發(fā)布時(shí)間：2020-11-20 23:54

　　 磷酸鹽激光釹玻璃因其具備優(yōu)異的光學(xué)特性(光譜性能好、非線性系數(shù)小、儲(chǔ)能高等優(yōu)點(diǎn))而被廣泛地應(yīng)用于諸如美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置、法國(guó)兆焦耳激光器和我國(guó)神光裝置等高功率激光系統(tǒng)中。因其表面質(zhì)量直接決定了激光系統(tǒng)的能量輸出,這就要求磷酸鹽激光玻璃具備超高的表面質(zhì)量,如超光滑、無(wú)缺陷等。但無(wú)論是在玻璃的表面加工(磨削、研磨和拋光時(shí)的液態(tài)水環(huán)境)還是在存儲(chǔ)和使用過(guò)程中(大氣環(huán)境)都不可避免地與水接觸,這些水分子作用于玻璃表面,可能導(dǎo)致表面產(chǎn)生改變層(又稱變質(zhì)層、水化層、表面反應(yīng)層等),改變層的存在會(huì)對(duì)玻璃表面的微納米力學(xué)性能造成影響。由于改變層結(jié)構(gòu)的變化,導(dǎo)致玻璃的近表面機(jī)械性能不同于原始玻璃表面,其具體差異取決于改變層的厚度和結(jié)構(gòu)。由于在水浸泡和潮濕環(huán)境中可能會(huì)誘發(fā)不同的表面改變層,從而導(dǎo)致兩種含水環(huán)境中的近表面力學(xué)性質(zhì)可能存在差異,而這種差異和作用機(jī)理尚未得到確切解決。因此,有必要從微納米角度出發(fā),研究磷酸鹽玻璃在不同水環(huán)境下的近表面力學(xué)性能的演化規(guī)律及水分子對(duì)玻璃表面的作用機(jī)理。為此,本文基于納米壓/劃痕儀,系統(tǒng)地研究了水對(duì)磷酸鹽激光釹玻璃表面力學(xué)性能的影響,實(shí)驗(yàn)分兩大部分。第一部分,基于納米壓入的方式,首先把磷酸鹽玻璃樣品分別暴露在去離子水溶液和潮濕空氣中一定時(shí)間,以形成表面改變層。然后,基于納米壓痕,測(cè)量玻璃暴露在潮濕和干燥環(huán)境下的近表面力學(xué)性能隨暴露時(shí)間的變化規(guī)律,并討論了兩種環(huán)境中表面改變層的演化規(guī)律與作用機(jī)理之間的關(guān)系。第二部分,基于納米劃入的方式,研究了潮濕和干燥環(huán)境下不同速度時(shí)的單次刻劃過(guò)程對(duì)玻璃表面的摩擦磨損性能的影響,通過(guò)對(duì)比兩種環(huán)境下的刻劃速度、劃痕深度、摩擦系數(shù)等數(shù)據(jù)來(lái)分析水分子誘導(dǎo)下的摩擦磨損機(jī)理。最后,基于上述實(shí)驗(yàn)再通過(guò)EDS、XPS和Raman的化學(xué)分析結(jié)果,本文得到的主要結(jié)論如下:(1)水浸泡和潮濕環(huán)境對(duì)磷酸鹽玻璃近表面力學(xué)性能有不同的影響。水浸泡環(huán)境下,隨著暴露時(shí)間的增加,玻璃表面的折合模量和納米硬度先降低后升高,尤其在浸泡足夠長(zhǎng)時(shí)間后(180 h),玻璃網(wǎng)絡(luò)的均質(zhì)溶解破壞了預(yù)先存在的改變層,并防止形成新的穩(wěn)定的改變層,促使其表面力學(xué)性能更接近于原始表面。(2)相反,在潮濕環(huán)境下,玻璃表面的改變層厚度隨著暴露時(shí)間的增加呈單調(diào)遞增的趨勢(shì),其表面力學(xué)性能也相應(yīng)地持續(xù)降低,磷酸鹽鏈的水解反應(yīng)和離子交換反應(yīng)都發(fā)生在玻璃網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部,這維持了改變層的生長(zhǎng)并導(dǎo)致玻璃表面的力學(xué)性能持續(xù)惡化。(3)在兩種環(huán)境下,磷酸鹽玻璃的最大刻劃深度和殘余深度都隨著刻劃速度的增加而減小,低速下(0.06μm/s、0.1μm/s)的最大深度都集中在劃痕前端,并隨著刻劃速度的增加逐漸減小并達(dá)到穩(wěn)定。潮濕環(huán)境下整體的刻劃深度和殘余深度都比干燥環(huán)境下更大,這是由于潮濕環(huán)境中的水分子破壞了玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并在應(yīng)力的作用下進(jìn)一步產(chǎn)生摩擦化學(xué)反應(yīng);另一方面,玻璃表面生成的改變層降低了其近表面力學(xué)性能,使得刻劃深度和殘余深度比起干燥環(huán)境下更大。(4)潮濕環(huán)境的摩擦系數(shù)整體較干燥環(huán)境下更小。一方面,潮濕環(huán)境中玻璃表面改變層的存在起到了一定的潤(rùn)滑作用,這降低了刻劃時(shí)的摩擦系數(shù);另一方面,干燥環(huán)境下因?yàn)闃O少或沒(méi)有水分子參與到玻璃的摩擦磨損過(guò)程中,針尖與玻璃的刻劃過(guò)程屬于純機(jī)械磨損。
【學(xué)位單位】：西南科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TH74;TQ171.735
【部分圖文】：

圖 2-1 磷酸鹽激光玻璃Fig.2-1 Phosphate laser glass痕儀測(cè)試裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要設(shè)備為美國(guó) Keysight 公司的磁驅(qū)動(dòng)載荷裝置保證了測(cè)量的高精度動(dòng)電容傳感器測(cè)量位移，分辨力達(dá)到了壓桿的橫向位移，最大量程可以流，使設(shè)備的熱效應(yīng)對(duì)熱漂移影響性和重復(fù)性。其測(cè)量原理主要是通

圖 2-2 納米壓/劃痕儀Fig.2-2 Nanomechnical test instrument2.2.1.1 樣品臺(tái)設(shè)計(jì)納米壓/劃痕儀自帶的載物臺(tái)，材質(zhì)為鋁合金，由五個(gè)直徑為 30 mm 的放樣圓柱組成，圓槽內(nèi)部側(cè)面有等大的弧柱凸起，跟載物圓柱塊成線接觸，這兩個(gè)凸起和側(cè)面的點(diǎn)接觸式緊固螺釘俯視成正三角形排列，便于對(duì)載物圓柱進(jìn)行完全約束。其中，正中間有高度可調(diào)的基體材質(zhì)為熔融石英的標(biāo)樣塊，用于壓頭的面積函數(shù)標(biāo)定。每個(gè)小圓柱塊下都對(duì)應(yīng)著一個(gè)細(xì)牙螺釘以調(diào)節(jié)高度，高度調(diào)節(jié)范圍為 10 mm，目的以適應(yīng)不同厚度的樣品材料。實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)節(jié)好高度后再用側(cè)面的點(diǎn)接觸式緊固螺釘固定，其高度不能超過(guò)中間已標(biāo)定好的標(biāo)定塊高度，設(shè)備自帶的載物臺(tái)實(shí)物圖見(jiàn)圖 2-3a。針對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品尺寸的千差萬(wàn)別，有些樣品無(wú)法通過(guò)切割或破壞的方式制作

納米壓/劃痕儀放置在精密減振臺(tái)上，所以加工后的載物臺(tái)的總重量也必須在內(nèi)。因此，結(jié)合上述因素決定新載物臺(tái)跟原載物臺(tái)一樣采用密度低強(qiáng)度鋁合金臺(tái)身，加工時(shí)需保證載物塊平面度要好，頂面跟側(cè)面的垂直度高，的粗糙度小，整個(gè)載物臺(tái)質(zhì)量足夠輕，剛度要足夠大，載物塊的高度調(diào)節(jié)跟原載物臺(tái)一致，另外加工好的整件都要進(jìn)行性能校對(duì)。為保證載物臺(tái)滿足設(shè)備的實(shí)驗(yàn)程序，改裝后的載物臺(tái)總高度和原載物臺(tái)高持一致為 50 mm，調(diào)節(jié)范圍都為 10 mm。其上的圓柱放樣臺(tái)內(nèi)徑設(shè)置為m，放樣臺(tái)尺寸設(shè)置為直徑 120 mm，整個(gè)樣品臺(tái)的放樣面積對(duì)比原有的了四倍。通過(guò)底部呈三角分布的三個(gè)細(xì)牙螺釘來(lái)實(shí)現(xiàn)載物臺(tái)的粗步調(diào)平，通過(guò)設(shè)備自帶物鏡進(jìn)行精確調(diào)平。根據(jù)這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過(guò) Creo 對(duì)新載物臺(tái)三維建模，所有尺寸通過(guò) CAD 出圖并入廠加工，并對(duì)加工好的整件進(jìn)行校對(duì)以滿足設(shè)備和實(shí)驗(yàn)需求。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的載物臺(tái)見(jiàn)圖 2-3b。
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本文編號(hào)：2892202