多焦点激光分离脆性透射材料机理及关键技术研究
发布时间：2021-07-22 23:25
脆性透射材料是应用广泛的功能性材料。其中,KDP晶体是我国“激光惯性约束聚变点火工程（神光计划）”所必须材料。同时,其他种类的脆性透射材料,如玻璃材料、夹层玻璃材料等,也在建筑、汽车、船舶、航空航天、军事、光学等领域中具备极其广泛的应用。然而,现阶段脆性透射材料切割分离往往采用机械方法完成,面临切割质量差、切割速度慢、切割损耗高、切割工艺流程繁琐等一系列问题。针对以上问题,本文创新性采用多焦点激光技术进行多种脆性透射材料的切割分离,解决现阶段脆性透射材料切割所面临的瓶颈问题。本文系统地研究了多焦点激光分离脆性透射材料机理及关键技术,并完成了多焦点激光光学系统设计、理论建模、有限元数值模拟分析、实验等一系列研究,取得的主要成果如下:（1）系统地研究了2种多焦点激光—衍生多焦点激光和可调式多焦点激光产生机理及相关光学系统设计过程。衍生多焦点激光产生基本原理为将待分离脆性透射材料放置于前后两个凹面聚焦反射镜之间,且激光束被前后凹面聚焦反射镜来回反射,并不断穿过脆性透射材料;在此过程中,激光束被不断聚焦和发散,从而在脆性透射材料内部沿厚度方向产生多个激光焦点。可调式多焦点激光产生基本机理为使用...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
玻璃材料典型应用场景:(a)建筑幕墙;(b)汽车车窗;(c)轮船窗口;(d)光学元器件[62]
现阶段的玻璃材料切割分离技术仍然以传统的机械方法切割分离为主[73-74],其分离流程为首先使用金刚石等坚硬材料制成的刀具在玻璃材料表面划线产生V形凹痕,然后通过机械或手工的方法进行掰片,从而将玻璃沿刀具所产生的V形凹痕分离为两片[75-76],如图1-8所示。由于在刀具划线过程中会不可避免的造成玻璃材料表面损伤,因此这种方法会产生较差的分离质量,在玻璃切割分离表面和端面产生崩边、微裂纹、亚表面损伤等切割分离缺陷,必须经过后续的打磨抛光处理方可应用。这将会导致整个切割分离流程非常繁琐和耗时。同时,由于玻璃材料对边角冲击力高度敏感,在玻璃分离掰片过程中,容易产生破碎,导致整个玻璃材料破裂分离。除此之外,在航空航天中所应用的玻璃材料往往具有复杂的表面结构,例如曲面或圆弧结构,这些结构对于机械掰片过程非常困难[77-78]。更加致命的是,传统的机械式掰片过程中会对玻璃材料的质量造成极大的影响,有研究表明,机械的掰片方法会使玻璃材料的强度下降60%[79-80]。水射流切割玻璃技术在近年来也得到了一定的发展。2018年,黄春辉等人进行了微磨料水射流加工高碱铝硅酸盐玻璃的仿真和实验研究[81],搭建了微磨料水射流实验加工平台,并通过数值模拟对水射流冲击工件前后的磨料进行了仿真模拟分析,并研究了射流压力、磨料粒径和浓度、靶距、喷嘴移动速度等参数对切割分离质量的影响。然而,水射流等切割手段在切面越深时(距喷嘴越远),切割能力越差,不但会使切割效率会极大地降低,而且所形成的切割面往往不垂直于工件表面,被称之为切割斜度,这是一个固有缺陷。因此,水射流切割玻璃技术同样不适用于较厚玻璃材料的切割分离。此外,水射流切割技术浪费资源(砂和水)较大、喷嘴易于磨损以及切割精度差、切口宽等问题使其只能用于较粗的切割加工应用。
激光技术由于其优良的特性,因此被应用于玻璃材料的切割分离。现阶段,主流的激光切割分离玻璃材料的方法主要有5种,如图1-9所示。激光熔化/气化切割法是将玻璃在高能激光作用下直接熔化/气化进行分离,其基本工作原理如图1-10所示。在切割分离过程中,由于玻璃在高能激光的作用下熔化或气化,会产生无法避免的大量裂痕、崩边或边沿破损,因此切割分离质量极差。为满足实际应用要求,必须进行打磨抛光等二次处理过程。这些问题导致此方法无法获得大范围的实际工业应用。同时,在切割厚玻璃材料时,由于玻璃材料厚度的限制,必须提高激光功率,而激光功率的提高极易造成玻璃的整体炸裂,因此此技术不适应于较厚玻璃材料的切割分离[85-87]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]浮法玻璃制造过程对色品坐标影响因素的分析[J]. 宫汝华,王世友,胡正宜,陈佳佳. 玻璃. 2019(01)
[2]石英砂对超白玻璃熔制性能的影响[J]. 司敏杰. 玻璃. 2018(12)
[3]浅谈建筑施工中玻璃幕墙施工技术[J]. 卢秋茹. 绿色环保建材. 2018(11)
[4]新型柔性汽车玻璃夹具设计及布局优化[J]. 秦红斌,张吉鑫,陈国良. 机械设计与制造. 2018(10)
[5]热裂法切割玻璃等硬脆材料关键技术研究进展[J]. 王海龙,王扬,王向伟,张宏志. 无机材料学报. 2018(09)
[6]高速磨削工艺参数对K9玻璃表面粗糙度的影响规律研究[J]. 张贝. 组合机床与自动化加工技术. 2018(02)
[7]我国高纯石英制备技术现状[J]. 林敏,裴振宇,熊康,臧芳芳. 矿产综合利用. 2017(05)
[8]采用化学腐蚀辅助皮秒激光成丝技术获得蓝宝石亚微米级精细切面的研究[J]. 燕天阳,季凌飞,Li Lin,Amina,王文豪,林真源,杨强. 中国激光. 2017(10)
[9]太阳能光电、光热转换材料的研究现状与进展[J]. 王聪,代蓓蓓,于佳玉,王蕾,孙莹. 硅酸盐学报. 2017(11)
[10]基于气熔比的氧化锆陶瓷薄板激光切割质量研究[J]. 吴迪,王续跃. 中国机械工程. 2017(05)
博士论文
[1]全溅射法CuInSe2太阳能电池的制备、硒化机制和光电机理研究[D]. 季鑫.上海大学 2016
[2]KDP晶体激光分离切割机理及关键技术研究[D]. 邓磊敏.华中科技大学 2015
[3]KDP晶体力学性能与开裂现象研究[D]. 孙云.山东大学 2012
[4]KDP晶体精密切割与磨削工艺的研究[D]. 王强国.大连理工大学 2010
[5]面向KDP晶体材料可延性加工的力学行为研究[D]. 鲁春朋.大连理工大学 2010
[6]夹层玻璃等效厚度研究[D]. 庞世红.中国建筑材料科学研究总院 2009
硕士论文
[1]四轴玻璃切割机数控系统研究[D]. 张一凡.合肥工业大学 2017
[2]超快激光加工透明脆性材料工艺研究[D]. 尹鹏宇.华中科技大学 2016
[3]光学玻璃切割机设计[D]. 姚单.重庆大学 2015
[4]考虑负压段的夹层玻璃抗爆性能研究[D]. 黄珊.华南理工大学 2015
[5]玻璃切割机的结构改进及生产工艺研究[D]. 李超.中北大学 2015
[6]高速曲面玻璃切割数控软件关键技术研究[D]. 何发富.华中科技大学 2014
[7]激光多焦点加工系统研制及分离脆性透明材料研究[D]. 黄珊.华中科技大学 2014
[8]玻璃成型加工控制系统关键技术研究[D]. 韩俊昭.浙江理工大学 2013
[9]固结磨料研抛光学玻璃的材料去除机理研究[D]. 樊吉龙.南京航空航天大学 2012
[10]基于PLC的夹层玻璃生产线控制系统设计[D]. 瞿金凯.江西理工大学 2011
本文编号：3298109
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
玻璃材料典型应用场景:(a)建筑幕墙;(b)汽车车窗;(c)轮船窗口;(d)光学元器件[62]
现阶段的玻璃材料切割分离技术仍然以传统的机械方法切割分离为主[73-74],其分离流程为首先使用金刚石等坚硬材料制成的刀具在玻璃材料表面划线产生V形凹痕,然后通过机械或手工的方法进行掰片,从而将玻璃沿刀具所产生的V形凹痕分离为两片[75-76],如图1-8所示。由于在刀具划线过程中会不可避免的造成玻璃材料表面损伤,因此这种方法会产生较差的分离质量,在玻璃切割分离表面和端面产生崩边、微裂纹、亚表面损伤等切割分离缺陷,必须经过后续的打磨抛光处理方可应用。这将会导致整个切割分离流程非常繁琐和耗时。同时,由于玻璃材料对边角冲击力高度敏感,在玻璃分离掰片过程中,容易产生破碎,导致整个玻璃材料破裂分离。除此之外,在航空航天中所应用的玻璃材料往往具有复杂的表面结构,例如曲面或圆弧结构,这些结构对于机械掰片过程非常困难[77-78]。更加致命的是,传统的机械式掰片过程中会对玻璃材料的质量造成极大的影响,有研究表明,机械的掰片方法会使玻璃材料的强度下降60%[79-80]。水射流切割玻璃技术在近年来也得到了一定的发展。2018年,黄春辉等人进行了微磨料水射流加工高碱铝硅酸盐玻璃的仿真和实验研究[81],搭建了微磨料水射流实验加工平台,并通过数值模拟对水射流冲击工件前后的磨料进行了仿真模拟分析,并研究了射流压力、磨料粒径和浓度、靶距、喷嘴移动速度等参数对切割分离质量的影响。然而,水射流等切割手段在切面越深时(距喷嘴越远),切割能力越差,不但会使切割效率会极大地降低,而且所形成的切割面往往不垂直于工件表面,被称之为切割斜度,这是一个固有缺陷。因此,水射流切割玻璃技术同样不适用于较厚玻璃材料的切割分离。此外,水射流切割技术浪费资源(砂和水)较大、喷嘴易于磨损以及切割精度差、切口宽等问题使其只能用于较粗的切割加工应用。
激光技术由于其优良的特性,因此被应用于玻璃材料的切割分离。现阶段,主流的激光切割分离玻璃材料的方法主要有5种,如图1-9所示。激光熔化/气化切割法是将玻璃在高能激光作用下直接熔化/气化进行分离,其基本工作原理如图1-10所示。在切割分离过程中,由于玻璃在高能激光的作用下熔化或气化,会产生无法避免的大量裂痕、崩边或边沿破损,因此切割分离质量极差。为满足实际应用要求,必须进行打磨抛光等二次处理过程。这些问题导致此方法无法获得大范围的实际工业应用。同时,在切割厚玻璃材料时,由于玻璃材料厚度的限制,必须提高激光功率,而激光功率的提高极易造成玻璃的整体炸裂,因此此技术不适应于较厚玻璃材料的切割分离[85-87]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]浮法玻璃制造过程对色品坐标影响因素的分析[J]. 宫汝华,王世友,胡正宜,陈佳佳. 玻璃. 2019(01)
[2]石英砂对超白玻璃熔制性能的影响[J]. 司敏杰. 玻璃. 2018(12)
[3]浅谈建筑施工中玻璃幕墙施工技术[J]. 卢秋茹. 绿色环保建材. 2018(11)
[4]新型柔性汽车玻璃夹具设计及布局优化[J]. 秦红斌,张吉鑫,陈国良. 机械设计与制造. 2018(10)
[5]热裂法切割玻璃等硬脆材料关键技术研究进展[J]. 王海龙,王扬,王向伟,张宏志. 无机材料学报. 2018(09)
[6]高速磨削工艺参数对K9玻璃表面粗糙度的影响规律研究[J]. 张贝. 组合机床与自动化加工技术. 2018(02)
[7]我国高纯石英制备技术现状[J]. 林敏,裴振宇,熊康,臧芳芳. 矿产综合利用. 2017(05)
[8]采用化学腐蚀辅助皮秒激光成丝技术获得蓝宝石亚微米级精细切面的研究[J]. 燕天阳,季凌飞,Li Lin,Amina,王文豪,林真源,杨强. 中国激光. 2017(10)
[9]太阳能光电、光热转换材料的研究现状与进展[J]. 王聪,代蓓蓓,于佳玉,王蕾,孙莹. 硅酸盐学报. 2017(11)
[10]基于气熔比的氧化锆陶瓷薄板激光切割质量研究[J]. 吴迪,王续跃. 中国机械工程. 2017(05)
博士论文
[1]全溅射法CuInSe2太阳能电池的制备、硒化机制和光电机理研究[D]. 季鑫.上海大学 2016
[2]KDP晶体激光分离切割机理及关键技术研究[D]. 邓磊敏.华中科技大学 2015
[3]KDP晶体力学性能与开裂现象研究[D]. 孙云.山东大学 2012
[4]KDP晶体精密切割与磨削工艺的研究[D]. 王强国.大连理工大学 2010
[5]面向KDP晶体材料可延性加工的力学行为研究[D]. 鲁春朋.大连理工大学 2010
[6]夹层玻璃等效厚度研究[D]. 庞世红.中国建筑材料科学研究总院 2009
硕士论文
[1]四轴玻璃切割机数控系统研究[D]. 张一凡.合肥工业大学 2017
[2]超快激光加工透明脆性材料工艺研究[D]. 尹鹏宇.华中科技大学 2016
[3]光学玻璃切割机设计[D]. 姚单.重庆大学 2015
[4]考虑负压段的夹层玻璃抗爆性能研究[D]. 黄珊.华南理工大学 2015
[5]玻璃切割机的结构改进及生产工艺研究[D]. 李超.中北大学 2015
[6]高速曲面玻璃切割数控软件关键技术研究[D]. 何发富.华中科技大学 2014
[7]激光多焦点加工系统研制及分离脆性透明材料研究[D]. 黄珊.华中科技大学 2014
[8]玻璃成型加工控制系统关键技术研究[D]. 韩俊昭.浙江理工大学 2013
[9]固结磨料研抛光学玻璃的材料去除机理研究[D]. 樊吉龙.南京航空航天大学 2012
[10]基于PLC的夹层玻璃生产线控制系统设计[D]. 瞿金凯.江西理工大学 2011
本文编号：3298109
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