Ламинат "подложка-керамика"

Изобретение относится к ламинатам «подложка-керамика», функциональным слоем которых является керамика, и касается детали с функциональной поверхностью и ее применения. Деталь с функциональной поверхностью включает подложку и поликристаллический функциональный слой, причем указанный функциональный слой включает указанную функциональную поверхность. Подложка и функциональный слой соединены друг с другом посредством промотора адгезии. Функциональный слой включает прозрачную керамику, которая содержит Al-Mg-шпинель-, Al₂O₃-, AlON-, SiAION-керамику, ZrO₂ или керамику смешанного оксида из системы Y-Al-Mg-O, причем керамика может содержать до 5 мас.% легирующих элементов. Изобретение обеспечивает создание детали с механически, химически или термически стабильной функциональной поверхностью. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к ламинатам «подложка-керамика». Изобретение прежде всего относится к ламинатам «подложка-керамика», функциональным слоем которых является слой керамики.

Согласно настоящему изобретению «функциональным слоем» называют слой, включающий керамику, в частности, поликристаллическую керамику, которая выполняет ту или иную функцию касательно детали в целом, соответственно ламинату, состоящему из подложки и функционального слоя. Подобная функция преимущественно не является опорной или стабилизирующей функцией. Подобной функцией может являться, например, механическая функция, в частности, стойкость к царапанью, химическая функция, в частности, химическая стойкость, термическая функция, в частности, термостабильность, или оптическая функция, в частности, фильтрующее действие. Данный перечень не полон, и служит лишь для более подробного пояснения настоящего изобретения.

В принципе речь идет о конструктивном исполнении механически, химически или термически стабильной функциональной поверхности. При этом на подложку наносят включающий керамику слой, ниже называемый также «слоем керамики», выполняющий особую функцию касательно детали, в которой используют рассматриваемый ламинат, состоящий из подложки и включающего керамику слоя, или касательно ламината как такового. При этом включающий керамику слой обладает сравнительно малой толщиной, в связи с чем материал несущей подложки используют в качестве средства целенаправленного усиления.

Из уровня техники известны альтернативные технические решения. Речь при этом идет о химически и термически закаленных тонких стеклах или получаемых из монокристаллов сапфировых стеклах (в качестве синонима ниже используют термины «сапфировый монокристалл» или кратко «сапфир»). Самая последняя разработка предусматривает нанесение чрезвычайно тонких сапфировых монокристаллических слоев на стеклянную подложку, то есть изготовление ламинатов типа «сапфир на стекле» (SOG). Другой альтернативой является нанесение на подложки особенно твердых слоев, например, алмазоподобных углеродных покрытий, или других слоев.

Однако при нанесении на подложки функциональных слоев, выполняемом, например, методами физического осаждения из паровой фазы, химического осаждения из паровой фазы, золь-гель-наслаивания или другими подобными методами, возникает проблема, которая прежде всего обусловлена ограниченностью толщины отдельных слоев и их комбинации. При больших толщинах слоев не удается обеспечить необходимую для некоторых сфер применения адгезионную прочность между подложкой и слоем, в связи с чем покрытие легко отслаивается. Слои незначительной толщины прежде всего характеризуются недостаточной стабильностью адгезионной связи между покрытием и подложкой, что, вероятно, обусловлено малой толщиной, а также недостаточной стойкостью к царапанью.

Альтернативные изделия из закаленного стекла, например, G-rilla Glass фирмы C-rning или Xensati-n фирмы Sch-tt, обычно обладают высокой прочностью, составляющей более 500 мПа, однако их недостатком является неудовлетворительная стойкость к царапанью и/или недостаточная химическая и термическая стабильность.

Сапфир является оптически двупреломляющим материалом, что в случае некоторых применений в оптической сфере следует расценивать как недостаток. В отношении механической и термической стабильности сапфир анизотропен. В случае высоких нагрузок необходимо особое конструированное исполнение, чтобы максимальной нагрузке подвергалась наиболее пригодная для этого «сторона» или плоскость сапфирового монокристалла. Следствием этого может оказаться необходимость выращивания очень крупных монокристаллов, что позволило бы выполнять резание в «правильном направлении». Вместе с тем это обусловливает чрезвычайно высокую стоимость сапфира.

Кроме того, сапфир обладает твердостью по шкале Мооса, равной 9 единицам, в связи с чем его чрезвычайно трудно обрабатывать. Резка, шлифование или полирование сапфира возможны лишь при использовании алмазных инструментов. Следствием этого является также высокая сложность и трудоемкость обработки, соответственно изготовления, сапфировых подложек со сложными геометрическими параметрами.

SOG-ламинаты (слой сапфирового монокристалла, толщина которого в большинстве случаев составляет 0,56 мм, на химически закаленном стекле толщиной от 3 до 6 мм) позволяют изготавливать экономически более благоприятные, прозрачные, защищающие от износа слои. Тем не менее издержки производства остаются на чрезвычайно высоком уровне. Кроме того, сохраняется проблема двойного лучепреломления и трудности обработки. Сапфировое стекло, которое в общем случае выпиливают из крупного блока алмазной пилой, подлежит последующему двухстороннему полированию. Трудоемкое полирование в данном случае обусловливает также повышенные издержки.

В основу настоящего изобретения была положена задача предложить детали с функциональными поверхностями, которые можно было бы производить более экономично по сравнению с соответствующими известными из уровня техники деталями. Кроме того, предлагаемые в изобретении детали предпочтительно должны быть по меньшей мере частично прозрачными.

Указанная задача согласно изобретению решается с помощью детали, представленной в пункте 1 формулы изобретения; предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах.

Таким образом, объектом настоящего изобретения является деталь с функциональной поверхностью. Деталь особенно предпочтительно включает подложку и поликристаллический функциональный слой, который располагает функциональной поверхностью или предоставляет функциональную поверхность.

Предпочтительным является вариант осуществления изобретения, в соответствии с которым функциональный слой включает керамику, особенно предпочтительно поликристаллическую керамику.

В зависимости от назначения предлагаемой в изобретении детали для подложки можно использовать самые разные материалы. Так, например, можно использовать пластмассы, стекла, стеклокерамические материалы или керамические материалы, а также композиты и гибкие материалы, причем выбор материала не имеет каких-либо ограничений. Для сфер применения детали, предусматривающих ее прозрачность, в качестве материалов подложки прежде всего можно использовать стекла, а также пластмассы. Для сфер применения, в которых прозрачность детали не является желательной или необходимой, для подложки, очевидно, можно использовать также полупрозрачные или непрозрачные материалы.

Под прозрачной керамикой согласно изобретению подразумевают керамику, которая характеризуется показателем фактического линейного светопропускания (RIT), составляющим по меньшей мере 40%, предпочтительно по меньшей мере 60% при длине световых волн 300 нм, 600 нм и/или 1500 нм.

Пропускание материала измеряют с целью исключения рассеянного света из замеров с очень малым апертурным углом (около 0,5°), причем измеренное значение затем сопоставляют с теоретическим максимальным пропусканием для данного материала. Отсюда получают определенный показатель фактического линейного светопропускания (RIT).

В случае если речь идет об идеальном материале и из него изготавливают идеальную керамику, светопропускание чисто теоретически не зависит от толщины. Однако поскольку керамика имеет поры, а также в силу других подобных причин на граничных поверхностях пор возникает эффект рассеяния, который усиливается по мере увеличения толщины керамического материала. Данный эффект обусловливает уменьшение светопропускания. В связи с этим понятия «светопропускание» и «RIT» в соответствии с настоящим изобретением относятся к керамическим материалам с толщиной в интервале от 50 мкм до 100 мм.

Функциональные слои в зависимости от назначения могут включать также прозрачные, полупрозрачные или непрозрачные керамические материалы. Особенно предпочтительными функциональными слоями являются прозрачные керамические материалы, поскольку они соединяют в себе преимущества стекол и керамики. В принципе можно использовать любые прозрачные керамические материалы, однако прежде всего используют шпинели и предпочтительно керамические материалы на основе алюмомагниевой шпинели, ZrO₂, AlON, SiAlON-Al₂O₃ или смешанного оксида из системы Y-Al-Mg-O. В комбинации с подложкой, которая также является прозрачной, подобные детали могут найти применение в качестве альтернативы чрезвычайно дорогим сапфировым монокристаллам. Функциональные слои из керамики обладают следующими преимуществами по сравнению с сапфиром.

Сапфировые стекла в связи с присущей им монокристаллической структурой оптически, механически и химически анизотропны, то есть являются оптически двупреломляющими материалами, которые характеризуются преимущественными направлениями касательно всех других свойств. Поликристаллические керамические материалы в связи с присущей им структурой преимущественно изотропны. В случае прозрачных керамических материалов, минералы которых являются кубическими, изотропия характерна также и для оптических свойств, то есть двойное лучепреломление отсутствует. В случае некубических прозрачных керамических материалов двойное лучепреломление имеет место, однако для обеспечения прозрачности размер зерен минералов должен составлять менее 100 нм, причем эффектом двойного лучепреломления в подобных поликристаллических материалах в общем случае можно пренебречь.

Другим преимуществом керамики, в частности, шпинельных керамических материалов, является отличная обрабатываемость при сравнимой с сапфировыми стеклами твердости. Так, например, если функциональным слоем является слой прозрачного керамического (шпинельного) материала толщиной от 0,5 до 2 мм, его показатели стойкости к царапанью, а также химической и термической стабильности сопоставимы с соответствующими показателями комбинированных материалов SOG. Поскольку время обработки шпинельной керамики (полирования поверхности до заданного качества) составляет лишь около четверти времени, которое требуется для аналогичной обработки сапфирового стекла, технологическое время существенно сокращается, что обусловливает значительное снижение себестоимости.

Неожиданная констатация того обстоятельства, что (шпинельные) керамические материалы гораздо лучше пригодны для обработки по сравнению с сапфировыми стеклами, хотя оба указанные материала и обладают одинаковой твердостью по шкале Мооса, по-видимому, следует объяснить поликристаллической структурой керамики. Можно предполагать, что при обработке керамического материала из структуры выкрашиваются отдельные кристаллы. Выкрашивание кристаллов, очевидно, можно реализовать легче, нежели обработку кристаллической структуры как таковой.

Другим преимуществом керамических материалов, в частности, шпинельных керамических материалов, является более высокая «толерантность к микродефектам» по сравнению с сапфировым стеклом аналогичной толщины (смотри Фиг. 1). На Фиг. 1 слева показана прозрачная шпинельная керамика, справа сапфировое стекло. Оба материала были подвергнуты испытанию твердости по Виккерсу, в результате чего образовались дефекты. Дефект в шпинельной керамике в основном соответствует реплике индентера Викерса, в то время как дефект в сапфировом стекле вследствие растрескивания распространяется в соседние области.

Кроме того, поликристаллические керамические материалы более пригодны для легирования, нежели сапфировые стекла. Легирование можно осуществлять с целью изготовления оптических ленточных фильтров и окрашенных участков, в частности, в прозрачных функциональных слоях. Степень легирования исходного материала может достигать 5% масс. Пригодными легирующими элементами являются элементы, выбранные из группы, включающей лантаноиды, актиноиды, а также железо, хром, кобальт, медь и другие известные легирующие элементы.

К другим функциям, реализуемым посредством предлагаемых в изобретении функциональных слоев, в общем случае относится обеспечение механической, химической или термической стабильности или описанные выше оптические функции. В частности, может быть реализовано антибликовое действие, противодействие образованию царапин и/или противодействие запотеванию, причем в зависимости от материала посредством одного и того же материала может быть реализовано также несколько функций.

Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления изобретения подложка и функциональный слой соединены друг с другом посредством промотора адгезии, которым, в частности, может являться клей.

В случае если деталь должна быть прозрачной, в качестве промотора адгезии можно использовать, например, прозрачный клей, показателю преломления которого соответствует среднее значение между показателями преломления подложки и функционального слоя.

Другое преимущество использования промотора адгезии между подложкой и функциональным слоем состоит в том, что при выборе промотора адгезии с надлежащим показателем преломления полированию необходимо подвергать лишь верхнюю сторону функционального слоя, то есть ту сторону функционального слоя, которая отдалена от подложки. При этом показатель преломления промотора адгезии должен быть максимально близок показателю преломления функционального слоя, что позволяет исключить возникновение видимого фазового перехода или видимой поверхности раздела при целевом применении детали.

Для экономии затрат и комбинирования позитивных свойств различных материалов очень тонкие керамические слои (толщиной менее 2 мм, предпочтительно менее 0,5 мм, особенно предпочтительно 100 мкм) можно наслаивать на другие прозрачные материалы, прежде всего стекло.

В случае если функциональный слой обладает толщиной менее 100 мкм, он является гибким. Преимуществом при этом является возможность беспроблемного снабжения гибким функциональным слоем изогнутой подложки, поскольку гибкий функциональный слой способен принимать форму подобной подложки. Данное преимущество особенно важно, например, в случае ветровых автомобильных стекол, часовых стекол или любых других неплоских подложек. Подобными функциональными слоями, очевидно, можно снабжать также гибкие материалы, например, пластмассы.

Кроме того, в случае если используют промотор адгезии с надлежащим образом адаптированным показателем преломления, на химически закаленную стеклянную подложку, например, можно наносить чрезвычайно тонкий слой прозрачной керамики (толщиной менее 500 мкм или менее 100 мкм) без необходимости полирования той стороны керамического слоя, которая контактирует со стеклянной подложкой, соответственно промотором адгезии. Промотор адгезии, например, клей, визуально сглаживает неровности поверхности, поскольку он обладает в основном аналогичным керамике показателем преломления. Требуется лишь последующая полировка поверхности детали в целом. Полировать можно очень тонкие слои, толщина которых, например, составляет менее 100 мкм.

Таким образом, требуется полировка лишь верхней стороны керамического слоя детали. Это позволяет сократить затраты, что прежде всего обусловлено исключением необходимости двухсторонней полировки. Для обеспечения одинакового качества поверхности длительность полировки шпинельной керамики может составлять, например, одну четвертую часть от длительности полировки сапфирового стекла. В случае если к тому же необходима полировка только одной стороны, а не обеих сторон функционального слоя, можно сэкономить 3/4 времени, которое потребовалось бы для обеспечения качества поверхности, сравнимого с качеством поверхности сапфирового функционального слоя.

В случае если деталь не должна быть прозрачной, полированной, очевидно, может быть также только одна сторона функционального слоя или функциональный слой может быть вообще неполированным. Использование клея с адаптированным показателем преломления в данном случае, очевидно, не требуется.

Конкретным назначением предлагаемых в изобретении деталей являются сканирующие поверхности, например, контрольных кассовых аппаратов, поверхности пескоструйных камер, а также любые подверженные истиранию прозрачные поверхности, в том числе, например, напольные покрытия, лестницы или часовые стекла.

Благодаря комбинированию чрезвычайно тонкого химически закаленного стекла, толщина которого составляет, например, от 0,3 до 5 мм, с еще более тонкой поликристаллической прозрачной керамикой, толщина которой составляет, например, от 0,02 до 0,8 мм, можно изготавливать чрезвычайно прочные тонкие оптические детали, которые в общем случае отлично пригодны, например, для дисплеев мобильных телефонов, планшетов, компьютеров и так далее. Благодаря гораздо более тонкому керамическому слою можно полезно использовать стойкость керамики к царапанью и другие описанные выше свойства, и компенсировать наиболее существенный недостаток керамических материалов, а именно их слишком низкую прочность (например, от 200 до 300 мПа) в случае деталей малой толщины, благодаря использованию химически отвержденного стекла. Особым преимуществом подобной системы является также гораздо более сходная цена по сравнению с SOG-ламинатами.

Другим аспектом настоящего изобретения является возможность формирования поверхностей с большой площадью, прежде всего прозрачных поверхностей. Использование промотора адгезии с адаптированным показателем преломления позволяет формировать поверхности большой площади, например, из множества упорядоченных рядом друг с другом мелких плиток (мульти-черепицы), залитых промотором адгезии. Так, например, предоставляется возможность производства плоских дисплеев для крупноформатных телевизоров, которые не могут быть изготовлены с использованием сапфировых стекол в связи с ограничениями, обусловленными монокристалличностью последних.

Таким образом, объектами настоящего изобретения являются, в частности, следующие.

- Детали с функциональной поверхностью.

- Детали, причем деталь включает подложку и поликристаллический функциональный слой, обладающий функциональной поверхностью.

- Детали по одному из предыдущих пунктов, причем поликристаллический функциональный слой включает керамику.

- Детали по одному из предыдущих пунктов, причем подложка включает полимер, стекло, стеклокерамику, керамику, композит или гибкий материал.

- Детали по одному из предыдущих пунктов, причем функциональный слой обладает толщиной менее 2 мм, предпочтительно менее 0,5 мм, особенно предпочтительно менее 100 мкм.

- Детали по одному из предыдущих пунктов, причем подложка и/или функциональный слой являются прозрачными.

- Детали по одному из предыдущих пунктов, причем функциональный слой обладает механической, химической и/или термической стабильностью.

- Детали по одному из предыдущих пунктов, причем функциональный слой обладает оптической функцией, в частности, антибликовым действием и/или фильтрующим действием.

- Детали по одному из предыдущих пунктов, причем функциональный слой характеризуется противодействием образованию царапин и/или противодействием запотеванию.

- Детали по одному из предыдущих пунктов, причем подложка и функциональный слой соединены друг с другом посредством промотора адгезии.

- Детали по одному из предыдущих пунктов, причем промотор адгезии прозрачен и обладает показателем преломления, которому соответствует среднее значение между показателями преломления подложки и функционального слоя, или прозрачный промотор адгезии обладает показателем преломления, аналогичным показателю преломления функционального слоя.

- Детали по одному из предыдущих пунктов, причем полированной является только та сторона функционального слоя, которая отдалена от подложки.

- Детали по одному из предыдущих пунктов, причем функциональный слой включает прозрачную керамику, в частности, керамику на основе алюмомагниевой шпинели, Al₂O₃, AlON, SiAlON, ZrO₂ или смешанного оксида из системы Y-Al-Mg-O, и причем керамика может содержать до 5% масс. легирующих элементов.

- Детали по одному из предыдущих пунктов, причем подложка и функциональный слой соединены друг с другом посредством промотора адгезии.

- Детали по одному из предыдущих пунктов, причем промотором адгезии является клей.

- Детали по одному из предыдущих пунктов, причем промотором адгезии является прозрачный клей.

- Детали по одному из предыдущих пунктов, причем промотором адгезии является прозрачный клей с показателем преломления, которому соответствует среднее значение между показателями преломления подложки и функционального слоя.

- Детали по одному из предыдущих пунктов, причем промотором адгезии является прозрачный клей, показатель преломления которого максимально близок показателю преломления функционального слоя, что позволяет исключить возникновение видимого фазового перехода или видимой поверхности раздела при целевом применении детали.

Кроме того, объектами настоящего изобретения являются следующие.

- Применение деталей по одному из предыдущих пунктов в качестве подверженной истиранию, прежде всего прозрачной поверхности, например, сканирующей поверхности контрольных кассовых аппаратов, поверхностей пескоструйных камер, напольных покрытий, часовых стекол или лестниц.

- Применение деталей по одному из предыдущих пунктов в оптических деталях, в общем случае прежде всего для дисплеев мобильных телефонов, планшетов или компьютеров.

1. Деталь с функциональной поверхностью, причем она включает подложку и поликристаллический функциональный слой, и причем указанный функциональный слой включает указанную функциональную поверхность, отличающаяся тем, что подложка и функциональный слой соединены друг с другом посредством промотора адгезии и тем, что функциональный слой включает прозрачную керамику, которая содержит Al-Mg-шпинель-, Al₂O₃-, AlON-, SiAION-керамику, ZrO₂ или керамику смешанного оксида из системы Y-Al-Mg-O, причем керамика может содержать до 5 мас.% легирующих элементов.

2. Деталь по п. 1, отличающаяся тем, что поликристаллический функциональный слой включает керамику.

3. Деталь по п. 1, отличающаяся тем, что подложка включает пластмассу, стекло, стеклокерамику, керамику или композит или гибкий материал.

4. Деталь по п. 1, отличающаяся тем, что функциональный слой обладает толщиной менее 2 мм, предпочтительно менее 0,5 мм, особенно предпочтительно менее 100 мкм.

5. Деталь по п. 4, отличающаяся тем, что функциональный слой обладает толщиной в области от 0,02 мм до 2 мм.

6. Деталь по п. 1, отличающаяся тем, что подложка и/или функциональный слой являются прозрачными.

7. Деталь по п. 1, отличающаяся тем, что функциональный слой обладает механической, и/или химической, и/или термической стабильностью.

8. Деталь по п. 1, отличающаяся тем, что функциональный слой обладает оптической функцией, в частности антибликовым действием и/или действием фильтра.

9. Деталь по п. 1, отличающаяся тем, что функциональный слой обладает противодействием образованию царапин и/или противодействием запотеванию.

10. Деталь по п. 1, отличающаяся тем, что только сторона функционального слоя, отвернутая от подложки, является полированной.

11. Деталь по п. 1, отличающаяся тем, что промотором адгезии является клей.

12. Деталь по п. 1, отличающаяся тем, что промотором адгезии является прозрачный клей.

13. Деталь по п. 1, отличающаяся тем, что промотором адгезии является прозрачный клей, показатель преломления которого является посредствующим между показателями преломления подложки и функционального слоя.

14. Деталь по п. 1, отличающаяся тем, что промотором адгезии является прозрачный клей, показатель преломления которого очень подобен показателю преломления функционального слоя, обеспечивая невозникновение видимого фазового перехода или видимой поверхности раздела при целевом использовании.

15. Деталь по п. 1, отличающаяся тем, что промотор адгезии прозрачен и обладает показателем преломления, являющимся посредствующим между показателями преломления подложки и функционального слоя, или прозрачный промотор адгезии обладает тем же показателем преломления, как и функциональный слой.

16. Деталь по п. 1, отличающаяся тем, что функциональный слой характеризуется показателем фактического линейного светопропускания (RIT), составляющим по меньшей мере 60% при длине световых волн 300 нм, 600 нм и/или 1500 нм, который измерен на керамическом материале с толщиной в интервале от 50 мкм до 100 мм.

17. Применение детали по одному из пп. 1-16 в качестве подверженной износу, в частности, прозрачной поверхности, например в качестве поверхности сканера кассовых систем, поверхностей пескоструйных камер, напольных покрытий, часовых стекол или лестниц.

18. Применение детали по одному из пп. 1-16 в оптических деталях, в частности, для дисплеев мобильных телефонов, планшетов или компьютеров в целом.