[發(fā)明專利]沖擊引起的裂紋在脆性材料中的擴展

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200780047404.4
• 申請日: 2007-10-19
• 公開（公告）號: CN101616778A
• 公開（公告）日: 2009-12-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: M·W·凱默爾;Y·孫;L·烏克蘭采克;徐偉;周乃越
• 申請（專利權(quán)）人: 康寧股份有限公司
• 主分類號: B26F3/00
• 分類號: B26F3/00;B26D3/08
• 代理公司: 上海專利商標事務(wù)所有限公司
• 代理人: 沙永生;王 穎

本申請要求2006年10月26日提交的、題為“沖擊引起的裂紋在脆性材 料中的擴展(IMPACT?INDUCED?CRACK?PROPAGATION?IN?A?BRITTLE MATERIAL)”的美國專利申請第11/588051號的權(quán)益，其完整內(nèi)容并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請涉及脆性片材的分離，更具體地，涉及因在脆性材料上施加機械能 而沿刻劃線產(chǎn)生裂紋以及裂紋的擴展。

背景技術(shù)

有兩種常規(guī)技術(shù)可用于對脆性材料如玻璃、無定形玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷 材料的片材進行切割或成形，形成一片具有所需構(gòu)造或幾何特征的材料。

第一種常規(guī)方法是對片材進行機械刻劃，也就是用堅硬器件如金剛石針尖 或鎢針尖刻劃脆性材料表面，然后該材料由于外加的顯著彎曲力矩而沿刻劃線 斷裂。一般地，彎曲力矩是通過繞刻劃線對脆性材料進行物理彎曲而施加的。 然而，彎曲運動量和片材運動量必須得到嚴格控制，因為彎曲可能沿刻劃線造 成多處斷裂源，甚至可能導致裂開(即裂紋自刻劃線向外延伸)。而且，垂直于 片材方向的大幅度彎曲還有可能干擾片材形狀(它可能具有稍微拱起的形狀)， 同時，在彎曲片材、分離后再釋放片材的過程中，彎曲過程會導致片材展平， 這有可能顯著增加片材應力。在最糟糕的情況下，若片材拱起得太高，彎曲分 離將不起作用。此外，彎曲分離可能引起邊緣摩擦的發(fā)生，沿邊緣產(chǎn)生碎屑。

第二種常規(guī)技術(shù)是激光刻劃，如美國專利第5776220號所述。典型的激光 刻劃包括用連續(xù)波長激光加熱脆性材料的局部區(qū)域，然后立即通過施加冷卻劑 使受熱區(qū)驟冷，冷卻劑有氣體或水之類的液體。經(jīng)激光刻劃的材料可通過機械 刻劃中所用的彎曲法進行機械斷開來實現(xiàn)分離，也可利用能量更高的第二激光 束來實現(xiàn)分離。使用能量更高的第二激光束可實現(xiàn)無彎曲分離。然而，這種分 離較慢，而且往往難以控制裂紋的擴展。第二激光束還會產(chǎn)生熱裂口和高殘余 應力。

因此，需要一種能實現(xiàn)快速、可重復、均勻分離的方法，它能使脆性片材 經(jīng)歷的彎曲最少，而且能最大程度減少對片材的操作。還需要一種能最大程度 減少干擾的分離方法，可用于垂直形成工藝(拉制)或水平形成工藝(例如浮法玻 璃)。還需要減少通常與劇烈彎曲分離相伴的扭梳紋(twist-hackle)變形，提高分 離邊緣的質(zhì)量。需要一種沿刻劃線對脆性材料進行穩(wěn)定分離的方法，它不需要 對材料進行物理彎曲，也不會產(chǎn)生極端溫度梯度。特別需要一種能在極短時間 內(nèi)(短于1秒)從連續(xù)移動的脆性材料帶上分離板片的方法，它能減少可沿材料 帶向上游擴展的外來干擾。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了通過沖擊負荷快速分離脆性材料的方法，它不需要施加彎曲 力矩，也不會產(chǎn)生顯著的剪切運動。本系統(tǒng)還提供了從連續(xù)移動的脆性材料帶 上快速、可重復、均勻地分離脆性材料板片的方法，它減少了對材料帶的干擾。 本系統(tǒng)在用于分離脆性片材時，還可減少在借助大彎曲力矩進行分離時常觀察 到的扭梳紋，從而提高了邊緣質(zhì)量，減少了分離引起的玻璃粒子。

本系統(tǒng)可用于分離靜態(tài)、獨立或固定的片材，但也可特別用于從材料帶上 分離板片，還可用于從移動的玻璃帶上分離玻璃板。研究還發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)對高 于300℃的熱玻璃具有良好效果。

一般地，將來自振動針尖的沖擊能施加到脆性材料上，產(chǎn)生裂紋，使裂紋 沿預先形成的刻劃線擴展。沖擊能通常施加在材料上與刻劃線相反一側(cè)的刻劃 線局部區(qū)域內(nèi)，使沖擊能產(chǎn)生的應力沿刻劃線在材料中產(chǎn)生張力，從而以最佳 方式產(chǎn)生裂紋并使之擴展，但片材沿垂直于片材的方向的運動最小。

在另一種方式中，在施加沖擊能之前，通過向刻劃線施加橫向負荷促進脆 性材料沿刻劃線的分離。由于施加了負荷，片材張緊，片材側(cè)向硬度增加，使 刻劃線底部的應力集中度增加，從而有利于裂紋的形成。較高的片材側(cè)向硬度 還有助于裂紋沿刻劃線擴展。通過選擇沖擊能、接觸力、接觸速度和沿刻劃線 的張力的大小，本系統(tǒng)可用于以不同速率分離多種脆性材料。沖擊能的振動頻 率若太低，將影響分離速度。

在當前從連續(xù)玻璃帶分離玻璃板的方式中，本發(fā)明控制和/或減少了有害干 擾的產(chǎn)生，這種干擾可在材料帶中向上游遷移，對玻璃帶的形成過程產(chǎn)生不利 影響。本發(fā)明還可高速(例如短于1秒)分離玻璃，對制造工藝的動態(tài)應用來說， 這有時是很關(guān)鍵的。在恰當?shù)臈l件設(shè)置下，本發(fā)明可在不到1秒的時間內(nèi)分離 超過2米寬的材料。