玻璃热成型黏弹界面微观内聚断裂机制与调控

During the near-net thermo-forming processes of precision optics, tiny glass residues sticking to the molds’ surfaces is a typical defect, thus severely deteriorates the quality of molded optics and shortens the service life of precious molds. The underlying reason is that micro-scale cohesive fracture occurs during separation of the viscoelastic glass forming interface. The project intends to comprehensively characterize the adhesion properties of the glass thermo-forming interface by means of the probe tack test approach, using parameters such as adhesion strength and interface debonding energy. With considerations of changing both interfacial contact status and viscoelastic properties, the governing effects and working principles of these factors such as processing parameters and surface roughness, will be discussed on the adhesion properties, the ratio of cohesive fracture and the micro-scale characteristics of the residues. A macroscopic traction-separation cohesive law will be established. The effect of the bulk energy dissipation will be explored on the micro-scale morphology evolution during glass drawing and fibrillation process. The comprehensive influence mechanisms on the micro-scale cohesive fracture will be revealed from these aspects, such as adhesion properties, interface stress state, and viscoelastic mechanical behaviors. The critical conditions for conversion amongst the interface separation patterns will be identified. Hence the physical regulation strategies will be proposed for transition from cohesive fracture to adhesive detachment, by optimizing the process parameters and altering the material properties. The research results will supplement the adhesion and debonding theories for viscoelastic glass, provide theoretical basis and regulation approaches to solve the sticking defect, and therefore deliver important and prosperous applications in advanced optical manufacturing and other fields.

精密光学器件近净热成型工艺通常存在微小玻璃残留物黏附在模具表面的缺陷，严重降低成型质量、缩短昂贵模具的使用寿命。其本质原因是黏弹性玻璃在成型界面剥离过程中出现微观内聚断裂。项目拟通过探针黏性测试手段，采用粘合强度和界面分离能等参数全面表征玻璃热成型界面黏附特性。从诱变界面接触状态和黏弹特性两方面，研究工艺参数和表面粗糙度等影响因素对黏附特性、内聚断裂比例及残留物微观特征的影响规律和作用机理，建立宏观拉伸分离内聚准则。探究能量耗散对玻璃拉伸纤维化过程中微观形态演变的影响，揭示黏附特性、界面应力状态、黏弹力学行为等对微观内聚断裂的综合影响机制。辨别不同界面剥离形式间的临界转捩条件，通过优化工艺参数和改变材料特性，形成转变内聚断裂为界面脱粘的调控方法。研究成果将补充发展黏弹界面黏附剥离理论，为解决黏附引起的质量缺陷提供理论基础和调控手段，在先进光学制造等领域具有重要应用前景。

玻璃热成型技术为精密光学元件加工提供了高效率、高精度、低成本和批量化生产的解决方案，但高温下玻璃/模具界面黏附严重降低成型元件质量并缩短昂贵模具的使用寿命。研究界面的黏附特性和调控机制是解决上述难题的基础。本项目利用探针黏性测试实验和黏弹性软材料剥离理论，研究典型玻璃模压成型界面的微观内聚断裂机制与调控手段。主要研究内容和结果如下：（1）准确测量了模压成型界面的最大分离应力和分离功两个重要参数，全面表征界面分离力学行为，确定了界面分离力学特性随分离工艺参数的变化规律。随着模压温度升高，最大分离应力持续减小，而分离功首先显著增大后略微减小。其中，低温时最大分离应力可达1.4 MPa，高温下的分离功高达800 J/m2。随着分离速度增大，最大分离应力显著增加，但分离功整体上呈现快速减小趋势。（2）玻璃黏弹成型界面分离过程可能出现内聚体变形、内聚转化和界面断裂三种模式。通过引入缩减断裂速度参数，实现了对温度和分离速度实验数据的综合分析，发现最大分离应力随缩减速度线性增加，分离功-缩减速度曲线清晰辨别不同分离模式。（3）对分离后玻璃表面形貌进行显微表征和统计分析，发现玻璃表面覆盖着大量随机分布的微米级空腔，其面内尺寸、纵向深度和面积分数均随温度升高而显著增加。这些微腔可能是由界面裹气处的局部变形在黏结玻璃/模具界面分离过程中逐渐发展而来。微腔在界面断裂模式下主要以裂纹形式沿界面扩展从而发展成浅盘状。而对于内聚体变形模式，空腔更倾向于体积生长。大尺寸空腔由小空腔的生长和聚并循环演变而来。（4）通过降低温度或者提高分离速度，可以实现内聚体变形向界面脱粘的转变。应变能释放率和黏弹性复数模量之间的竞争关系决定了宏观分离模式和微观空腔生长分岔机制。本项目研究成果深化了对玻璃热成型界面黏附特性和分离机理的认识，提出的工艺参数调控方法为消除模压元件表面缺陷提供技术路径。