玻(bo)璃(li)與塑料的(de)粘合(he)對于生(sheng)產功(gong)能性部件(jian)而言(yan)非(fei)常重要(yao)，因為這(zhe)些部件(jian)需要(yao)高(gao)透明度(du)和(he)(he)高(gao)造型(xing)靈活性。典型(xing)應(ying)用(yong)包括(kuo)室(shi)內和(he)(he)室(shi)外照(zhao)明，通(tong)過(guo)(guo)精確的(de)激光成型(xing)實現(xian)創(chuang)新的(de)玻(bo)璃(li)塑料組(zu)合(he)。例如：汽(qi)車前(qian)照(zhao)燈（圖1）和(he)(he)觸摸操作(zuo)元(yuan)(yuan)件(jian)（如顯示(shi)屏(ping)里的(de)觸摸操作(zuo)元(yuan)(yuan)件(jian)）。玻(bo)璃(li)的(de)成型(xing)能力(li)有限(xian)，而塑料對熱(re)和(he)(he)刮擦敏感，只能適(shi)應(ying)較低的(de)使用(yong)溫度(du)和(he)(he)溫度(du)循(xun)環。缺點(dian)限(xian)制了這(zhe)兩種(zhong)材料的(de)應(ying)用(yong)，而這(zhe)些限(xian)制可以通(tong)過(guo)(guo)結合(he)這(zhe)兩種(zhong)材料的(de)特定優勢來克(ke)服(fu)。

圖1 玻璃(li)塑料(liao)混合(he)粘接(jie)結(jie)合(he)了兩種材料(liao)的特定優勢。以(yi)典型應用汽車前照燈(deng)(deng)燈(deng)(deng)為例，它需要高透 明度和造型靈活性 ©Hella

       通過(guo)二氧化碳激光(guang)輻射對玻璃(li)樣品(pin)進(jin)行激光(guang)成型(xing)：將(jiang)微結構以(yi)1mm的間距引入厚度為3mm的玻璃(li)基板。這一點通過(guo)掃描(miao)系(xi)統實現(xian)，該(gai)掃描(miao) 系(xi)統可(ke)將(jiang)激光(guang)束(shu)多(duo)次高(gao)速引導至(zhi)玻璃(li)基板上。受激光(guang)束(shu)撞擊時，材料蒸發。燒(shao)蝕的顆粒可(ke)以(yi)被看作黃色火焰 。

       玻璃(li)一般通過粘(zhan)(zhan)(zhan)合(he)劑或粘(zhan)(zhan)(zhan)合(he)促(cu)進劑與塑料(liao)相結合(he)，但(dan)前提(ti)是材料(liao)是相容的(de)(de)，并且熱膨脹系數不會在高(gao)溫下導致嚴重的(de)(de)機械應力問(wen)題(ti)。由(you)于大多(duo)數玻璃(li)不易潤濕，因此(ci)即(ji)使使用(yong)增粘(zhan)(zhan)(zhan)劑，材料(liao)組合(he)的(de)(de)數量也有限。它需(xu)要特殊(shu)的(de)(de)零件設計和(he)復雜的(de)(de)工(gong)藝技術。而且，粘(zhan)(zhan)(zhan)合(he)劑的(de)(de)耐老化性也有限。

玻璃材料的激光成型

       通過按規定的(de)(de)(de)入(ru)射角構(gou)建樣品，在(zai)玻(bo)璃中產生凹槽。兩種(zhong)(zhong)不同的(de)(de)(de)激光(guang)(guang)源均可(ke)用于該(gai)工序。利用二(er)氧化碳激光(guang)(guang)器，掃(sao)描(miao)系統可(ke)將激光(guang)(guang)束高速(su)引導(dao)至(zhi)玻(bo)璃樣品上（標(biao)題圖(tu)）。憑借(jie)檢(jian)流計掃(sao)描(miao)鏡，這里(li)的(de)(de)(de)速(su)度(du)可(ke)以達到每秒(miao)(miao)數米。每次激光(guang)(guang)脈沖都會燒(shao)蝕材(cai)料。成型(xing)深度(du)和密度(du)可(ke)以通過行程量和掃(sao)描(miao)速(su)度(du)靈活(huo)調整。為了增加(jia)粘合強度(du)，還可(ke)在(zai)玻(bo)璃樣品上引入(ru)多種(zhong)(zhong)結(jie)構(gou)。該(gai)工藝(yi)的(de)(de)(de)優點是(shi)加(jia)工時間短，僅需要數秒(miao)(miao)。但是(shi)，需要注(zhu)意的(de)(de)(de)是(shi)，玻(bo)璃樣品在(zai)成型(xing)過程中會變熱(re)。如果結(jie)構(gou)密度(du)過高，熱(re)應力會導(dao)致部件破裂。

       利用超短(duan)脈沖（USP）激(ji)光源可(ke)以避(bi)(bi)開(kai)這些弊端。激(ji)光束的強聚焦(jiao)和15ps（15*10–12s）的短(duan)脈沖時(shi)間會產生(sheng)>10W/cm2的局部(bu)高強度峰(feng)值，它們(men)會立(li)即燒(shao)蝕(shi)材料(liao)。由于脈沖持續時(shi)間和材料(liao)升華時(shi)間短(duan)，幾乎(hu)察覺(jue)不到(dao)部(bu)件(jian)的加(jia)熱，因(yin)(yin)此該技術(shu)俗稱“冷燒(shao)蝕(shi)”。它能夠避(bi)(bi)免(mian)鉆孔處出現(xian)微裂紋和剝落，并使鉆孔壁獲(huo)得均勻的粗糙度，因(yin)(yin)此可(ke)以實現(xian)幾乎(hu)無損(sun)的工件(jian)加(jia)工。

圖2 基于激(ji)(ji)光的玻(bo)璃塑料粘合制(zhi)造分兩道(dao)工序——左：激(ji)(ji)光成(cheng)型(xing)，右(you)：激(ji)(ji)光連接（來(lai)源(yuan)：ILT， 圖：©Hanser）

       USP成型的(de)另一個優點是工藝的(de)高精度。每(mei)一次(ci)照(zhao)射都(dou)會燒(shao)蝕1μm層厚，因此幾乎可(ke)以在玻(bo)璃(li)上生成任意結構。該工藝在項(xiang)目過程中經過了改進，可(ke)提(ti)供極高的(de)可(ke)重復性，而可(ke)重復性對于塑料玻(bo)璃(li)的(de)牢(lao)固粘合來(lai)說非常關鍵。由于激光脈(mo)沖的(de)燒(shao)蝕率低，因此與(yu)二(er)氧(yang)化碳激光成型相比，其加工時間明顯更長，達(da)到了20-30s左(zuo)右。

利用新的激光波長進行連接

       銩光(guang)纖激(ji)光(guang)器被(bei)用于后續的(de)(de)連接(jie)(jie)。該(gai)激(ji)光(guang)器的(de)(de)發射波長為(wei)(wei)1940nm，發射的(de)(de)激(ji)光(guang)束在(zai)大(da)(da)多數工程聚合物(wu)的(de)(de)自然吸收范圍內。這種(zhong)激(ji)光(guang)器通常用于透明(ming)塑(su)(su)料(liao)(liao)的(de)(de)透射焊接(jie)(jie)，因為(wei)(wei)它可以(yi)在(zai)不添加(jia)吸收促進(jin)劑(ji)(ji)（例如(ru)：炭黑）的(de)(de)情況下熔(rong)化(hua)塑(su)(su)料(liao)(liao)。其(qi)應用一(yi)般包括醫療和(he)生物(wu)部件，如(ru)微(wei)流控(kong)芯片。在(zai)氣動卡(ka)盤中，塑(su)(su)料(liao)(liao)被(bei)夾在(zai)結構化(hua)玻璃(li)樣品的(de)(de)下方，然后它們在(zai)高壓下被(bei)壓在(zai)一(yi)起。激(ji)光(guang)束穿透玻璃(li)樣品并使塑(su)(su)料(liao)(liao)大(da)(da)面(mian)積熔(rong)化(hua)（圖2）。施加(jia)的(de)(de)粘合壓力(li)使塑(su)(su)料(liao)(liao)熔(rong)體流入微(wei)結構和(he)納塑(su)(su)料(liao)(liao)的(de)(de)固(gu)化(hua)帶來(lai)牢固(gu)的(de)(de)連接(jie)(jie)（圖3）。憑借這些結構，僅通過熔(rong)融的(de)(de)塑(su)(su)料(liao)(liao)及(ji)其(qi)表面(mian)的(de)(de)潤(run)濕即可產(chan)生高粘附(fu)力(li)。該(gai)結構以(yi)及(ji)因此(ci)形(xing)成的(de)(de)互鎖能(neng)夠產(chan)生剛性連接(jie)(jie)。這種(zhong)方法不需要諸如(ru)粘合促進(jin)劑(ji)(ji)或粘合劑(ji)(ji)等其(qi)他材料(liao)(liao)。除了(le)透明(ming)塑(su)(su)料(liao)(liao)外，還(huan)可以(yi)加(jia)入其(qi)他所需的(de)(de)顏(yan)色(se)組合，從而為(wei)(wei)設計師提(ti)供了(le)更大(da)(da)的(de)(de)設計自由度。

圖3 接(jie)合后的玻璃塑料混合結構(gou)：成(cheng)型玻璃樣 品（上）與(yu)聚碳酸酯平面樣品（下）形成(cheng)了 牢固的連接(jie)。塑料微結構(gou)區域（中）10 mm x 20 mm的范(fan)圍被(bei)照射(she)。由于兩個粘(zhan)接(jie)的部件(jian) 具有高透明度(du)，因此肉(rou)眼幾乎看(kan)不到熔融區域 ©Fraunhofer ILT

影響粘接強度的因素

     ;  接頭的機(ji)械強度不僅取(qu)決于(yu)塑(su)料(liao)的機(ji)械性能，而(er)且還(huan)取(qu)決于(yu)結構(gou)的密度和方向(xiang)。結構(gou)密度和方向(xiang)越(yue)大(da)，產生的互鎖點越(yue)多，粘接強度也更高。但是(shi)，余(yu)料(liao)密度也降低了，而(er)這將再次削弱(ruo)結構(gou)。

圖(tu)4 微結構的(de)(de)顯微圖(tu)（俯(fu)視圖(tu)）：玻璃是通(tong)過USP激(ji)光 束逐(zhu)層燒蝕的(de)(de)。與 二氧化碳激(ji)光束加工相比，高精(jing)度燒蝕可以生成幾乎沒有任何損(sun)壞(huai)的(de)(de)結構 ©Fraunhofer ILT

       強度(du)還(huan)取決(jue)于(yu)結(jie)構(gou)的(de)(de)方(fang)向。通過以相對(dui)于(yu)入射角(jiao)的(de)(de)工作角(jiao)度(du)加工玻璃材料，它(ta)(ta)能夠在玻璃中產生凹(ao)槽（圖4）。由(you)于(yu)塑料熔體(ti)的(de)(de)粘度(du)很高，因此熔體(ti)流動可通過直(zhi)徑約500μm的(de)(de)孔狀(zhuang)幾何結(jie)構(gou)來實現。如果凹(ao)槽沿相反的(de)(de)方(fang)向對(dui)齊，那么當塑料玻璃粘接處于(yu)負載狀(zhuang)態時，它(ta)(ta)將導致抗剪(jian)力和抗拉(la)力。

結語

       與其他(ta)接(jie)(jie)合工藝相比，基于(yu)激(ji)(ji)光(guang)的兩步法玻(bo)璃(li)塑料連接(jie)(jie)簡化了(le)工藝流程，直接(jie)(jie)連接(jie)(jie)減輕(qing)了(le)重量(liang)并開辟了(le)新(xin)的設計可能(neng)。在(zai)玻(bo)璃(li)中產生微結(jie)構實現了(le)兩種材料的互鎖連接(jie)(jie)。微結(jie)構的方向可以靈活調整來滿足部件的載荷要(yao)求，從而獲得最佳強(qiang)度。盡管二氧化碳激(ji)(ji)光(guang)器(qi)可用于(yu)快速(su)加工，但如果(guo)需(xu)要(yao)高(gao)粘(zhan)接(jie)(jie)強(qiang)度，超短脈沖激(ji)(ji)光(guang)源(yuan)將(jiang)更為適(shi)合，因為它(ta)能(neng)夠進行(xing)精確的燒(shao)蝕。

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