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玻璃激光打孔和成型
- 2018-01-29 -

  千百年来,玻璃已经成为人们非常熟知的材料了,被用于种类繁多的透明或彩色产品中。现在,玻璃的生产具有显著的生态优势,这主要得益于其取之不尽的原材料,例如沙子、纯碱、石灰石和回炉碎玻璃,它在工业国家的回收率高达80%,并且有些地方(例如德国)还有着高效的回收系统。由于其优异的耐久性、机械强度和耐化学腐蚀性,玻璃这种令人着迷的材料具有非常广泛的应用范围(图1),尽管聚合物在过去50年中也抢走了不少市场份额。

  为了保持原有市场并开拓新的市场,玻璃激光打孔企业的研发活动持续不断。其中之一是朝着非常薄的玻璃(20-200μm的厚度)发展,以应用在消费类产品和电子产品领域的轻质和柔韧的产品中。对于较厚的玻璃,研发人员不断尝试提高其机械强度或进一步改进玻璃产品的光学性能,以满足消费类电子产品、医疗设备、光学器件以及建筑、汽车、航空航天、太阳能等应用的高要求。

  当玻璃的机械性能或其他特定性能不能满足一项应用的要求时,就要考虑其他种类的透明脆性材料了。鉴于玻璃大多数是无定形结构(如冻结熔融),替代的无机材料要么是由纯晶体构成,要么是透明的陶瓷。所有这些材料都要经过漫长的生产环节,最终才能得到想要的形状和属性。直到今天,绝大多数的加工步骤仍然依赖传统的机械加工技术,包括成型、划线、打孔、研磨或抛光等工序。

  用激光加工玻璃和晶体一直以来都相当具有挑战性,主要是因为其在可见光和近红外(NIR)光谱的低吸收和低的耐热冲击性。最突出和最“显而易见”的应用是用CO2激光器的高吸收波长在玻璃上进行激光打标。过去几年,在市场上出现了更复杂的方式来实现表面或玻璃的打标——使用飞秒激光器。然而,由于这些激光器的价格较高,其应用主要集中在医疗设备或高档化妆品和香水的包装中。

 众多选项

  由于对减少加工步骤、材料浪费以及生产中对用水需求在不断上升,市场不断推动着激光制造商和系统集成商开发传统加工技术的替代方案。在微加工领域的一些工序特别需要更加精确和水消耗较少的技术,例如切割和打孔等。过去采用的多种方法或多或少都获得了成功,它们使激光成功应用在切割玻璃或其他透明脆性材料上。这些工序分为:

   划片和断裂;

   特定应力分布的玻璃热分离;

   纯激光烧蚀;

   自下而上加工;

   用高能量密度的光学击穿来实现玻璃内划线;

   传统的熔化切割;

   在反应体积内成丝(例如长而窄的变型)。

  这些方法大多数都有优点,但同时还有很多局限性。例如,在用超快激光进行表面划线之后,用划片和断裂来机械分离截面较薄的脆性材料(厚度小于0.5mm)很有趣。但是它仅适用于直线以及低速到中速(10到100mm/s,根据厚度而定)的划线,并且经常会在断裂后留下不直的边缘,划线边和断裂边的弯曲强度也会有差异。不过,我们成功地将激光划片和断裂用于蓝宝石划切生产发光二极管(LED)中。


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