西南科技大学余家欣教授团队：玻璃精密加工损伤基础及应用

玻璃不仅应用于国防、航天、深空探测等国家重要领域，而且也应用于建筑、交通、通信等国民经济领域。随着传统光学和现代高精密光学系统与技术的发展，国家光学系统型号产品和当代光学科技产品的研制对玻璃的精密加工质量提出了更高的要求。

从基础研究来看，虽然我国有很多高校和科研院所长期以来一直从事玻璃精密加工的相关研究工作，但是和国外相比，国内在玻璃精密加工的基础理论特色研究、核心关键技术突破以及产业化装备集成制造方法上还存在一定的差距，尚需付出更多的努力来开展相关理论与应用研究。

玻璃的精密加工及其损伤

玻璃是一种具有代表性的光学、电子学和流体学功能材料，是一种无定形固体材料。玻璃是在玻璃化转变温度以下被过冷，从熔融状态转变为刚性状态，所合成的晶体为非晶态结构，这是造成其高脆性的原因之一。玻璃结构中的裂纹在连续荷载作用下扩展，在达到临界值后引起脆性断裂。由于其断裂韧性低，玻璃脆性断裂的临界裂纹尺寸很小。在加工过程中，切削区产生的高切削应力容易导致玻璃的脆性断裂。除此之外，玻璃具有很高的硬度。低断裂韧性和高硬度是玻璃加工性能差的原因。

【玻璃的冷加工】在常温下，通过机械等方法来改变玻璃及玻璃制品的外形和表面状态的过程，称为玻璃的冷加工。冷加工的基本方法有：研磨、抛光、磨边、切割、钻孔、磨砂、喷花、雕刻、切削、洗涤、干燥、彩绘、刻蚀、丝网印刷、贴膜和涂膜等。

【玻璃的热加工】由于玻璃具有无固定熔点的特性，因此玻璃热处理指的是根据一定的要求将玻璃加热至熔点并根据所需的技术要求将其加工成不同形状的过程。一般情况下，常见的玻璃热加工方法大致包括以下几种：钢化、热弯、热熔、彩釉、晶化、封接、铸造、压模和吹制等。

【特殊加工方法】随着玻璃在精密产品制造中的应用日益增长，人们对复杂形状玻璃的机械加工工艺提出了更高的要求。随着玻璃成型技术的迅速发展，工业生产中出现了玻璃的微铣削加工、玻璃的电化学加工、纳米压印、玻璃的3D打印等多种新的玻璃加工方法。

多年来，西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室围绕着精密制造与智能制造、摩擦学与表面工程、先进测试和精密控制以及机械系统计算科学等各个方面开展了大量的研究工作，共获得了20余项国家自然科学基金项目以及多项大型企业合作项目的资助，培养了300 多名从事精密制造和表面工程相关研究的博士生和硕士生。《玻璃精密加工损伤基础及应用》（余家欣，何洪途著. 北京：科学出版社，2024.2）以作者在制造过程测试技术教育部重点实验室十多年工作期间，在玻璃精密加工方面的最新基础前沿理论和应用研究成果为基础，并参考吸收了国内外相关工作者的最新研究成果，力图比较全面地反映过去20年来玻璃精密加工损伤的基础与应用研究成果和进展，有望成为国内该领域一部具有代表性的科学著作。

全书共10章。

• 第1章概述了玻璃的发展历史，现有玻璃材料的分类和当前的工程应用，并初步展望了玻璃研究的发展趋势。

• 第2 章专门介绍了玻璃的一些基础知识，包括玻璃的熔融成型、玻璃的化学结构及其模型、玻璃的密度和热膨胀以及玻璃的机械性能，为读者理解全书内容打下基础。

• 第3 章讲述了现有玻璃的精密加工方法和精密加工导致的一些表面损伤形式，涉及玻璃的热加工、冷加工和特殊加工方法等。

• 第4 章详细介绍了玻璃的结构、性能和表面损伤的表征手段，而基于分子动力学模拟对玻璃结构、性能和表面损伤的研究手段也有所阐述。

• 第5 章详细描述了玻璃的应力腐蚀效应，这是在外界应力作用下玻璃表面极易出现损伤的经典理论，重点讨论了玻璃的裂纹以及两种典型玻璃材料在不同环境下的应力腐蚀开裂行为及其内在机制。

• 第6 章的主题是玻璃的压痕损伤，主要围绕着玻璃表面在受到法向的压力作用后产生的损伤，并从压头的影响、压入过程参数的影响、玻璃材料特性的影响、周围环境的影响以及如何对玻璃的压痕进行防护等方面，详细展开阐述。

• 第7 章阐述了玻璃在单次摩擦或划痕条件下的表面损伤，主要从划痕的研究背景、影响玻璃划痕的因素以及玻璃划痕的防护三个方面，重点展开讨论。

• 第8 章专门介绍了玻璃的磨损损伤，即玻璃表面在多次往复摩擦条件下产生的损伤行为、规律以及内在机制。本章主要围绕典型的硅酸盐玻璃和磷酸盐玻璃，分别从外加载荷的影响、对磨球化学特性的影响、周围环境的影响、磨损速度的影响以及玻璃磨损的方法等几个方面分别进行讨论。而涉及的一些其他玻璃的磨损损伤，在本章只是简要提及。

• 第9 章为机械视觉在玻璃缺陷表征中的应用，旨在利用机器视觉技术代替传统的人工检测技术，进而实时监测玻璃精密加工产生的表面缺陷以保证玻璃品质，提高玻璃材料的成品质量，最终实现玻璃工业的全自动化和智能化。本章从相关的检测原理、研究现状、目前存在的问题以及未来发展趋势展开了讨论。

• 第10章介绍了机器学习在玻璃材料及其加工损伤中的应用。机器学习计算材料学的快速发展极大地推动了新材料的设计与研发，缩短了材料研发的周期，大大降低了新材料的研发成本。本章首先介绍了机器学习的基本原理和方法，然后讨论了机器学习对玻璃物化性能和精密加工损伤与缺陷的预测研究现状，最后对未来的研究方向进行了展望。

玻璃精密加工损伤及其应用是一个跨学科领域的课题，涉及机械加工、玻璃表界面、材料工程、机械智能化等多个学科领域，吸引着科学家、工程师和学生等众多群体。为了迎合如此广泛的受众，本书采用了特别朴实的写法。某些领域的专业人士可能不熟悉其他学科的专业术语，因此本书清晰地解释了不同领域的关键术语。

我们期待本书将为包括科学家、工程师、教师和学生等在内的广阔领域的读者提供一个有益的讨论平台。无论是对于教学还是科研，它都将成为有用的资源。

本文摘编自《玻璃精密加工损伤基础及应用》（余家欣，何洪途著. 北京：科学出版社，2024.2）一书“前言”“第3 章 玻璃的精密加工及其损伤”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-077400-2

责任编辑：杨新改

本书取材于国内外玻璃精密加工损伤基础与应用最新进展以及作者多年从事该领域的研究成果，系统阐述玻璃精密加工损伤的基础理论和应用，全面反映玻璃精密加工损伤基础的最新研究现状和发展趋势。

全书共10章，由玻璃及其精密加工的基础知识、玻璃加工损伤的表征、玻璃加工损伤的基础理论和玻璃加工损伤的智能检测四部分组成。在阐明玻璃及其精密加工的基础知识、玻璃加工损伤表征方法的基础之上，从玻璃表面的应力腐蚀、玻璃的压痕损伤、玻璃的划痕损伤以及玻璃的磨损损伤方面，全面阐述玻璃加工损伤的基础理论，最后以机器视觉和机器学习在玻璃加工损伤中的工程应用为例说明其在工程中的实际应用。

本书可作为机械工程、材料工程和化学工程专业的研究生教材以及高等院校相关专业师生的教学参考书，也可供从事机械加工和制造、玻璃制造的工程技术人员参考。

（本文编辑：刘四旦）

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