一种通过预设应力辅助玻璃图案化的成型方法

1.本发明涉及玻璃加工技术领域，尤其涉及一种通过预设应力辅助玻璃图案化的成型方法。


背景技术：

2.随着工业的发展，以玻璃为代表的透明硬脆材料的微加工越来越重要，其中玻璃表面图案化的成型方法是加工工艺和制造的难点，目前，在玻璃表面上成型出所需要的纹路或图案，通常都是采用机械雕刻法、模具压印法或普通的蚀刻方法，采用机械雕刻法和模具压印法在玻璃表面成型出所需要的纹路或图案，对玻璃自身的厚度有要求，而且制备工艺复杂，容易导致所成型的纹路或图案很粗糙，外观效果差，且生产效率低；采用普通的蚀刻方法在进行蚀刻过程中，蚀刻液容易扩散到无需进行图案化的区域，使得所成型的纹路或图案难以达到预期的效果。


技术实现要素：

3.针对背景技术提出的问题，本发明的目的在于提出一种通过预设应力辅助玻璃图案化的成型方法，通过使玻璃的表层待图案化的区域产生表面起伏和内应力，再使用氢氟酸腐蚀溶液进行腐蚀，由于表面起伏和内应力，玻璃发生非均匀腐蚀，从而在玻璃的表面形成所需的图案，制备能够精确的获得所需要的图案，图案效果好，整个制玻璃图案化的成型方法过程简单且技术要求低，可以应用于任何厚度的玻璃的厚度，解决了现有玻璃图案化的成型方法工艺复杂和所成型的纹路或图案效果差的问题。
4.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
5.一种通过预设应力辅助玻璃图案化的成型方法，包括以下步骤：
6.(1)使玻璃的表层待图案化的区域熔化；
7.(2)对熔化的玻璃冷却，使熔化的玻璃重新凝固，从而使玻璃的表层待图案化的区域产生预应力；
8.(3)将玻璃板置于氢氟酸腐蚀溶液中进行腐蚀，形成所需图案。
9.进一步的，所述步骤(1)的操作方法如下：对玻璃待图案化的一侧进行激光照射，且激光照射的区域为待图案化的区域，使玻璃的表层待图案化的区域熔化；对玻璃的另一侧进行加热，加热的温度低于玻璃的软化温度；
10.所述步骤(2)的操作方法如下：停止激光照射，将玻璃板待图案化的一侧放入冷却介质中进行冷却，使熔化的玻璃重新凝固，同时保持另一侧的加热，从而使玻璃的表层待图案化的区域产生预应力。
11.进一步的，所述步骤(1)的操作方法如下：对玻璃待图案化的一侧进行激光照射，且激光照射的区域为待图案化的区域，使玻璃的表层待图案化的区域熔化；
12.所述步骤(2)的操作方法如下：将玻璃另一侧放入冷却介质中进行冷却；停止激光照射，使熔化的玻璃重新凝固后，玻璃的表层待图案化的区域产生预应力。
13.进一步的，所述步骤(1)的操作方法如下：将具有凸起的模具压在玻璃待图案化的一侧，模具的温度大于玻璃的软化温度，模具凸起的位置和玻璃待图案化的区域相对应，使玻璃的表层待图案化的区域熔化；
14.所述步骤(2)的操作方法如下：移除模具后，将玻璃浸入冷却介质中，熔化的玻璃重新凝固，玻璃的表层待图案化的区域产生预应力。
15.进一步的，所述步骤(1)的操作方法如下：将玻璃放置于压力为0.1～30mpa的水中，对玻璃的表层待图案化的区域进行激光照射，激光透过水并对玻璃的表层待图案化的区域进行熔化；
16.所述步骤(2)的操作方法如下：熔化后的玻璃在水中冷却后重新凝固，玻璃的表层待图案化的区域产生预应力。
17.进一步的，所述激光的波长为1～20μm。
18.进一步的，玻璃的特性和激光的属性满足以下公式：
[0019][0020]
上述公式中，p为激光脉冲功率，v为激光扫描速度，d为激光光斑直径，δ为玻璃软化层厚度，ρ为玻璃密度，c为玻璃比热容，δt为玻璃转变温度与室温的温度差，η为玻璃对激光的吸光度，β为热耗散的加热效率，β取值0.9。
[0021]
进一步的，所述步骤(1)的操作方法如下：对玻璃待图案化的一侧进行激光照射，且激光照射的区域为待图案化的区域，使玻璃的表层待图案化的区域熔化；采用远红外加热法对玻璃的另一侧进行加热，加热的温度低于玻璃的软化温度：
[0022]
进一步的，所述冷却介质为水溶液、冰-盐-水混合溶液和液氮中的任意一种。
[0023]
上述技术方案具有以下有益效果：本技术通过使玻璃的表层待图案化的区域熔化，再对熔化的玻璃冷却，使熔化的玻璃重新凝固，从而使玻璃的表层待图案化的区域产生预应力和表面起伏，由于在玻璃待图案化的区域的表面产生起伏，使得玻璃表面的粗糙度不均匀，无法像原本一样平滑，同时由于玻璃待图案化的区域具有内应力，将玻璃置于氢氟酸腐蚀溶液中时，玻璃具有内应力的区域相对没有内应力的区域的腐蚀速度会更快，导致玻璃表面的腐蚀速率不均匀，玻璃发生非均匀腐蚀，在玻璃的表面形成所需的图案，本技术方案玻璃图案化的成型方法能够精确的获得所需要的图案，图案效果好，整个制玻璃图案化的成型方法过程简单，可以应用于任何厚度的玻璃的厚度，同时整个成型方法对技术要求低，解决了现有玻璃图案化的成型方法工艺复杂和所成型的纹路或图案效果差的问题。
附图说明
[0024]
图1是实施例1通过预设应力辅助玻璃图案化的成型方法的工艺流程图；
[0025]
图2是实施例2通过预设应力辅助玻璃图案化的成型方法的工艺流程图；
[0026]
图3是实施例3通过预设应力辅助玻璃图案化的成型方法的工艺流程图；
[0027]
图4是实施例4通过预设应力辅助玻璃图案化的成型方法的工艺流程图；
[0028]
其中，未加工的玻璃1、照射激光2、远红外加热3、液氮4、实施例1加工完成的玻璃5、实施例2加工完毕的玻璃6、模具7、受压变形的玻璃8、实施例3加工完毕的玻璃9、高压水
容器10、实施例4加工完毕的玻璃11。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。
[0030]
一种通过预设应力辅助玻璃图案化的成型方法，包括以下步骤：
[0031]
(1)使玻璃的表层待图案化的区域熔化；
[0032]
(2)对熔化的玻璃冷却，使熔化的玻璃重新凝固，从而使玻璃的表层待图案化的区域产生预应力；
[0033]
(3)将玻璃板置于氢氟酸腐蚀溶液中进行腐蚀，形成所需图案。
[0034]
目前，在玻璃表面上成型出所需要的纹路或图案，通常都是采用机械雕刻法、模具压印法或普通的蚀刻方法，采用机械雕刻法和模具压印法在玻璃表面成型出所需要的纹路或图案，对玻璃自身的厚度有要求，而且制备工艺复杂，容易导致所成型的纹路或图案很粗糙，外观效果差，且生产效率低；采用普通的蚀刻方法在进行蚀刻过程中，蚀刻液容易扩散到无需进行图案化的区域，使得所成型的纹路或图案难以达到预期的效果。
[0035]
本技术通过使玻璃的表层待图案化的区域熔化，再对熔化的玻璃冷却，使熔化的玻璃重新凝固，从而使玻璃的表层待图案化的区域产生预应力和表面起伏，由于在玻璃待图案化的区域的表面产生起伏，使得玻璃表面的粗糙度不均匀，无法像原本一样平滑，同时由于玻璃待图案化的区域具有内应力，将玻璃置于氢氟酸腐蚀溶液中时，玻璃具有内应力的区域相对没有内应力的区域的腐蚀速度会更快，导致玻璃表面的腐蚀速率不均匀，玻璃发生非均匀腐蚀，在玻璃的表面形成所需的图案。本技术方案通过在玻璃待图案化的区域产生起伏和内应力，再将步骤(1)获得的玻璃置于氢氟酸腐蚀溶液中，玻璃发生非均匀腐蚀，从而在玻璃的表面形成所需的图案，制备能够精确的获得所需要的图案，图案效果好，整个制玻璃图案化的成型方法过程简单，可以应用于任何厚度的玻璃的厚度，同时整个成型方法对技术要求低，解决了现有玻璃图案化的成型方法工艺复杂和所成型的纹路或图案效果差的问题。
[0036]
进一步的说明，步骤(1)的操作方法如下：对玻璃待图案化的一侧进行激光照射，且激光照射的区域为待图案化的区域，使玻璃的表层待图案化的区域熔化；对玻璃的另一侧进行加热，加热的温度低于玻璃的软化温度；
[0037]
步骤(2)的操作方法如下：停止激光照射，将玻璃板待图案化的一侧放入冷却介质中进行冷却，使熔化的玻璃重新凝固，同时保持另一侧的加热，从而使玻璃的表层待图案化的区域产生预应力。
[0038]
具体来说，在本技术方案中，先在玻璃待图案化的一侧设置局部激光，使玻璃的表层在待图案化的区域范围内熔化，再对玻璃的另一侧进行整体加热，并控制加热温度始终低于玻璃的软化温度，停止待图案化的一侧的激光照射，将玻璃待图案化的一侧放入冷却介质中浸泡冷却，同时保持另一侧的加热，从而使玻璃的两侧形成温度差，在此条件下使表层熔融状态的玻璃重新凝固，在玻璃上图案化的区域产生表面起伏，并产生预设内应力，然后将玻璃置于氢氟酸腐蚀溶液中，由于表面起伏与残余应力，玻璃发生非均匀腐蚀，形成所需的图案。
[0039]
本技术方案的玻璃产生表面起伏和产生预设内应力的原理如下：受到激光加热熔
化后的玻璃冷却时，与正再进行加热中的玻璃的另一侧形成两侧间温度差，由热胀冷缩原理，加热侧玻璃膨胀，冷却侧收缩，玻璃内部微观结构变化形成内应力，同时冷却后的玻璃无法像原本一样平滑，表面粗糙度不均匀，此为表面起伏。
[0040]
具体的，本技术方案中冷却介质的温度满足冷却需求便可，可是常温的冷却介质或时候低于常温的冷却介质，常温的冷却介质有助于产生更大的内应力。
[0041]
进一步的说明，步骤(1)的操作方法如下：对玻璃待图案化的一侧进行激光照射，且激光照射的区域为待图案化的区域，使玻璃的表层待图案化的区域熔化；
[0042]
步骤(2)的操作方法如下：将玻璃另一侧放入冷却介质中进行冷却；停止激光照射，使熔化的玻璃重新凝固后，玻璃的表层待图案化的区域产生预应力。
[0043]
具体来说，在本技术方案中，先在玻璃的待图案化的一侧设置局域化激光，使表层玻璃在待图案化的区域范围内熔化，将玻璃的另一侧放入冷却介质中进行冷却，在此条件下与激光照射中待图案化的一侧形成温度差，停止待图案化的一侧的激光照射，使表层熔融状态的玻璃自然凝固，在玻璃待图案化的位置产生表面起伏，并产生预设应力，最后将玻璃置于氢氟酸腐蚀溶液中，由于表面起伏与残余应力，玻璃发生非均匀腐蚀，形成所需的图案。
[0044]
本技术方案的玻璃产生预设内应力的原理如下：根据热胀冷缩原理，玻璃处于冷却介质中的一侧的温度低于常温，逐渐收缩，而玻璃待图案化的一侧，熔化后自然凝固过程中，玻璃逐渐由膨胀态恢复，在此并列过程中玻璃内部围观结构产生变化，形成内应力。
[0045]
具体的，本技术方案中冷却介质为低于常温的冷却介质。
[0046]
进一步的说明，步骤(1)的操作方法如下：将具有凸起的模具压在玻璃待图案化的一侧，模具的温度大于玻璃的软化温度，模具凸起的位置和玻璃待图案化的区域相对应，使玻璃的表层待图案化的区域熔化；
[0047]
步骤(2)的操作方法如下：移除模具后，将玻璃浸入冷却介质中，熔化的玻璃重新凝固，玻璃的表层待图案化的区域产生预应力。
[0048]
具体来说，在本技术方案中，先使用将一个高温且具有凸起的模具压在玻璃的待图案化的一侧，模具凸起的位置和玻璃待图案化的区域相对应，控制模具的温度为超过玻璃转变点温度10～150℃的温度，同时模具对玻璃施加0.1～30mpa的压力，在高温和压力的双重作用下，玻璃表层待图案化的位置熔化并凹陷，移除高温模具，将玻璃立即浸入冷却介质中，使熔融状态的玻璃凝固，最终使得玻璃产生表面起伏和表面预设应力，最后将玻璃置于氢氟酸腐蚀溶液中，由于表面起伏与残余应力，玻璃发生非均匀腐蚀，形成所需的图案。
[0049]
本技术方案的玻璃产生预设内应力的原理如下：玻璃凹陷熔化位置在冷却时，膨胀与收缩程度与未熔化位置有很大差异，于是冷却完成后，外部收缩比内部大，表层玻璃内部结构变化，形成内应力。
[0050]
进一步的说明，步骤(1)的操作方法如下：将玻璃放置于压力为0.1～30mpa的水中，对玻璃的表层待图案化的区域进行激光照射，激光透过水并对玻璃的表层待图案化的区域进行熔化；
[0051]
步骤(2)的操作方法如下：熔化后的玻璃在水中冷却后重新凝固，玻璃的表层待图案化的区域产生预应力。
[0052]
具体来说，在本技术方案中，将玻璃置于压力为0.1-30mpa的高水压环境下，对玻
璃板待图案化的一侧进行局部激光照射，激光透过水并熔化玻璃的表层，使得照射区域瞬间熔化后又在水(水的温度为-20～50℃)中立即冷却，产生表面起伏和表面预设应力，处理得到的玻璃的表面具有微观起伏，在高水压环境下，由于玻璃厚度不均匀，微观压强存在差异，使得玻璃表面待图案化的位置与其他位置形成差异，有利于后续进行针对性腐蚀，在后续腐蚀过程中，具有内应力较强的位置会被优先腐蚀，腐蚀速率相较其他位置会更快，从而产生针对性；将玻璃置于氢氟酸腐蚀溶液后，由于表面起伏与残余应力，玻璃发生非均匀腐蚀，形成所需的图案。
[0053]
本技术方案的玻璃产生预设内应力的原理如下：由于本方案中的比例处于0.1～30mpa的高水压环境，激光熔化玻璃的表层时，高水压环境使玻璃内部产生抵抗力，撤去激光玻璃冷却，又因为外部收缩比内部大，加大了抵抗力，即为内应力。
[0054]
值得说明的是，在上述技术方案中，为了防止激光能量过多流失和提高工艺效率，应尽可能使玻璃待图案化的一侧贴近水面。
[0055]
进一步的说明，激光的波长为1～20μm。
[0056]
值得说明的是，本技术方案将激光的波长控制在1～20μm内，有利于激光熔化玻璃，由于玻璃对激光有一定透光率，需要控制在该范围内才能较为高效地熔化玻璃，若激光的波长小于1μm会导致围能量损耗过大，若激光的波长大于20μm，使得激光的能量较低，难以对玻璃进行熔化，后期则难以在玻璃的表层形成所需的图案或纹理。
[0057]
优选的，本技术方案中激光的波长为2.5～5μm。
[0058]
进一步的说明，玻璃的特性和激光的属性满足以下公式：
[0059][0060]
上述公式中，p为激光脉冲功率，v为激光扫描速度，d为激光光斑直径，δ为玻璃软化层厚度，ρ为玻璃密度，c为玻璃比热容，δt为玻璃转变温度与室温的温度差，η为玻璃对激光的吸光度，β为热耗散的加热效率，β取值0.9。
[0061]
值得说明的是，为了满足不同种类玻璃的不同特性，可根据上述公式选择合适属性的激光，对于一定特性的玻璃，通过此公式可以帮助定义激光的属性来熔化玻璃，此公式使该本技术方案具有更高普适性。
[0062]
具体的，β为热耗散的加热效率，β可取值0.9。
[0063]
进一步的说明，步骤(1)的操作方法如下：对玻璃待图案化的一侧进行激光照射，且激光照射的区域为待图案化的区域，使玻璃的表层待图案化的区域熔化；采用远红外加热法对玻璃的另一侧进行加热，加热的温度低于玻璃的软化温度。
[0064]
值得说明的是，本技术方案采用远红外加热法对玻璃非图案化一侧进行整体加热，避免加热设备与玻璃直接接触，为玻璃自由受热膨胀留出空间。，从而在玻璃上待图案化的区域产生预设内应力。
[0065]
进一步的说明，冷却介质为水溶液、冰-盐-水混合溶液和液氮中的任意一种。
[0066]
下面结合实施例进一步阐述本技术方案。
[0067]
实施例1
[0068]
本实施例中通过预设应力辅助玻璃图案化的成型方法包括以下步骤：
[0069]
(1)在玻璃(软化温度为520℃)待图案化的一侧进行激光照射，使用激光的波长为3.5μm，且激光照射的区域为待图案化的区域，使玻璃待图案化的区域熔化；对玻璃的另一侧采用远红外加热法进行加热，加热温度为300℃；
[0070]
(2)停止激光照射，将玻璃板待图案化的一侧采用液氮进行冷却，同时保持另一侧的加热，使玻璃的两侧形成温度差，表层熔融状态的玻璃重新凝固，在玻璃待图案化的区域产生表面起伏和预应力。
[0071]
(3)将步骤(2)获得的玻璃置于浓度为50％的氢氟酸腐蚀溶液中，由于表面起伏与预应力，玻璃发生非均匀腐蚀，形成所需的图案。
[0072]
实施例2
[0073]
本实施例中通过预设应力辅助玻璃图案化的成型方法如下：
[0074]
在玻璃待图案化的一侧进行激光照射，使用激光波长为4.2μm，使软化温度为560℃的玻璃的表层待图案化的区域熔化；对玻璃板待图案化的另一侧喷洒液氮，进行冷却，在此条件下与激光照射中的待图案化一侧形成温度差，停止激光照射，使表层熔融状态的玻璃自然凝固，玻璃的表层待图案化的区域产生表面起伏和预应力；将上述获得的玻璃置于浓度为50％的氢氟酸腐蚀溶液中，由于表面起伏与预应力，玻璃发生非均匀腐蚀，形成所需的图案。
[0075]
实施例3
[0076]
本实施例中通过预设应力辅助玻璃图案化的成型方法包括以下步骤：
[0077]
(1)将具有凸起的模具压在玻璃待图案化的一侧，模具的温度为620℃，大于玻璃的软化温度570℃，模具凸起的位置和玻璃待图案化的区域相对应，使玻璃待图案化的区域熔化；
[0078]
(2)移除模具后，将玻璃浸入常温冷却介质中，使熔融状态的玻璃凝固，玻璃待图案化的区域产生表面起伏和预应力；
[0079]
(3)将步骤(2)获得的玻璃置于浓度为55％的氢氟酸腐蚀溶液中，由于表面起伏与预应力，玻璃发生非均匀腐蚀，在玻璃的表面形成所需的图案。
[0080]
实施例4
[0081]
本实施例中通过预设应力辅助玻璃图案化的成型方法包括以下步骤：
[0082]
(1)将玻璃置于2mpa的高水压环境下，对玻璃的表层待图案化的一侧进行激光照射，使用激光波长为5μm，激光照射的区域为待图案化的区域，激光透过水并对玻璃的表层待图案化的区域进行熔化；
[0083]
(2)激光照射区域熔化后的玻璃在水中立即冷却，产生表面起伏和预应力；
[0084]
(3)将步骤(2)获得的玻璃置于浓度为50％的氢氟酸腐蚀溶液中，由于表面起伏和预应力，玻璃发生非均匀腐蚀，形成所需的图案。
[0085]
具体的，实施例1-4通过预设应力辅助玻璃图案化的成型方法的工艺流程图如附图1-4所示，本技术方案的玻璃图案化的成型方法简单，能够在玻璃的表面获得形成所需的图案。
[0086]
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入
本发明的保护范围之内。