弯曲。
进一步地，使玻璃板弯曲的步骤是在不会造成该玻璃板表面压应力迅速消失的温度下进行。
进一步地，减薄的步骤是在常温下进行。
进一步地，使玻璃板表面产生压应力的步骤是使该玻璃板的二个表面产生具预定厚度的应力层，而使玻璃板弯曲的步骤是利用减少玻璃板预定厚度的方式，控制该玻璃板的弯曲变形。
进一步地，减薄的厚度是控制在不超过被减薄玻璃板表面的压应力层深度。
进一步地，控制该玻璃板弯曲变形的方式，是依据所需的玻璃板形状与弯曲度所计算出来的减薄图样，来控制该玻璃板表面减薄的位置、面积与厚度。
进一步地，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σs来计算。
进一步地，计算出减薄图样后，依照图样于玻璃板表面进行覆膜，再将覆膜玻璃板进行化学减薄。
进一步地，减薄的位置与面积是以相同或不同的图案来实施，该图案包括，对称的或不对称的点状、线状、网格状、点阵状等，所形成的玻璃板弯曲形状包括对称与不对称形状。
更具体地，所述高铝盖板玻璃的冷弯成型制法包括以下步骤：
步骤s1选取合适之高铝盖板玻璃，按照预定的厚度与尺寸大小进行开裂，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。
步骤s2将裁切好的玻璃板清洗乾净，于干燥后移至装有融熔硝酸钾的盐浴炉内进行化学强化，化学强化后的玻璃板应清洗乾净，将玻璃板表面所沾附的硝酸钾清除乾净。
步骤s3测量化学刚化的离子交换层深度dol与表面压应力σs，作为计算减薄深度的依据，减薄深度是由事先设计好的玻璃板弯曲度计算出来的。
步骤s4依据玻璃板设计的形状与彎曲度所计算出来减薄图样，依照图样进行覆膜，此处所说的膜是指抗酸酸膜，然后将覆膜玻璃板浸入化学减薄池中，此减薄过程可以在常温下进行，所使用的化学减薄液可以是业界任何一种习知的酸性药液。
进一步地，步骤s2所述化学强化温度设定在380-470℃之间，视实际需要而定；强化时间一般在4小时以上，也根据实际需要的dol而定。
进一步地，步骤s4所谓的化学减薄为业界习知技术，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。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。
针对于上述冷弯成型后超薄高铝盖板玻璃，由于其经过局部或全部的化学减薄或机械研磨减薄，此时的减薄工艺可以使得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，可以造成玻璃板随著两个面的应力分布而形成弯曲面的型状，但玻璃板被减薄的区域会因为表面压应力层的部分或全部被移除而造成表面压应力下降，这会导致原先钢化的效果在这些被减薄的区域大幅下降，甚至于消失。
为了改善上述现象，本发明采取以下技术方案：
高铝盖板玻璃化学冷弯减薄面的再进行化学强化的方法，使得减薄区域的钢化效果可以重新提升，甚至整体高铝盖板玻璃的应力层深度可以比原先的深度更增加，经过这种方法处理后的高铝盖板玻璃不但可以保持冷弯后的曲面形状，也同时具有化学强化后的高表面压应力与更高的应力层深度。
进一步地，所述高铝盖板玻璃化学冷弯减薄面的再次进行化学强化之前可以选择采用加热处理冷弯成型后的超薄高铝盖板玻璃。
进一步地，减薄面经过再次强化后的表面压应力不低于450mpa，应力层深度不低于20μm。
由于玻璃板减薄面的表面压应力(cs)与应力层深度(dol)会因为表面压应力层被移除一部分或全部而被减损，此时可以将以弯曲的玻璃板先经加热处理，再进行化学离子交换，于是可以再次提升减薄面玻璃的表面压应力，并大幅提升应力层深度，且维持玻璃板保持弯曲的形状。
进一步地，所述加热处理冷弯后的玻璃板，是一种使得玻璃板的正常面与减薄面都因为温度升高而发生应力松弛(stress-relaxation)的过程，当玻璃表面的钾离子受到足够的热能来克服在玻璃结构内进行扩散(diffusion)的活化能时，钾离子就会由表面的高浓度区域向玻璃中央的低浓度区域前进，钾离子进入玻璃内部的难度会随著扩散深度而逐渐增加，所以这是一个数学上复杂的过程，无法用简单的线性关系描述。随著钾离子逐渐深入玻璃内部，就表示应力层深度dol在增加，但是玻璃表面的钾离子浓度会逐渐向玻璃内部扩散而减少，因此会导致玻璃表面的压应力会逐渐降低，这个过程就是所谓的应力松弛现象，而加热就是可以造成应力松弛的方法之一。藉由控制热处理温度与时间可以调整玻璃板两个表面的应力状况，可以为接下来的离子交换打好基础，有利于控制离子交换后的cs、dol、以及曲面形状，特别是希望曲面玻璃板除了能再次有比较高的cs外，也希望能增加dol，那么再次离子交换前的热处理较变得非要不可。众所周知的，对于超薄高铝玻璃板这类型产品而言，高cs代表会有较好的抗撞击能力，高dol表示会有较佳的耐刮伤能力，商业应用上总是希求高cs与高dol。
更具体地，所述冷弯成型后的高铝盖板玻璃的减薄面再强化的工艺，具体包括：
步骤s100将上述经过冷弯成型减薄后的玻璃清洗乾净，移除残留于玻璃表面的硝酸钾与其他盐类，充分干燥后，此时玻璃板已经形成曲面，此曲面玻璃选择不加热处理或者选择置入一马弗炉中进行加热处理，使玻璃板经过适度的应力松弛；
步骤s200将完成步骤s100的玻璃移入化学强化炉中以盐浴方式进行离子交换，完成盐浴后，将玻璃清洗乾净并干燥，然后进行品质检验并完成整个施工程序。
进一步地，步骤s100所述加热处理具体是经过温度不低于380℃的环境中加热至少60分钟，使得玻璃两表面中压应力较高的一面，即未减薄面的压应力适度下降到不低于200mpa的状态。
进一步地，步骤s100所述加热处理具体为升温至380～460℃之间，持温不超过4小时。
进一步地，步骤s200所述盐浴具体为：盐浴选择添加具有切断以si-o-si键为代表的玻璃的网络的性质的选自由kno3、k2co3、khco3、k3po4、k2so4、koh构成的组中的至少1种盐(以下，有时也称为“熔剂”。)。
进一步地，所述盐浴的熔剂以kno3为主，其摩尔含量不低于90％；所述盐浴温度为380～460℃；时间不超过4小时。
本发明显著的优点在于：
(1)本发明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。具体地说本发明提供了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。
(2)本发明中提出一种解决方法，使得减薄区域的化学钢化效果可以重新提升，甚至整体高铝盖板玻璃的应力层深度可以比原先的深度更增加，经过这种方法处理后的高铝盖板玻璃不但可以保持冷弯后的曲面形状，也同时具有化钢后的高表面压应力与更高的应力层深度。本发明专利中所述方法可以应用于高铝盖板玻璃所制作的冷弯玻璃板可以适用于汽车仪表显示、车窗、全景天窗、显示器保护盖板、建筑玻璃、冰柜门、以及相关的日用家电与消费性电子产品，本方法工艺设备简单、易控、生产成本低、适合商业化量产应用。
附图说明
图1中的(a)图δh＝0时的σs、σc、dol与玻璃板厚度h的示意图及其数学关系；
(b)图δh＜dol时的σs、σc、dol与玻璃板厚度h的示意图。
图2是说明玻璃板整板受到均匀应力时所形成的弯曲力矩与弯曲形状示意图。
图3说明当dol＜δh＜(h-dol)时，σs、σc、dol与玻璃板厚度h的示意图。
图4是说明玻璃板受到非均匀应力分布时所形成的弯曲力矩与弯曲形状示意图。
具体实施方式
为进一步公开而不是限制本发明，以下结合实例对本发明作进一步的详细说明。
以下详细说明本发明高铝盖板玻璃的冷弯成型原理：
符号说明：
t:温度；
t:时间；
k:热传导率；
ρ:密度；
cp: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·cp)；
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(latticedilationconstant)；
σs:玻璃表面的压应力(surfacecompressivestress)；
σc:玻璃中央区的张应力(centraltensionstress)；
ν:柏松比(poisson’sratio)。
如图1所示，若玻璃厚度为t，经过化学刚化工艺使得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σs(surfacecompressivestress)，并在玻璃中央部位产生相应的张应力σc(centraltensionstress)。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：
因为玻璃破碎行為是受到压应力σs与张应力σc共同作用下所产生的结果，根据我们实验室试验结果，发现当玻璃表面没有压应力(中央区也没有相对应的张应力)时，玻璃破碎纹理会呈现径向长条且尖锐的形状；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，σs可以造成玻璃表面的强化，但σc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fick’sdiffusionlaw来表示：
边界条件(boundarycondition)为
c＝c1，当
c＝c2，当
起始条件(initialcondition)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濃度分布可以如下表示：
此处误差函数(errorfunction)的定义为：
且满足erf(0)＝0，erf(1)＝0.8427
同理，玻璃板的左半边之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cav可以对整板厚度进行c(x)积分获得，意即对于
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(latticedilationconstant)。
由此，可以推算玻璃在两个表面的压应力σs与位于压应力区之间的中央张应力σc：
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1中(b)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，此现象可以用下列运算式表达：
将公式(10)代入公式(12)可得到δσ与δh的数学关系。
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(bendingmoment)m为：
上式中w为作用于薄板上之均匀压应力，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为弓形之曲率半径(radiusofcurvature)。r值与玻璃薄板的材料机械特性有著密切关连，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：
在将公式(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，
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cx′＝0，导致σx′＝0，结果是δσ＝σs，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σs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)，但随著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σc与减薄后的玻璃板厚度h-δh及σs(玻璃左面的压应力)之间的关系：
对于特定玻璃样品而言，dol、h、σs均已固定，当δh增加时(继续对玻璃减薄)，σc会持续增大，直到δh→(h-dol)，此时σc→∞，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σc0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
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δc。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σc0，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σs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σc，整理后可以下列公式表达：
1.当δh＝0时，
2.当0＜δh＜dol时，
3.当δh＝dol时，
4.当dol＜δh＜(h-dol)时，
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。
具体地，本发明冷弯玻璃板减薄后的减薄面再强化的工艺施作步骤如下：
1.选取合适之高铝盖板玻璃，按照预定的厚度与尺寸大小进行开裂，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。
2.将裁切好的玻璃板清洗乾净，于乾燥后移至装有融熔硝酸钾的盐浴炉内进行化学强化。化学强化温度可以设定在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。化学强化后的玻璃板应清洗乾净，将玻璃板表面所沾附的硝酸钾清除乾净。
3.测量化学强化的离子交换层深度dol与表面压应力，作为计算减薄深度的依据，减薄深度是由事先设计好的玻璃板弯曲度计算出来的。
4.依据玻璃板设计的形状与彎曲度所计算出来减薄图样，依照图样进行覆膜，此处所说的膜是指抗酸酸膜，然后将覆膜玻璃板浸入化学减薄池中，此减薄过程可以在常温下进行，所使用的化学减薄液可以是业界任何一种习知的酸性药液。此处所谓的化学减薄为业界习知技术，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。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。
5.将减薄后的玻璃清洗乾净，移除残留于玻璃表面的硝酸钾与其他盐类，充分乾燥后，此时玻璃板已经形成曲面，将此曲面玻璃置入一马弗炉中，视需要升温至380～460℃之间，持温不超过4小时，使玻璃板经过适度的应力松弛。
6.将完成步骤5的玻璃移入化学强化炉中以盐浴方式进行离子交换，盐浴操作温度可视需求介于380～460℃之间进行离子交换时。完成盐浴后，将玻璃清洗乾净并乾燥，然后进行品质检验并完成整个施工程序。
实施例1
热处理对于化学强化后的玻璃表面cs与dol的影响与再次化学强化的功效：
本实施例使用彩虹特种玻璃之高铝盖板玻璃，型号iricocg-01，厚度1.0mm；使用标准化强炉内置硝酸钾(纯度99％以上)，化强温度为400℃，持温时间4小时，化学强化后使用日本折原制作所之fsm-6000le表面应力仪测量dol与cs。玻璃试样大小为50mmx50mm，厚度1.0mm，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乾燥，然后置入化强炉中进行化学强化。
在化学强化过程中，玻璃被浸泡在400℃的熔融硝酸钾中，在此期间钾离子由玻璃表面进入玻璃并将玻璃内的钠离子交换出来，经过4小时后，钾离子在玻璃表面与内部可以形成如图1所示的应力分布，此应力分布也约略代表钾离子的浓度分布。将经过化学强化后的玻璃试样经过清洗与乾燥后进行dol与cs测量。本实施例中，化学强化玻璃的离子交换深度约为26μm，测得的表面压应力平均数据为917mpa，cg-01高铝盖板玻璃的材料参数整理于表1。
表1
将化强后的平板玻璃试样放置于450℃的箱型炉中持温4小时，然后将样品取出待冷却后测量cs与dol，发现玻璃板两面经过热处理引发的应力松弛后，cs值降低至约240mpa，dol增加至约57μm，此一结果充分证明热处理可以促进分布于玻璃表面的钾离子(如图1)重新或的向玻璃内部扩散的动力，随着钾离子向玻璃中央区移动，于是应力层深度dol明显增加，也因此位于玻璃表面的钾离子浓度下降，所以cs大幅降低。可以预测的是，当热处理时间足够长时，钾离子在玻璃板内部会趋向平均分布，也就是趋向于没有内外浓度差异，此时，cs也会趋向于零，并且随著玻璃内外钾离子的浓度差异逐渐消失，fsm-6000le表面应力仪也就无法藉由光干涉的原理测量dol的数值，也就是说，当玻璃内部的钾离子浓度过低时，低于fsm-6000le表面应力仪的灵敏度，该区域的低浓度钾离子就会被忽略。
将热处理后的玻璃试样，亦即cs为240mpa及dol为57μm的玻璃试样置于化强炉内，于400℃持温2小时，样品取出冷却后经过清洗、干燥再测量cs与dol。
如表2所示，经热处理后已经应力松弛的玻璃样品经过400℃，2小时的再次离子交换后，cs达到822mpa，代表钾离子再次进入玻璃并重建应力分布，可以预期的是，随著随着离子交换时间的延长将可以让更多的钾离子进入玻璃内，并继续提高cs值。再观察dol的情况，可以发现fsm-6000le表面应力仪可以测量到的应力层深度约在45μm附近，比第一次化强后的26μm要深很多，但略小于热处理(应力松弛)后的57μm，推测原因就是在400℃再次离子交换时，原先在玻璃内的钾离子继续向玻璃中央区扩散，且浓度更为稀薄，其中位于扩散前缘的一部分钾离子浓度已经低于表面应力仪的检测下限，所以无法测出，而45μm的数值是应力仪可以测出信号的部份。藉由对平板高铝玻璃试样的实验数据可得知，热处理可以消除部分化强后的玻璃表面应力，且可以经过再次离子交换提升表面应力且增加应力层深度。
表2
实施例2
热处理与再次离子交换对于冷弯后曲面玻璃的表面压应力(cs)与应力层深度(dol)之影响：
本实施例使用彩虹特种玻璃之高铝盖板玻璃，型号iricocg-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℃，持温时间4小时，化学强化后使用日本折原制作所之fsm-6000le表面应力仪测量dol与cs。玻璃试样大小为130mmx70mm，厚度0.7mm，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乾燥，然后置入化强炉中进行化学强化。
在化学强化过程中，玻璃被浸泡在400℃的融熔硝酸钾中，在此期间钾离子由玻璃表面进入玻璃并将玻璃内的钠离子交换出来，经过4小时候，钾离子在玻璃表面与内部可以形成如图1所示的应力分布，此应力分布也约略代表钾离子的浓度分布。将经过化学强化后的玻璃试样经过清洗与乾燥后进行dol与cs测量。本实施例中，化学强化玻璃的离子交换深度约为25μm，测得的表面压应力平均数据为933mpa，所有化学强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5wt％，氢氟酸浓度为2wt％，在此药液中将化学刚化后的玻璃试样减薄12μm，样品经过化学蚀刻并减薄后已经形成弯曲形状夫且dol已降为9μm、cs降为194mpa，这两个数据将被用来作为重新建立高dol与cs的新的基准点。此时再将所有试样分为两组：a组与b组，a组样品先经过460℃，2小时热处理后再经过390℃，75分钟的离子交换；b组则选择不进行热处理，直接进入390℃，75分钟的离子交换过程。所得到的结果整理如表3所示。
表3
由表3中的样品a可以再次验证，即使是冷弯后的曲面玻璃再减薄后也可以经由热处理后再次离子交换而得到较高的cs与dol。样品b是作为对照样品a对热处理的效用进一步分析，样品b如预期的经过再次离子交换后的到更高的cs，样品a相比，样品b直接从减薄后的cs(192mpa)进行再次化强，其起始值就比样品a的cs(103mpa)要高出89mpa，所以经过同样的再次离子交换过程后，所得到的cs(1003mpa)也比样品a的cs(929mpa)高出约74mpa，在dol的部份，样品a在经过390℃离子交换75分钟后，钾离子会比之前热处理情况下更进一步向玻璃内部扩散因而会有更大的dol值，但受限于表面应力仪的灵敏度与测量误差，在大于22μm以上显示不出稳定的测量数据，因此仅能用>22μm来表示，b样品经过390℃离子交换75分钟后dol增加到13μm，虽有增加，但幅度小于样品a。
实施例3
热处理与再次化学离子交换对于化学冷弯后曲面高铝玻璃的弓高之影响：
本实施例使用彩虹特种玻璃之高铝盖板玻璃，型号iricocg-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℃，持温时间4小时，化学强化后使用日本折原制作所之fsm-6000le表面应力仪测量dol与cs。玻璃试样大小为130mmx70mm，厚度0.7mm，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乾燥，然后置入化强炉中进行化学强化。
在化学强化过程中，玻璃被浸泡在400℃的融熔硝酸钾中，在此期间钾离子由玻璃表面进入玻璃并将玻璃内的钠离子交换出来，经过4小时候，钾离子在玻璃表面与内部可以形成如图1所示的应力分布，此应力分布也约略代表钾离子的浓度分布。将经过化学强化后的玻璃试样经过清洗与乾燥后进行dol与cs测量。本实施例中，化学强化玻璃的离子交换深度约为25μm，测得的表面压应力平均数据为933mpa，所有化学强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5wt％，氢氟酸浓度为2wt％，在此药液中将化学强化后的玻璃试样减薄12μm，样品经过化学蚀刻并减薄后即可进行曲面形状的弓高测量，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，两者间的数学关系如下：
上式中δ代表弓高，l代表玻璃板长边长度，r代表曲率半径。此时再将所有试样分为两组：a组与b组，a组样品先经过460℃，2小时热处理后再经过390℃，75分钟的离子交换；b组则省略热处理，直接进入390℃，75分钟的离子交换过程，每个过程都测量弓高，并换算成为r值作为比较。所得到的结果整理如表4所示。
表4
各个样品的弓高代表的是该样品的曲率，是由玻璃板两个表面的应力差异所造成，如样品a在减薄12μm后产生2.5mm的弓高，相当于曲率半径为845mm的弯曲面，当经过460℃2小时的热处理后，玻璃的两个面都经过应力松弛，但弓高却没有发生改变，表示应力松弛在两个玻璃面的效果是相同的，也就是说两个玻璃面的表面应力同时以相等的大小下降，因此两个面的应力差仍维持相同，也就是曲面形状没有改变。样品a接著再经历75分钟温度为390℃的离子交换后，弓高降低为2mm，相当于1056mm的r值，仍然维持相当好的曲面形状，此时代表减薄面的离子交换速率比正常面的速率要快，因此两个玻璃面的应力差缩小，使得弓高降低。由此，也可以推论，若离子交换时间足够长，则最终两个面的应力会趋向一致，因此，就化学冷弯的工程应用而言，适度的控制再次化刚(离子交换)的时间与温度就可以提升减薄面的cs与dol，并且维持玻璃的曲面形状，同理，也可以经由此一过程控制弓高降低的程度，整个过程是可控、可量化、可适用于量产作业。样品b可以视为样品a的一个特例，也就是当热处理时间为0的情况，此时的玻璃试样没有经过应力松弛就直接进入再次的离子交换，如实施例1与2中所讨论过的，这种方式也可以提升cs但dol的增加量会比经过热处理的样品要小一些，整个过程也仍然是可控、可量化、可适用于量产作业。
实施例4
冷弯高铝玻璃经过热处理与再次化学离子交换后仍然保持原有形状与弓高之实例：
本实施例使用彩虹特种玻璃之高铝盖板玻璃，型号iricocg-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℃，持温时间4小时，化学刚化后使用日本折原制作所之fsm-6000le表面应力仪测量dol与cs。玻璃试样大小为130mmx70mm，厚度0.7mm，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乾燥，然后置入化强炉中进行化学强化。化学强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5wt％，氢氟酸浓度为2wt％，在此药液中将化学刚化后的玻璃试样减薄10μm，样品经过化学蚀刻并减薄后即可进行曲面形状的弓高测量。本实施例中的热处理温度为450℃持温4小时，再次离子交换温度为400℃持温时间2小时，这是不同于前2个实施例中的试验条件。
本实施例中，化学强化玻璃的离子交换深度、表面压应力、弓高、以及热处理与再离子交换后的数据皆整理表5中：
表5
由表5中的实验数据可以明显发现，当减薄厚度、热处理条件与再次离子交换条件配合得宜时，例如样品a，不但可以重新提升cs到达926mpa，dol也大于41μm，实际深度是目前的表面应力仪的灵敏度无法测出，同时冷弯玻璃的弓高一直维持在1.6mm，也就是曲率可以保持在1320mm不变，此实施例充分证明本发明专利中所主张的论述。样品b也符合预测，虽然可以将cs值提高到951mpa，dol也恢复到25μm的水准，但比样品a的dol要低，至于原先的冷弯形状，虽然仍保持弯曲但弓高减小，也就是曲率变大，就维持冷弯玻璃形状而言，不如样品a的方式与工艺条件。
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