化學強化玻璃：結構

化學強化玻璃起源於(yu) 20世紀6 0 年代，由康寧（Corning）開發，命名為(wei) “Chemcor”，可以應用於(yu) 汽車、航空航天和製藥行業(ye) ，但是顯然並未成為(wei) 業(ye) 內(nei) 的主流。不過，在本世紀初，該項技術煥發了新的活力，改進產(chan) 品被命名為(wei) “大猩猩玻璃”（Gorilla Glass），並迅速成為(wei) 用於(yu) 智能手機和平板電腦麵板的主流材質。截止到2013年5月底，估計超過15億(yi) 台售出的設備使用了大猩猩玻璃。

生產(chan) 大猩猩玻璃的工藝仍然利用了生產(chan) Chemcor 玻璃的基礎原理。將鈉玻璃浸入堿性溶液，使得玻璃中的鈉離子與(yu) 溶液中的鉀離子交換。正如圖1所示， 因為(wei) 鉀離子大於(yu) 鈉離子，使得玻璃表麵具有更大的殘餘(yu) 壓應力。該壓應力反過來又可以阻止裂紋的產(chan) 生，從(cong) 而限製了任何裂紋末端的應力，可以減少瑕疵的誘發和蔓延。最終使得該玻璃的抗損壞性比未強化的玻璃高出很多倍，可以耐受智能手機日常使用中遇到的應力和應變。

這種表麵壓應力可以顯著提高玻璃的力學性能，但是強化玻璃的強度也會(hui) 呈下降趨勢，這樣的話如果采用傳(chuan) 統的劃片和鋸切工藝會(hui) 帶來更多問題。不誇張地說，通過傳(chuan) 統的方法來切割最高強度的玻璃是不可能實現的。雖然化學強化讓玻璃變得結實，但是也讓它難以用機械法切割。首先，為(wei) 了切開一種材料，劃痕會(hui) 非常深，作用力也必須非常高。同時，一旦劃痕深入到中間的拉應力區域，拉應力作用於(yu) 裂紋尖端，使得裂紋迅速自發地在中心的拉應力層進行無序擴展。由此在中心層產(chan) 生的不可控和不規則的裂紋擴展通常會(hui) 破壞整個(ge) 部件。所以需要一種新的切割方法。

激光技術的發展

激光加工玻璃技術相關(guan) 的第一項專(zhuan) 利發布於(yu) 1969年，隨後很短時間內(nei) 陸續出現了其他幾個(ge) 專(zhuan) 利。從(cong) 那時開始，激光切割玻璃的技術發展日新月異。然而，對於(yu) 大型工業(ye) 化操作來說，切割、劃片和斷裂以及磨料切割等技術仍占主導地位。這些傳(chuan) 統技術足以應付第一代的化學強化玻璃，但隨著最新具有更高應力等級的玻璃被開發出來，繼續使用傳(chuan) 統技術變得不再現實。

新一代的激光技術例如ESI的Diamond Blaze的出現使得高質量的快速縱切得以實現。在這些工藝中，拉應力層和/或壓應力層中受到的破壞變得可控。非常高的內(nei) 部應力會(hui) 使裂紋沿著激光加工的路徑擴展開來，從(cong) 而使得部件自動地沿著激光加工的路徑分離開來。但是，通常情況下，這些技術僅(jin) 限用於(yu) 縱切。目前開發出的其他技術在某種程度上可以實現弧形切割。

Eolite激光切割玻璃技術使用皮秒脈衝(chong) 激光器在玻璃中不斷生成微觀切屑，直到玻璃被有效切割。雖然這種技術的切割速度相對不高，但是適用於(yu) 所有類型和厚度的化學強化玻璃。此外，切槽側(ce) 壁基本是垂直的；組件增加的作用力可以忽略不計；切口表麵和切屑尺寸與(yu) 精磨相當。

加工體(ti) 係和設備

該工藝使用了Hegoa的30W、515nm皮秒光纖激光器。該激光器能產(chan) 生15至50 ps脈衝(chong) 、重複頻率高達3MHz的激光束。準直激光束會(hui) 擴束至12mm，在100mm焦距的F-theta遠心掃描場鏡作用下獲得8mm直徑的光斑。隨後移除被掃描的焦點區域， 形成所需要的各種切割形狀。掃描器安裝在Z軸上，方便控製工件上的焦點深度。使用的最大脈衝(chong) 能量是20μJ。

切割玻璃的過程

515nm激光束聚焦成約8μm直徑的光斑，使用高速掃描器在工件表麵上移除焦點區域，速度高達10m/s。小焦點和短皮秒脈衝(chong) 持續結合在一起會(hui) 在焦點處發生強烈的非線性作用。反過來又使得未聚焦的光束可自由通過玻璃，而不會(hui) 產(chan) 生有害的加熱和熱透鏡效應，這樣焦點作用區域可置於(yu) 離材料表麵很遠的地方（通常是底部或背麵）。然後每個(ge) 激光脈衝(chong) 移除掉形狀與(yu) 光斑大小類似的玻璃微屑（圖2a）。皮秒的非熱效應性質保證了大部分多餘(yu) 的熱量會(hui) 隨著玻璃微屑而去，而基板上殘留的熱量會(hui) 非常小。隨著激光束沿著掃描方向移動，在玻璃表麵上會(hui) 形成淺槽形切口。

然後沿著所需的路徑反複掃描，每一次重複都會(hui) 有偏移，以形成所需的切槽寬度（圖2b）。繼續重複這些路徑，同時在需要的時候沿著垂直軸的方向進行調整，以確保激光作用在切割麵上，最後迅速地穿透整個(ge) 部件。如圖3所示，可以在穿透強化層之前停止這一過程，這樣就可以在表麵形成溝槽。隻要壓應力層不被破壞，這些溝槽會(hui) 保持穩定，並且不會(hui) 導致部件損壞。

切割過程的物理學

第一眼看上去，還不清楚這種切割方法是如何避免激光在內(nei) 部拉應力層中切割時自發發生裂紋的不規則擴展。不過，已經利用這種方法在最高中心張力（C.T.）和最薄的（400μm）強化玻璃上進行數以百次的切割，良品率超過99%。我們(men) 相信關(guan) 鍵在於(yu) 斷裂力學的基本原則。

首先，斷裂力學指出隻有超過臨(lin) 界裂紋長度，才會(hui) 在很少能量下發生不受控製的裂紋擴展。C.T.為(wei) 91MPa的玻璃可以計算出臨(lin) 界裂紋長度約5μm（見下麵的公式），其中E為(wei) 彈性模量，γ是玻璃的表麵能量密度，σ是作用力：

將5μm的臨(lin) 界裂紋長度與(yu) 8μm的光斑直徑比較，我們(men) 就明白這一方法是如何避免災難性的自發裂紋擴展，即沒有產(chan) 生超過臨(lin) 界裂紋長度的裂紋。此外， 我們(men) 注意到，在中心層（位於(yu) 拉應力層下）停止切割會(hui) 導致一段時間後發生斷裂，這意味著在這一層中加工速度比自發裂紋增長速度更快。考慮到小的切屑尺寸和合理快速的切割速度，便可以解釋這一方法是如何避免材料的無序斷裂了。

加工結果

這種自下而上的切割過程可以帶來幹淨的切割、基本垂直的側(ce) 壁和最大的頂部和底部邊緣切屑（大小約等於(yu) 8μm的光斑）。我們(men) 發現厚度範圍在0.4 至2mm、C.T.在0至91MPa範圍內(nei) 的玻璃都可以應用同一基本加工參數，而且良品率超過99%。圖4顯示了700μm厚度、C.T.為(wei) 40MPa的玻璃的切割麵頂部和底部的邊緣。觀察到的切割麵頂部和底部的最大切屑尺寸約10μm。深色的邊緣是陰影，不是玻璃變色。測量的錐度為(wei) 5°左右。圖5a顯示了使用Hegoa激光器在寬40mm、長60mm、400μm厚度、C.T.為(wei) 91MPa的玻璃板上切割出10個(ge) 方形孔。在20張板、每張10個(ge) 方形孔的情況下，良品率為(wei) 100%。圖5b顯示了切割出來的正方形和圓形孔，圓孔直徑為(wei) 2mm，此外還切割出外部圓角。

加工速度

為(wei) 了彌補每束激光移除的相對較小的材料量，設置了掃描儀(yi) 的最大速度和激光器的高脈衝(chong) 重複頻率（PRF）。即便如此，振鏡掃描儀(yi) 的速度仍然會(hui) 限製Hegoa G30激光器（515nm、最大30W）的加工速度。圖6顯示了一個(ge) 擴展性試驗的結果： 1.0mm厚的玻璃上的切割過程與(yu) 激光功率成線性比例。玻璃越薄，速度越高。圖5中在切割各種形狀時，較小的圓角半徑限製了掃描速度為(wei) 5m/s，因此激光功率為(wei) 14W 時的實際加工速度約為(wei) 2.5mm/s。

總結

我們(men) 有能力用皮秒光纖激光器對化學強化玻璃例如大猩猩玻璃進行內(nei) 部和外部的切割操作，範圍包括市麵上所有的具有最高中心張力值的最薄的玻璃。此外，這一工藝幾乎適用於(yu) 受測試的所有類型的玻璃，隻在激光路徑的總數量上有所區別，而該數量隻由玻璃厚度來決(jue) 定。1.0mm厚的材料的加工速度與(yu) 玻璃厚度成線性關(guan) 係，最高為(wei) 4.0mm/s。通過工藝優(you) 化，可以在0.4mm厚、C.T.為(wei) 91的玻璃上實現6至8mm/s的切割速度。Hegoa搭配高速線切割的工藝可以實現大型平板玻璃的快速劃片，包括有效率的內(nei) 部和外部弧形切割。