用于測定脆性-斷裂材料薄片的邊緣的斷裂強度的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測定由脆性-斷裂材料構(gòu)成的薄、平坦樣品、特別是薄玻璃片在拉伸 應(yīng)力σ的斷裂強度。
【背景技術(shù)】
[0002] 已知這種樣品在放置于應(yīng)力負荷下時可能產(chǎn)生兩種彼此無關(guān)的斷裂類型：源自樣 品表面內(nèi)部的斷裂以及從樣品邊緣開始生長的斷裂。本發(fā)明涉及后一種類型的斷裂，即，源 自樣品邊緣的斷裂。
[0003] 不管是為了表征和優(yōu)化邊緣的特性，還是為了確保有保障的斷裂強度，優(yōu)選地都 需要檢查樣品的邊緣是否能夠承受住特定的拉伸應(yīng)力σ。另外，優(yōu)選測定這種樣品的應(yīng)力 〇b，在該應(yīng)力（斷裂應(yīng)力）下樣品從邊緣開始斷裂。
[0004] 為了測定薄玻璃樣品的斷裂應(yīng)力，已知一種例如由S. Τ. Gulati的"Two Point Bending of Thin Glass Substrate'，，SID Symposion. Techn. Papers 第 42 卷 652-654 頁 (2011)所提出的兩點彎曲法。在此，薄玻璃樣品被夾在兩個支承板之間，并通過這兩個支承 板的聚攏而彎曲（參見圖1)。
[0005] 該方法具有許多缺陷。在這種彎曲類型中會沿著樣品產(chǎn)生不均勻的張緊狀態(tài)，其 中，沿著邊緣在樣品的中間具有最高的應(yīng)力，并且該應(yīng)力隨著相對于中心的距離的增大而 下降。因此該方法不適合用于表征特定應(yīng)力下樣品邊緣的擴張區(qū)段。通過對以該方法在較 大區(qū)段上所獲得的局部斷裂應(yīng)力測量值的總結(jié)表明只是具有有限的可靠性。此外，具有不 均勻厚度的樣品在該方法中會產(chǎn)生難以解決的問題。另外，由于必須要夾緊，因此會對樣品 的幾何形狀提出要求，這些要求在許多情況下需要高成本地準(zhǔn)備樣品。該方法的實施還需 要不低的設(shè)備和人員費用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 因此，本發(fā)明的目的在于減少現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。特別是應(yīng)當(dāng)能夠簡單、可靠地檢測 在機械拉伸應(yīng)力σ下的樣品邊緣的斷裂強度。
[0007] 本發(fā)明的目的通過獨立權(quán)利要求的特征來實現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式和擴展 方案在從屬權(quán)利要求中給出。
[0008] 本發(fā)明基于這樣的認識：在彎曲樣品時，位于彎曲外側(cè)上的樣品材料將承受拉伸 應(yīng)力σ。
[0009] 借助根據(jù)本發(fā)明的方法待表征的樣品包括第一側(cè)面和與第一側(cè)面相對置的第二 側(cè)面以及至少一個邊緣。該待檢測的邊緣形成第一側(cè)面到第二側(cè)面的過渡部。該邊緣例如 可以形成為有棱角的或者倒圓形的（abgerundet)，或者包括鑲邊。樣品在該邊緣上具有厚 度t。
[0010] 特別是有意識地檢測由玻璃構(gòu)成的樣品，優(yōu)選該樣品具有最大1毫米的厚度，最 優(yōu)選為最大300微米。
[0011] 樣品的待檢測的邊緣根據(jù)本發(fā)明首先在第一側(cè)面的區(qū)域內(nèi)測量其斷裂強度。
[0012] 相應(yīng)地，本發(fā)明包括一種用于測定由脆性-斷裂材料構(gòu)成的平坦樣品、特別是玻 璃片的斷裂強度的方法，其中，該樣品具有第一側(cè)面和第二側(cè)面以及至少一個邊緣，并且第 一側(cè)面與第二側(cè)面相對置，該方法針對在機械拉伸應(yīng)力σ下斷裂從樣品的待檢測邊緣開 始，其中，
[0013] -在位于樣品的一個區(qū)段中的待檢測邊緣上的第一側(cè)面沿著待檢測邊緣承受拉伸 應(yīng)力σ，對此
[0014] -在該待檢測的區(qū)段內(nèi)彎曲樣品，從而使該樣品沿著待檢測的邊緣獲得彎曲，對此
[0015] -在待檢測的區(qū)段內(nèi)將樣品以限定的曲率壓在形狀穩(wěn)定的型板的型板表面上，從 而
[0016] -使待檢測的區(qū)段被強加有型板表面的曲率，其中，
[0017] -使用具有第一彎曲半徑R的型板表面，并且在對應(yīng)于該彎曲半徑R的機械拉伸應(yīng) 力σ下檢測樣品的斷裂強度，并且
[0018] -以連續(xù)減小的彎曲半徑R以及隨之增高的拉伸應(yīng)力σ重復(fù)該檢測，直至樣品斷 裂，并且
[0019] -評定出樣品在多大的拉伸應(yīng)力σ或者在多大的彎曲半徑下斷裂。
[0020] 優(yōu)選還要確定樣品是否從待檢測的邊緣開始斷裂。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的方法具有多種優(yōu)勢。與前述的已知方法不同的是，沿著邊緣以彎曲 半徑R彎曲的邊緣區(qū)域的位置不是通過樣品的幾何結(jié)構(gòu)或?qū)悠返闹苽涠A(yù)先設(shè)定的，而 是可以通過型板在待檢測的區(qū)段上的布置來自由地選擇。該方法對于樣品的制備只提出很 低的要求。基本上只需要在待檢測的區(qū)段中借助型板彎曲邊緣。與已知方法不同的是，其 他不需要檢測的邊緣的幾何形狀對于該測量沒有重要的影響。此外，該測量相對于這些設(shè) 備和人員來說比較簡單并且不容易出錯。另外，也可以檢測具有不均勻厚度t的樣品。在 遠離待檢測邊緣處的厚度變化通常對該方法沒有影響。如果厚度t沿著邊緣變化，則拉伸 應(yīng)力σ的局部值發(fā)生變化，該拉伸應(yīng)力的局部值由樣品邊緣的各個區(qū)段承受；該拉伸應(yīng)力 的局部值必要時可以通過分析邊緣的相應(yīng)局部厚度來修復(fù)。
[0022] 優(yōu)選樣品為外部不受力狀態(tài)下的平面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在根據(jù)本發(fā)明的彎曲情況下不 是塑性變形，因此該結(jié)構(gòu)在測量之后可以恢復(fù)至其初始的幾何形狀（除非結(jié)構(gòu)斷裂）。
[0023] 樣品優(yōu)選以圓柱形彎曲，從而使得樣品的圓弧形彎曲的區(qū)段呈現(xiàn)出至少一部分空 心圓柱體的形狀，其中，在樣品的圓柱形彎曲的區(qū)段中，樣品的第一側(cè)面成為空心圓柱體的 外部側(cè)面，以及樣品的第二側(cè)面成為空心圓柱體的內(nèi)部側(cè)面，并且樣品的待檢測邊緣沿著 空心圓柱體的底面延伸。在本發(fā)明的特別優(yōu)選的擴展方案中，型板表面相應(yīng)地以圓弧形彎 曲，從而使樣品通過被壓在型板表面上而被強加有具有彎曲半徑R的圓弧形彎曲。
[0024] 但是該彎曲也可以不是圓弧形的，但盡管如此樣品在被壓在型板表面上時仍然承 受限定的拉伸應(yīng)力。例如，型板表面可以被成型為拋物線形或橢圓形。在這種表面中，彎曲 半徑不斷地變化并且在頂點具有最小值。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的方法特別可以應(yīng)用在薄玻璃樣品上，該薄玻璃樣品的厚度t例如 可由以下集合中選出：{10 H m、15 μ m、20 μ m、25 μ m、30 μ m、35 μ m、40 μ m、45 μ m、50 μ m、 55 μπι、65 μπι、70 μπι、75 μπι、85 μπι、100 μπι、110 μπι、120 μπι、145 μπι、160 μπι、180 μπι、 200 μπι、210μπι、250 μπι}。拉伸應(yīng)力σ也可以處于其他的范圍內(nèi)，例如20MPa、40MPa、 80MPa、IOOMPa。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的方法的一個優(yōu)選實施方式的特征在于，通過使樣品沿著待檢測的邊 緣逐段地彎曲，并且通過使樣品沿著待檢測的邊緣連續(xù)地或者逐步地相對于型板移動，使 得待檢測邊緣的擴張區(qū)段承受機械拉伸應(yīng)力σ，從而使樣品的待檢測邊緣的連續(xù)增大的區(qū) 段承受由型板表面的形狀預(yù)先限定的彎曲。在此，型板表面特別是可以至少在一個區(qū)域中 具有均勻的圓弧形的橫截面，并且樣品的沿著待檢測邊緣擴張的區(qū)段以面接觸方式壓在該 圓弧形的型板區(qū)域中，從而使得該樣品的被壓的邊緣區(qū)域強加有具有恒定彎曲半徑R的擴 張的圓弧形彎曲。
[0027] 該實施方式允許在保持相同的或者直至特定應(yīng)力σ下連續(xù)地檢測樣品邊緣的擴 張區(qū)段。根據(jù)經(jīng)驗，這對于兩點彎曲法是不可能的。只有在使用型板時才能夠在邊緣的任 意位置上彎曲，特別是根據(jù)此處的一種實施方式利用彎曲覆蓋邊緣。
[0028] 該實施方式能夠?qū)缀跞我忾L度的邊緣進行檢測。在邊緣和型板之間的相對運動 可能造成邊緣在型板上的滑動。但是這種滑動例如也可以通過在圓柱形的隨動型板上的滾 動來避免。
[0029] 特別是樣品在擴張的區(qū)域中能夠被強加均勻的圓弧形的彎曲。這導(dǎo)致在該區(qū)域中 呈現(xiàn)均勻的張緊狀態(tài)。
[0030] 另一個優(yōu)選的實施方式的特征在于，至少在圓弧形彎曲的邊緣區(qū)域中、在樣品的 待檢測區(qū)段中強加于樣品的彎曲半徑R位于下限值R miJP上限值RMax之間的范圍內(nèi)，因此
[0031] RMin< R < R Max，其中
[0032] RMin= E*V(2* σ * (Ι-f)，
[0033] Rfcx= E*V(2* σ * (1+f)，
[0034] 其中，E代表樣品材料的彈性模量，〇代表預(yù)先限定的拉伸應(yīng)力，f是0至I之間 的數(shù)值，特別是〇. 5,優(yōu)選0. 25,最優(yōu)選選0. 1。
[0035] 在該實施方式中，在樣品的彎曲半徑R和作用在其邊緣上的拉伸應(yīng)力〇之間建立 了聯(lián)系。這使得能夠通過選擇相應(yīng)的彎曲半徑來調(diào)整期望的檢測拉伸應(yīng)力σ，或者反過來 通過期望的檢測拉伸應(yīng)力來選擇相應(yīng)的彎曲半徑。這基于以下關(guān)系：在厚度為t的樣品邊 緣上的恰好的彎曲應(yīng)力〇和彈性模量E近似地通過下述公式來表述：
[0036] σ = E*V(2*R)。
[0037] 在此，R是樣品的中性平面中的樣品彎曲半徑。后者通常對應(yīng)于位于樣品側(cè)面之 間的中心平面。根據(jù)本發(fā)明特別應(yīng)當(dāng)檢測薄的樣品，從而一般能夠忽略中性平面的彎曲半 徑R和側(cè)面的彎曲半徑之間的差別。
[0038] 此外優(yōu)選地，一種根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于，
[0039] -型板表面
[0040]-形成為圓柱形或具有恒定半徑&的圓柱扇形，從而型板表面具有圓弧形橫截面， 其具有恒定的半徑&，或者
[0041]-形成為圓錐形或圓錐扇形，從而使型板表面在至少一個位置上具有圓弧形橫截 面，其具有恒定的半徑Rp其中，
[0042] -該橫截面為圓弧形的型板表面是凹形的，并且通過壓力將樣品的第一側(cè)面的至 少一個區(qū)域沿徑向以面接觸方式壓在該凹形的型板表面上，由此使樣品在樣品的待檢測區(qū) 段中、在樣品的待檢測邊緣上被強加有半徑為R的圓弧形彎曲，從而使樣品的第一側(cè)面的 該壓區(qū)域與凹形的型板表面以面接觸方式接觸，
[0043] 或者
[0044] -該橫截面為圓弧形的型板表面是凸形的，并且通過壓力將樣品的第二側(cè)面的至 少一個區(qū)域沿徑向以面接觸方式從外側(cè)壓在凸形的型板表面上，由此使樣品在樣品的待檢 測區(qū)域中、在樣品的待檢測邊緣上被強加有半徑為R的圓弧形彎曲，從而使樣品的第二側(cè) 面的該壓區(qū)域與凸形的型板表面以面接觸方式接觸。
[0045] 該實施方式是特別有利的，因為在此所配置的型板類型的使用特別簡單并且是有 容許誤差的。通過以面接觸方式壓在相應(yīng)型板表面上，使樣品實現(xiàn)了均勻的圓弧形的彎曲。 由此可以確保樣品邊緣上的每個點均承受預(yù)先限定的彎曲并因此承受預(yù)期的應(yīng)力負荷。
[0046] 可以有意地為樣品的中性面強加半徑為R的彎曲。這可以通過使用具有曲率半徑 &的凹形型板表面來精確地實現(xiàn)，該曲率半徑連同樣品的中性面的期望半徑R對應(yīng)于在樣 品的壓狀態(tài)下連同該中性面與凹形的型板表面的間距。在使用凸形型板的情況下也是類似 如此，在這種情況下，型板的半徑&相對于R減小了樣品的中性面與凸形型板表面的間距。 因此，通常對于凹形型板表面來說，&= R+t/2,而在凸形型板表面情況下，L= R-t/2。因 此，上述兩種情況都導(dǎo)致將中性面通常作為樣品的中心面，但是相應(yīng)地分別將一個側(cè)面壓 在型板表面上。然而在許多情況下可以忽略&和R之間的差異并有I= R。
[0047] 另一個實施方式的特征在于，通過將樣品沿著待檢測的邊緣連續(xù)地或逐段地相對 于型板移動，使得樣品在待檢測的區(qū)段中在待檢測的邊緣上沿著待檢測的邊緣逐段地被強 加有彎曲半徑為R的圓弧形的彎曲。
[0048] 該實施方式能夠?qū)崿F(xiàn)對幾乎任意長度的邊緣的檢測。邊緣和型板之間的相對移動 可能造成邊緣在型板上的滑動。但是這種滑動例如也可以通過在圓柱形的隨動型板上的滾 動來避免。
[0049] 根據(jù)本發(fā)明的另一種方法的特征在于，型板的型板表面是凸形的，并且
[0050] -樣品的第二側(cè)面通過壓力而壓在凸形的型板表面上，并且
[0051] -壓力通過可彎曲的帶傳遞到樣品的第一側(cè)面或樣品的第二側(cè)面上，其中，該可彎 曲的帶優(yōu)選平行于樣品的待檢測的邊緣延伸，并且優(yōu)選與待檢測的邊緣間隔開以及優(yōu)選粘 附在樣品的第一側(cè)面或第二側(cè)面上，并且優(yōu)選突出樣品，優(yōu)選該可彎曲的帶被構(gòu)造為柔性 的（f Iexibel)，并且優(yōu)選該可彎曲的帶被構(gòu)造為自粘附的。
[0052] 該可彎曲的帶使得樣品能夠可靠地壓在型板上。該優(yōu)選的實施方式極大地簡化了 對樣品的維護。
[0053] 本發(fā)明的另一個實施方式的特征在于，型板表面是凸形的，并且包括以下步驟：
[0054] a)將可彎曲的帶粘附在樣品的第一側(cè)面上或者粘附在樣品的第二側(cè)面上，并平行 于待檢測的邊緣且與樣品的待檢測邊緣間隔開，其中，優(yōu)選將該可彎曲的帶構(gòu)造為自粘附 的，并且優(yōu)選該可彎曲的帶為柔性的，
[0055] b)將樣品放置在凸形的型板表面上，從而使樣品的第二側(cè)面接觸凸形的型板表 面，
[0056] c)特別是借助該可彎曲的帶調(diào)整作用在樣品上的力平衡，從而使樣品在待檢測的 區(qū)段中通過凸形的型板表面彎曲，并且將樣品的第二側(cè)面以面接觸方式壓在凸形的型板表 面上，由此使得樣品的第二側(cè)面在待檢測的邊緣上至少暫時地承受具有型板表面的彎曲半 徑&的圓弧形的彎曲，以及優(yōu)選
[0057] d)將樣品沿著待檢測的邊緣相對于型板移動，從而使樣品的暴露于型板表面的彎 曲半徑&的區(qū)段沿著待檢測的邊緣增大，并且樣品的邊緣的檢測區(qū)段沿著待檢測的邊緣擴 張。
[0058] 該實施方式具有這樣的優(yōu)點：當(dāng)樣品斷裂時，粘附的可彎曲帶能夠?qū)⑺槠３衷?一起。這對于可能的進一步分析斷裂樣品來說是有意義的。此外，這在可能手動實施該方 法的情況下提高了操作的安全性?？蓮澢膸г谶@種情況下也可以用作樣品的一種"把 手"，操作者在這些帶上抓住樣品，并在必要時通過施加拉力使樣品在型板上彎曲。然而 在個別情況下也可