蓝宝石生长方法和晶向对晶体质量与性能影响规律研究

发布时间：2020-02-01 02:16

【摘要】：随着军事竞赛的逐步推进,要求军事武器向着超音速、超高精度的方向发展。作为军事武器的核心力量之一,具有超音速、精确制导的导弹武器备受关注,要求在其飞行过程中内部构件不受损伤,且具有最佳侦察和打击能力,则必须使用具有最优光学、机械性能的光学窗口材料-蓝宝石单晶。相比其他传统红外、整流罩窗口材料制备困难、成本高、机械性能差等缺点,蓝宝石单晶脱颖而出,并逐渐得到认可。目前,蓝宝石单晶的应用领域逐渐从军用光学窗口材料向军民两用过渡,对不同晶向蓝宝石的需求也不断增大。市场需求已经从初期单一的C向晶体逐步发展为C、A、M和R等多种晶向。但是,由于市场上可用的蓝宝石单晶生长方法繁多,且不同生长方法获得的单晶,其物理、机械和光学性能差异巨大,导致其终端产品质量难以统一,严重阻碍蓝宝石单晶应用领域的快速发展。因此,研究KY法和EFG法等不同生长方法、以及不同晶向的蓝宝石单晶,对比性能数据,分析形成性能差异的原因,建立系统的评价体系,对蓝宝石单晶应用领域的发展具有十分重要的理论和实践意义。蓝宝石晶体内部微观缺陷严重影响晶体性能的发挥。为探究微观缺陷引起蓝宝石单晶性能的变化,本文对KY法和EFG法蓝宝石,A向、C向和R向蓝宝石试样片进行化学湿法腐蚀,观察试样在不同腐蚀时间、腐蚀温度的腐蚀坑形貌如何变化,进而确定试样的最优腐蚀工艺;在最优腐蚀工艺条件下,观察试样腐蚀坑面积随腐蚀时间的变化,进而确定腐蚀速率;在270℃腐蚀30min,计算蓝宝石单位面积下的腐蚀坑数量,比较不同生长方法和晶向的蓝宝石位错密度数值大小,进而确定最佳生长方法和晶向;对蓝宝石进行1650℃300min退火处理,分析蓝宝石位错腐蚀坑面积和数量的变化。为探究蓝宝石机械性能和光学性能,分别进行理论弹性模量和维氏硬度计算、三点弯曲实验、维氏硬度实验、透过率测试和拉曼光谱测试。利用Material Studio软件CASTEP模块建立Al2O3晶体,进行坐标轴变换,计算得到C向理论弹性模量为442.85GPa;经应力转轴公式计算,A向理论弹性模量为424.49GPa,M向理论弹性模量为429.74Pa,R向理论弹性模量为373.00GPa。对蓝宝石晶体进行了三点弯曲实验,基于理论弹性模量C向M向A向,可以合理解释当端面为C向时,增大蓝宝石样条弯曲强度的原因。蓝宝石理论维氏硬度为20.34GPa。对蓝宝石进行维氏硬度测试,因为当C向和A向受外力加载时,容易发生滑移,且C向面间距小于A向面间距,所以蓝宝石维氏硬度:R向C向A向。对蓝宝石进行透过率测试,因微观缺陷数量EFG法明显大于KY法,导致其在200nm-300nm波段,透过率明显小于KY法蓝宝石。随着波长的逐渐增大,KY法和EFG法蓝宝石透过率接近,均存在大于85%的透过率。当波长大于4.5μm,透过率开始下降。对蓝宝石进行拉曼光谱测试,由于KY法的实际与理论拉曼位移的偏差小于EFG法,证明EFG法蓝宝石生长质量不如KY法。此外,对退火处理后蓝宝石均做了上述实验,退火处理可以提高蓝宝石的机械性能,但对蓝宝石光学性能影响不明显。
【图文】：

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文群 3 6R3 mC[3]。图 1-1：蓝宝石结构示意图。图中黑色点为 O2-，白色点为 AO2-与 Al3+之间通过离子键结合。O2-的空间排列组成刚玉结构。每三层 O2-就有层 Al3+交互排列，蓝宝石单晶( -Al2O3)晶格完全由 6个 O2-层和 6个 Al3+层交互列组成，如图 1-2所示。

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文群 3 6R3 mC[3]。图 1-1：蓝宝石结构示意图。图中黑色点为 O2-，白色点为 AO2-与 Al3+之间通过离子键结合。O2-的空间排列组成刚玉结构。每三层 O2-就有层 Al3+交互排列，蓝宝石单晶( -Al2O3)晶格完全由 6个 O2-层和 6个 Al3+层交互列组成，如图 1-2所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O78
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本文编号：2575255