化學強化玻璃：結構

化學強化玻璃起源于20世紀6 0 年代，由康寧（Corning）開發，命名為“Chemcor”，可以應用于汽車、航空航天和制藥行業，但是顯然并未成為業內的主流。不過，在本世紀初，該項技術煥發了新的活力，改進產品被命名為“大猩猩玻璃”（Gorilla Glass），并迅速成為用于智能手機和平板電腦面板的主流材質。截止到2013年5月底，估計超過15億臺售出的設備使用了大猩猩玻璃。

生產大猩猩玻璃的工藝仍然利用了生產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溶液中的鉀離子交換。正如圖1所示， 因為鉀離子大于鈉離子，使得玻璃表面具有更大的殘余壓應力。該壓應力反過來又可以阻止裂紋的產生，從而限制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。

這種表面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呈下降趨勢，這樣的話如果采用傳統的劃片和鋸切工藝會帶來更多問題。不夸張地說，通過傳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，為了切開一種材料，劃痕會非常深，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，拉應力作用于裂紋尖端，使得裂紋迅速自發地在中心的拉應力層進行無序擴展。由此在中心層產生的不可控和不規則的裂紋擴展通常會破壞整個部件。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的第一項專利發布于1969年，隨后很短時間內陸續出現了其他幾個專利。從那時開始，激光切割玻璃的技術發展日新月異。然而，對于大型工業化操作來說，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。非常高的內部應力會使裂紋沿著激光加工的路徑擴展開來，從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，這些技術僅限用于縱切。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沖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，但是適用于所有類型和厚度的化學強化玻璃。此外，切槽側壁基本是垂直的；組件增加的作用力可以忽略不計；切口表面和切屑尺寸與精磨相當。

加工體系和設備

該工藝使用了Hegoa的30W、515nm皮秒光纖激光器。該激光器能產生15至50 ps脈沖、重復頻率高達3MHz的激光束。準直激光束會擴束至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。隨后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，方便控制工件上的焦點深度。使用的最大脈沖能量是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面上移除焦點區域，速度高達10m/s。小焦點和短皮秒脈沖持續結合在一起會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，而不會產生有害的加熱和熱透鏡效應，這樣焦點作用區域可置于離材料表面很遠的地方（通常是底部或背面）。然后每個激光脈沖移除掉形狀與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余的熱量會隨著玻璃微屑而去，而基板上殘留的熱量會非常小。隨著激光束沿著掃描方向移動，在玻璃表面上會形成淺槽形切口。

然后沿著所需的路徑反復掃描，每一次重復都會有偏移，以形成所需的切槽寬度（圖2b）。繼續重復這些路徑，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面上，最后迅速地穿透整個部件。如圖3所示，可以在穿透強化層之前停止這一過程，這樣就可以在表面形成溝槽。只要壓應力層不被破壞，這些溝槽會保持穩定，并且不會導致部件損壞。

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%。我們相信關鍵在于斷裂力學的基本原則。

首先，斷裂力學指出只有超過臨界裂紋長度，才會在很少能量下發生不受控制的裂紋擴展。C.T.為91MPa的玻璃可以計算出臨界裂紋長度約5μm（見下面的公式），其中E為彈性模量，γ是玻璃的表面能量密度，σ是作用力：

將5μm的臨界裂紋長度與8μm的光斑直徑比較，我們就明白這一方法是如何避免災難性的自發裂紋擴展，即沒有產生超過臨界裂紋長度的裂紋。此外， 我們注意到，在中心層（位于拉應力層下）停止切割會導致一段時間后發生斷裂，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干凈的切割、基本垂直的側壁和最大的頂部和底部邊緣切屑（大小約等于8μm的光斑）。我們發現厚度范圍在0.4 至2mm、C.T.在0至91MPa范圍內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40MPa的玻璃的切割面頂部和底部的邊緣。觀察到的切割面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91MPa的玻璃板上切割出10個方形孔。在20張板、每張10個方形孔的情況下，良品率為100%。圖5b顯示了切割出來的正方形和圓形孔，圓孔直徑為2mm，此外還切割出外部圓角。

加工速度

為了彌補每束激光移除的相對較小的材料量，設置了掃描儀的最大速度和激光器的高脈沖重復頻率（PRF）。即便如此，振鏡掃描儀的速度仍然會限制Hegoa G30激光器（515nm、最大30W）的加工速度。圖6顯示了一個擴展性試驗的結果： 1.0mm厚的玻璃上的切割過程與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，較小的圓角半徑限制了掃描速度為5m/s，因此激光功率為14W 時的實際加工速度約為2.5mm/s。

總結

我們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部和外部的切割操作，范圍包括市面上所有的具有最高中心張力值的最薄的玻璃。此外，這一工藝幾乎適用于受測試的所有類型的玻璃，只在激光路徑的總數量上有所區別，而該數量只由玻璃厚度來決定。1.0mm厚的材料的加工速度與玻璃厚度成線性關系，最高為4.0mm/s。通過工藝優化，可以在0.4mm厚、C.T.為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，包括有效率的內部和外部弧形切割。