激光加工硬脆透明材料研究进展
【广东工业大学谢小柱教授研究团队】


       近年来,随着智能手机、LED照明、平板电脑,以及可穿戴设备等消费电子产品的不断发展,玻璃、蓝宝石等硬脆透明材料凭借其优异的物理化学性能而获得了广泛应用:比如坚硬的钢化玻璃用于智能手机的显示屏;坚硬耐划的蓝宝石不但可以应用于LED衬底、手机摄像头保护玻璃、智能手机显示屏、智能手表的盖板玻璃等3C电子产品,更是自动驾驶技术重要元件运动传感器 (motion sensor)、道路监视预警设备以及大窗口显示设备的首选材料,它即使在恶劣的运行环境中,依然能够最大程度地保护设备的正常工作;因其材料特性同时也长期应用于军用无人机、深海下潜及航天技术等领域。同时,随着无线充电和5G通讯技术的发展,智能手机背板也趋于采用玻璃来改善信号传输质量。

        在这些应用中所使用的玻璃、蓝宝石等材料,厚度通常较薄,硬度较高,且脆性高,非常易碎,工业应用中需要在这些硬脆材料上进行非常精密的切割、钻孔及开槽等加工过程,并且这类加工正朝着尺寸更小、重量更轻和成本更低的趋势发展,因此传统的化学刻蚀及机械加工工艺面临着极大的挑战。而激光作为一种先进的加工工具,已经越来越广泛地在工业生产中发挥着举足轻重的作用。随着激光技术的不断发展,激光在加工精度、质量、复杂度、效率及清洁环保等方面的性能越来越优异,从而在玻璃、蓝宝石等硬脆透明材料的加工中凸显出独特的优势。

        广东工业大学谢小柱教授研究团队对硬脆材料开展了激光精细加工的基础理论与方法、加工过程建模仿真与检测技术等研究。在激光干式加工方面,该团队提出了一种基于低成本的红外纳秒激光,在玻璃基片上刻蚀高对比度、耐久性好且无损伤的激光图案化的新技术。在激光背向湿式刻蚀方面,该团队研制出了一种高效切割蓝宝石的工作液体,建立了激光与多介质层相互作用的三维模型;考虑材料焓变和潜热的作用,模拟出LIBWE的材料去除过程;结合加工过程中空泡的动态行为、微射流及压力的变化特性的研究,揭示了激光背向湿式刻蚀的机理和微纳悬浮颗粒辅助增强作用机制,实现了玻璃、蓝宝石等硬脆透明材料的高质量激光加工。

        本综述在该团队长期积累的研究基础上,总结分析了激光穿透切割、激光划片、激光隐形切割、激光成丝、激光诱导背面干式刻蚀(LIBDE)、激光诱导背面湿式刻蚀(LIBWE)等激光加工方法。此外,还详细介绍了这些技术在微结构加工、钻孔、切割和图形加工中的应用。最后讨论了该领域目前面临的挑战和未来的发展前景。


在低频和高频作用下的激光背向湿式加工过程

研究团队简介
        谢小柱教授研究团队隶属于广东工业大学机电工程学院激光微纳加工研究中心、省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室。团队现有骨干教师5人、在读硕士/博士研究生20余人。该团队在长期的科研实践中,致力于硬脆材料激光精细加工技术和超快激光表面微纳制造技术的研究工作。完成多项国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、广东省自然科学基金项目、广州市科技计划项目。在Adv Mater InterfacesInt J Heat Mass Tran等SCI期刊发表及合作发表论文40余篇,获授权专利20余项。
        该团队的科研成果还包括一种红外激光背向湿式切割蓝宝石基片新技术,系统揭示了基于金属盐溶液体系的激光背向湿式加工机理,解决了蓝宝石低成本高质量加工的难题;提出超快激光CMP复合抛光技术解决第三代半导体基础材料SiC高效高质量抛光难题;提出通过短脉冲激光实现梯度表面润湿结构的制备和润湿性能梯度化调控,研发出具有高导热性能(最小热阻0.002 ℃/W)的新型导热型平板微热管;通过高频纳秒激光,在金属表面诱导形成多尺度微纳复合菜花结构,所形成的超疏水表面与水的粘附力仅1.4 μN,为目前论文报道的最低值;通过激光脉宽调控,实现对金属表面诱导形成微纳米结构的形貌控制。通过表面微结构形貌优化,抑霜性能相比普通金属表面最高提高20倍。

相关论文
Xie X Z, Zhou C X, Wei X, Hu W, Ren Q L. Laser machining of transparent brittle materials: from machining strategies to applications. Opto-Electronic Advances 2, 180017 (2019).
DOI: 10.29026/oea.2019.180017