具体实施方式

现结合相应的附图，对本发明的具体实施例进行描述。然而，本发明可以以多种不同的形式实施，而不应被解释为局限于此处展示的实施例。提供这些实施例只是为了本发明可以详尽和全面，从而可以将本发明的范围完全地描述给本领域的技术人员。附图中说明的实施例的详细描述中使用的措辞不应对本发明造成限制。

玻璃精密成形过程中，黏附的结果是在玻璃与模具之间的分离过程中产生的，本发明通过研究典型玻璃模制界面的脱粘行为(debonding behaviors)，提供了一种新的玻璃模压成形方法，利用峰值粘合强度σ_max和脱粘功率W_deb之间的关系来表征脱粘行为。

在模具上的玻璃的黏附或粘合在玻璃热成形技术(例如玻璃热压印技术、玻璃器皿生产技术、和精密玻璃模制(Precision glass molding，PGM)技术。由于在高温和/或高压下存在长期持续的接触，玻璃到模具之间的粘合主要是化学反应和界面上的扩散造成的。为了减少PGM的附着力，通过在模具嵌件上沉积高质量的防粘涂层来降低玻璃和模具之间的化学作用。虽然防粘涂层也是有效的，但是，至少由于范德华力物理相互作用的存在，仍然存在显著的粘合。黏附力主要是在脱模的过程中发生的，在脱模过程中，玻璃片在冷却阶段与模具分离，由于黏附的存在，可能会对玻璃或模具造成致命的损坏。对于玻璃热压印技术来说，大多数困难不是由于模具的填充而是由于脱模造成的。对于PGM技术，粘附力会导致在模具上留下微小岛状玻璃残留物，从而降低珍贵模具和模制光学元件表面的质量。

脱模研究的重要内容包括通过标准的试验程序来量化粘附力，使用“粘附时间”来量化粘贴的强度。还包括，利用分离过程中的最大拉力来定义“脱模力”，来表征粘附强度。然后由于脱模过程通常是在冷却下进行的，因此测得的脱模力是取决于冷却历史的积累结果，因此在脱模力和温度之间建立直接关系是不合理的。另外，仅通过脱模力来评价分离过程也无法反应分离过程的变化和分离机理。除了脱模力，断裂能是描述粘附强度和脱粘机理的必要条件；此外，除了分离前的接触状态，分离时的条件也影响脱模力，例如冷却时间和冷却温度。进一步，在脱模温度位于玻璃化转变温度区域附近，冷却速度背后隐藏的因素恰好是脱模温度。这是因为软材料的脱粘行为不仅取决于界面相互作用，还取决于流变性质。

本发明主要采用了对典型的玻璃模制界面进行探针测试的过程，通过结合粘附力演变曲线，峰值应力和脱粘活动来充分描述玻璃与模具之间的脱粘行为。本发明主要采用“脱粘过程”来取代“脱模过程”的表达方式，因为脱模过程通常伴随着冷却，而本发明的脱粘过程是在特定的成形温度和速度下进行的，并利用了脱粘温度和速度对脱粘过程的影响，并且从降低裂纹速度的角度分析脱粘温度和速度。

图1(a)为利用本发明进行探针粘性测试的步骤示意图。其中在顶部平面模具101和底部平面模具102之间放置着玻璃样品103，其中顶部平面模具101和底部平面模具102分别用作探针和基板。在一个实施例中，对用硬质合金碳化物(WC)制成的模具进行镜面抛光，表面粗糙度Ra良好，大约为2nm。在另一个实施例中，所述玻璃样品为呈圆柱状的硼硅玻璃BK7，直径为6.0毫米，厚度为5.0毫米，玻璃圆柱体顶面和底面的粗糙度值Ra约为10nm。

在步骤110，对上述顶部平面模具101和底部平面模具102以及玻璃样品103进行加热和均热操作；在一个实施例中，通过红外辐射以大约5℃/s的速度对上述部件进行加热。一旦达到设定的模制温度，将进行60秒的均热，以确保玻璃圆筒内的温度均匀。

在步骤111，对上述顶部平面模具101和底部平面模具102以及玻璃样品103进行压制和保持；在一个实施例中，在压制阶段，利用位移控制模式可在120秒内获得相同的1.50mm厚度减小，这确保了脱粘前的成型形状对于不同的试验几乎相同。为了排除从粘附力测量中应力放松引起的急剧力的下降，在压制步骤之后，将底部模具在其当前位置保持60秒以放松施加的载荷。

在步骤112，对上述顶部平面模具101和底部平面模具102以及玻璃样品103进行脱粘步骤；在一个实施例中，保持成形温度，同时底部平面模具102以恒定的脱粘速度V_d向下移动，直到达到预先设定的脱粘距离。

之后，在步骤113，对上述顶部平面模具101和底部平面模具102以及玻璃样品103进行冷却和释放操作，所述冷却和释放步骤作为常规步骤进行；在一个实施例中，以1Hz的频率记录过程参数(例如温度，力和位置)；在一个实施例中，成形机可用的最小脱粘速度为10μm/s。

图1(b)为本发明的底部平面模具102内部温度、所测接触力和所述底部平面模具102位置随时间改变的曲线图。其中在脱粘位置104，即在脱粘步骤103的开始阶段，可以明显看出玻璃样品103与所述顶部平面模具101之间存在粘附现象。

图2(a)为本发明的一个实施方式的底部平面模具的位置与测量力之间的关系图。其中，成形温度为655℃且脱粘速度为10μm/s，施加一项参考测试，以便从粘合力中排除摩擦力。图2(a)中的实线表示粘性实验中的力，虚线表示参考实验的力，表示上述步骤111的压制和保持步骤以及步骤112的脱粘步骤，其中随着箭头201的方向进行压制步骤，底部平面模具的位置与顶部平面模具之间的位置关系逐渐增加，随着箭头202的方向进行保持步骤，并且跟随箭头203的方向进行，进行脱粘步骤；在脱粘位置204，可以明显看出玻璃样品103与所述顶部平面模具101之间存在粘附迹象。粘性试验值和参考值之间的差异恰好是玻璃和模具之间的相互作用力。横坐标上方是模制力，而下方是粘合力。需要注意的是，底部平面模具退回后并不会立即产生附着力，这主要是因为有意在模具嵌件和模具之间留出一个小间隙(约为100μm)，以避免直接的硬接触。此外，在玻璃模具相互作用区域之外，可以观察到这两条曲线可以彼此紧密重叠，这归因于该机器的非凡重复运动性能，从而确保了相对力的准确性。

图2(b)为根据本发明的一个实施方式获得的粘附力位移和相应的标称应力一应变曲线。图2(b)中显示了在脱粘过程中，从参考实验的力曲线中减去粘性实验的力曲线，获得拉伸粘附力F与脱粘位移Δh的函数关系。一般来说，使用以下归一化方法，将该力-位移曲线转换为标称应力一标称应变曲线：

其中A₀是脱粘前玻璃与模具之间的接触面积，h₀是脱粘前玻璃样品的厚度。在此，A₀＝πr²＝π*3.45²＝37.39mm²，h₀＝3.50mm。从标称应力-应变曲线中提取出这些关键参数，例如最大粘附应力σ_max，最大拉伸应变ε_max和脱粘功W_deb(单位为J/m²)，计算公式如下：

如果仅在界面上显示范德华力，则将界面分离并创建新表面的功称为粘附力的热力学功γ定义如下：

γ＝γ₁+γ₂-γ₁₂ (4)

其中γ₁和γ₂是两个接触体的表面能，γ₁₂是界面能。或者，它经常与给定的Young方程组合：

γ＝γ_LV(1+cosθ) (5)

其中γ_LV是液体的表面张力，θ是接触角。不过，对于软材料的脱粘或断裂，由于耗能大，许多研究者认为界面断裂能可以由经验公式给出：

Γ＝Г₀(1+Φ(α_Tv)) (6)

其中，Φ(α_TV)是取决于温度和速率的耗散因数，而Γ₀是消除裂纹速度的阈值粘附能。通常，在粘弹性状态下，Φ(α_Tv)＞＞1。值得指出的是，符号Γ用于表征与裂纹扩展相关的固有断裂能，而W_deb可被视为表观断裂能和作为结构特性。

作为对本发明采用的方法实验结果的分析，下文着重探讨与温度有关的脱粘行为。根据BK7玻璃的典型成型温度范围，在690℃至655℃范围内进行脱粘实验。因为在高温下粘附作用更加明显，因此按照降序的方式讨论温度的实验和下列实验结果。在一个实施方式中，对于所有的情况，均采用相同的10微米/秒的脱粘速度和4.0毫米的表观脱粘距离。

图3(a)和(b)为利用本发明的方法在不同成型温度下的脱粘实验结果。其中图3(a)为利用本发明的方法在不同温度示例获得的玻璃样品照片图，玻璃样品由于脱粘过程中的粘附而变形。图3(b)为利用本发明的方法在不同测试温度示例下进行脱粘实验获得的粘附力-位移和等效的标称应力-应变曲线。根据脱粘温度，在变形方式方面区分三种类型的脱粘模式。(1)在高温(690℃至675℃℃下，玻璃样品像圆柱一样被广泛拉伸，出现明显的颈缩现象。在此，由于有限的脱粘距离，因此在脱粘期间玻璃样品不会与模具分离。这种类型称为内聚破坏。(2)在低温(660℃和655℃)下，玻璃样品可以沿界面以干净的方式完全从模具中分离出来，从而使玻璃样品的上表面和下表面平坦，并且看不到可见的变形。这种类型称为界面断裂。(3)在中间温度(670℃和665℃)下，脱粘类型为界面，但在脱粘过程中玻璃样品会发生相当大的变形。此外，至少一个表面被拉成具有奇异轮廓的凸起，这与平坦表面有很大不同。该体系可以定义为内聚-界面过渡范围。脱粘机制通常很复杂，并且不是轴对称裂纹从边缘向中心的理想扩展。因此，拉伸的玻璃样品通常不是轴对称的，而是可以向任意方向倾斜。

这三种脱粘类型的脱粘行为，例如粘附力/应力演变，峰值粘附应力和脱粘功，都明显不同。图3(b)为利用本发明的方法在不同温度下进行脱粘实验获得的粘附力-位移和等效的标称应力-应变曲线。对于内聚破坏，粘附力迅速增加，通过最大值，然后在整个脱胶过程中缓慢降低。减少的主要原因是玻璃样品变薄，即样品的截面积变小，导致张力变弱。而且，随着进一步的广泛伸长，变薄最终发展成明显的颈缩现象。如上所述，由于在剥离结束时玻璃样品没有从模具上脱离，所以粘合力不会下降至零。此处，最大标称延伸应变约为1.10。有理由相信，对于内聚破坏，玻璃样品沿垂直方向的整体变形占主导，并且在界面上的裂纹扩展似乎很小。对于内聚-界面过渡状态，在峰值后，粘附力在很宽的范围内逐渐减小至零。由于较大的分离距离，玻璃样品在垂直方向上会明显拉伸，同时裂纹会沿着界面连续扩展，从而引出奇异的凸起。相反，在低温下的界面破坏的情况下，裂纹扩展迅速，因此附着力在狭窄的距离(小于100μm)内突然下降至零，形成陡峭的附着力曲线。峰值力的位置通常对应于裂纹扩展的开始。另外，在峰值力之前，玻璃样品可以被精细地拉伸，这可以确认3.58mm的最终厚度略大于预期值。

根据图3(b)中的粘附力曲线，峰值标称应力σ_max为相对于逆序温度绘制的曲线如图4所示。图4为本发明的方法中峰值应力和脱粘功随着温度降低的函数关系图。首先，在脱粘过程中峰值应力σ_max可能高达1.4MPa。更重要的是，随着温度降低，峰值应力σ_max显着增加。峰值应力增加的原因可以用下列方程式进行定性说明，该方程式描述了接触的两个扁平弹性圆柱固体之间的附着力，如下所示：

其中，γ是粘附功，R是界面的有效半径，K是使用以下形式计算的复合杨氏模量：

其中E₁，E₂，v₁和v₂分别是杨氏模量和泊松比。根据式(7)，附着力随着接触体的杨氏模量的增加而增加。当温度降低时，玻璃的粘弹性模量大大增加，因此粘附力增加。有的研究者认为分离力随着玻璃温度的降低在分离的一刻而增加。但是有的研究者认为“界面”温度得出相反的结论。这一矛盾可以归因于实验条件和所用温度概念的差异。另外，值得注意的是，在内聚状态下，峰值应力相对较低，这可以解释为什么界面键未分离。似乎应力准则可用于确定在界面处能否实现分离。

此外，图4还绘制了在不同温度下的脱粘功W_deb。基于熔融钠钙玻璃的表面能γ_LV≈0.35J/m²以及在WC模具上测量的可模制玻璃的接触角，通过使用公式γ＝γ_LV(1+cosθ)估算玻璃-WC界面的粘附力γ₀的热力学功小于0.18J/m²。但是，此处的脱粘功W_deb远大于γ₀。具体地，内聚态中的脱粘功W_deb超过400J/m²，在675℃时出现的最大值约为800J/m²。在粘结界面过渡过程中，脱粘功W_deb落在300-400J/m²的范围内。这些值至少比γ₀大三个数量级。

如图3(a)所示，过大的脱粘能主要是由粘性耗散和存储在大体积变形中的应变能引起的。甚至在655℃时的最小脱粘功W_deb约为18.7J/m²，仍然暗示着玻璃与模具之间的粘合力不可忽略。另一方面，与峰值应力σ_max的连续增加趋势不同，脱粘功W_deb随温度的降低先增加然后急剧减少。内聚态处脱粘功W_deb增加的原因是在相同的脱粘位移下，较低温度下的粘附力始终较大。在内聚态以外，尽管峰值应力σ_max增大，但有效的脱粘位移从1000微米以上急剧减小到100微米以下，因此脱粘的整体功降低了。

最后，由于图4中的峰值应力σ_max曲线随着温度的降低而单调增加，因此很难确定这三种剥离方式。相反，可以通过脱粘功W_deb曲线的急剧不连续性来清楚地区分过渡。另外，脱粘功W_deb的大小变化对温度更敏感。结果，我们可以很容易地从脱粘功W_deb曲线而不是从峰值应力σ_max曲线中识别出三种脱粘方式。

下文说明与脱粘速度有关的脱粘实验。图5(a)和(b)为利用本发明的方法在不同脱粘速度下的脱粘实验结果。图5(a)为利用本发明的方法在同样温度不同脱粘速度示例下获得的玻璃样品照片图，玻璃样品由于脱粘过程中的粘附而变形。图5(b)为利用本发明的方法在同样温度不同脱粘速度示例下进行脱粘实验获得的粘附力-位移和等效的标称应力-应变曲线。图6为利用本发明的方法在某一实验温度不同脱粘速度下峰值应力和脱粘功的实验结果。

在680℃下以10微米/秒至50微米/秒的五种脱粘速度进行了实验。结合图5(a)和5(b)中的照片和粘附力曲线，脱粘速度v_d在脱粘行为上也起着重要作用。在脱粘过程中，玻璃样品以高于10μm/s的速度从模具上脱离。随着脱粘速度v_d的增加，由粘附引起的整体变形显著变小。再次，相对于脱粘速度v_d识别出三种类型的脱粘模式。如前所述，在脱粘速度为10μm/s时，样品位于内聚态。在脱粘速度为20至40μm/s时，样品位于粘结界面过渡态，因为玻璃样品明显变形，并且在顶表面上形成了凸点。在脱粘速度为50μm/s时，脱粘位于完全界面态。同样，粘附力-位移曲线和等效应力-应变曲线在不同的脱粘速度v_d处明显不同。在低的脱粘速度v_d(10和20μm/s)，粘附力曲线变钝并缓慢下降。相反，在高的脱粘速度v_d处，曲线很锐利，突然下降到零。

图6中绘制了峰值粘附应力σ_max的结果和在v_d处的脱粘功的结果。如图5(a)(b)中所观察到的子插入，在峰值应力σ_max处的应变值都在0.01左右，因此应变率在此小的应变范围内随v_d增大。由于粘弹性材料的应力响应高度依赖于应变率，以ds的方式进行，因此可以定性地解释为什么峰值应力σ_max随着脱粘速度v_d从0.3MPa显著增加到1.5MPa。并且，峰值应力σ_max在40μm/s之后趋于缓慢增长。

类似地，尽管峰值应力σ_max随着脱粘速度v_d增大，但有效脱粘距离在图5中显著减小。因此，脱粘功W_deb总体随脱粘速度v_d增大而减小。详细地，在内聚态和接近内聚态时(即脱粘速度v_d在10和20μm/s时)，脱粘功W_deb的值过大(超过470J/m²)，以致发生大体积变形。由于玻璃样品没有以10μm/s的速度从模具中分离出来，因此此时计算出的脱粘功W_deb小于速度为20μm/s时的数据。在粘结界面过渡态范围内，脱粘功W_deb维持在300J/m²左右。对于界面态，它降至100J/m²以下。

根据演变趋势和脱粘功W_deb的数值范围，再次区分这三种脱粘方式。然而，基本上仍需对峰值应力σ_max进行评估以充分表征所述脱粘过程。例如，比较脱粘速度v_d在10μm/s和20μm/s的情况，它们的脱粘功W_deb值都很高，但是，分离发生在脱粘速度v_d20μm/s时。这可能是因为脱粘速度v_d为20μm/s处的脱粘功W_deb大于某些应力极限，超过该极限应力就可能破坏界面结合。将粘附力的演变过程，峰值粘附应力和脱胶功放在一起，以便充分表征脱粘过程。

下文说明粘性整体变形与界面断裂之间的过渡。图7(a)和图7(b)为根据本发明的方法在温度实验和脱粘速度实验的计算裂纹速度示意图。如图7(a)和7(b)所示，当温度降低或脱粘速度v_d增加时，裂纹速度v_c显著增加。在内聚状态下，裂纹速度v_c非常慢，大约为100μm/s；但是在内聚状态以外，裂纹速度v_c生长非常快，例如，在655℃和v_d＝50μm/s时，增长速度约为10³μm/s。此外，发现在内聚状态下，裂纹速度v_c比脱粘速度v_d慢，这意味着玻璃样品易于垂直变形。但是，在内聚状态以外，裂纹速度v_c比脱粘速度v_d快得多，这意味着沿界面的裂纹扩展变得占优势。因此，比较裂纹速度和脱粘速度对于理解玻璃样品的变形趋势非常有用。

由于裂纹速度随脱粘温度而显着变化，因此温度对脱粘性能的影响是混合的。通过使用降低的裂纹速度，该速度是裂纹速度v_c与温度偏移因子α_T的乘积，可以从一个整体的角度分析脱粘温度和裂纹速度的影响。这里的位移因子采用Arrhenius方程logα_T＝(ΔH/2.303R)(1/T-1/T_ref)，其中ΔH/R＝20730和T_ref＝680℃利用了玻璃BK7的报告数据。

图8(a)-(b)为本发明方法的一个实施方式展示的峰值粘结应力σ_max和脱粘功W_deb的关系图，二者是作为对数降低的裂纹速度log(a_Tv_c)的函数。图中的点是温度实验的数据，而正方形是速度实验的日期；此外，封闭的是内聚类型，开放的是其他两种类型；图8(c)显示了本发明方法展示的不同脱粘类型之间的过渡条件。

图8(a)表示最大粘性应力σ_max以趋向于线性的方式随着log(a_Tv_c)显著增加。此外，最大粘性应力σ_max似乎对脱粘速度的增加更为敏感，其结果由方形标记表示。图8(a)中封闭标记和开放标记之间的间隙可能是阈值应力，在该阈值应力以上玻璃样品可以成功地从模具中分离出来，落在0.5-0.6MPa的狭窄范围内。图8(b)中绘制了作为log(a_Tv_c)函数的脱粘功W_deb结果。当温度较高或/和裂纹速度v_c较低时，玻璃表现为柔软的粘弹性材料，在降低的裂纹速度a_Tv_c位于较低水平时，由于大量的粘性耗散使得W_deb含量很高。随着降低的裂纹速度a_Tv_c的增加，首先会出现内聚-界面转变范围。由于粘弹性耗散的增强，，可能仍然很高。在高水平的降低的裂纹速度a_Tv_c处，玻璃趋于表现为弹性固体，因此脱粘类型为界面态，并且脱粘功W_deb比前两种状态低得多。因此，主要通过判断脱粘功W_deb大小的剧烈变化和对数的大小log(a_Tv_c)，可以清楚地识别出三种脱粘方式。

此外，基于对耗散过程的深入分析，在高分离率下，断裂能Г(V)是与裂纹速度的倒数成比例的递减函数：

在一个实施方式中，裂纹长度L＝3.45mm，是BK7玻璃35的E″和E′之比，并且应力松弛时间τ(680℃)＝0.003s，因此L/λτ约为115μm/s。根据图8(b)中的线性拟合曲线，脱粘功W_deb结果的中高水平与等式(9)中的理论预测非常吻合。

图8(c)示出粘性内聚变形和界面脱离之间的过渡条件。在对软质材料的粘附性进行的全面综述中，可以总结出该转变可以大致由以下公式预测：

也就是说，对于Γ＞Eh，初始缺陷将主要在粘合剂层的大部分中扩展，其中E和h是杨氏模量和粘合剂层的厚度。如上所述，在较低的降低裂纹速度a_Tv_c下，玻璃的行为类似于柔软的粘弹性材料，其温度和频率相关的弛豫模量E(T，ω)可以迅速降低到很小的值，而脱粘功W_deb则过高，从而使内聚体变形的条件容易满足。随着降低裂纹速度a_Tv_c的增加，脱粘功W_deb减小，而弛豫模量E(T，ω)增大，因此它们的比率下降得更快。结果，内聚体的整体变形将逐渐转变为界面脱离。因此，等式(10)从粘弹性和脱粘功两个方面定性地解释了本发明的转变条件。

以上所述仅用于说明本发明的技术方案，任何本领域普通技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围应视权利要求范围为准。本发明已结合例子在上面进行了阐述。然而，在本发明公开范围以内的上述实施例以外的其它实施例也同样可行。本发明的不同的特点和步骤可以以不同于所描述的其它方法进行组合。本发明的范围仅受限于所附的权利要求书。更一般地，本领域普通技术人员可以轻易地理解此处描述的所有的参数，尺寸，材料和配置是为示范目的而实际的参数，尺寸，材料和/或配置将取决于特定应用或本发明教导所用于的应用。