水环境对磷酸盐激光玻璃表面微纳米力学性能的影响研究

发布时间：2020-11-20 23:54

　　 磷酸盐激光钕玻璃因其具备优异的光学特性(光谱性能好、非线性系数小、储能高等优点)而被广泛地应用于诸如美国国家点火装置、法国兆焦耳激光器和我国神光装置等高功率激光系统中。因其表面质量直接决定了激光系统的能量输出,这就要求磷酸盐激光玻璃具备超高的表面质量,如超光滑、无缺陷等。但无论是在玻璃的表面加工(磨削、研磨和抛光时的液态水环境)还是在存储和使用过程中(大气环境)都不可避免地与水接触,这些水分子作用于玻璃表面,可能导致表面产生改变层(又称变质层、水化层、表面反应层等),改变层的存在会对玻璃表面的微纳米力学性能造成影响。由于改变层结构的变化,导致玻璃的近表面机械性能不同于原始玻璃表面,其具体差异取决于改变层的厚度和结构。由于在水浸泡和潮湿环境中可能会诱发不同的表面改变层,从而导致两种含水环境中的近表面力学性质可能存在差异,而这种差异和作用机理尚未得到确切解决。因此,有必要从微纳米角度出发,研究磷酸盐玻璃在不同水环境下的近表面力学性能的演化规律及水分子对玻璃表面的作用机理。为此,本文基于纳米压/划痕仪,系统地研究了水对磷酸盐激光钕玻璃表面力学性能的影响,实验分两大部分。第一部分,基于纳米压入的方式,首先把磷酸盐玻璃样品分别暴露在去离子水溶液和潮湿空气中一定时间,以形成表面改变层。然后,基于纳米压痕,测量玻璃暴露在潮湿和干燥环境下的近表面力学性能随暴露时间的变化规律,并讨论了两种环境中表面改变层的演化规律与作用机理之间的关系。第二部分,基于纳米划入的方式,研究了潮湿和干燥环境下不同速度时的单次刻划过程对玻璃表面的摩擦磨损性能的影响,通过对比两种环境下的刻划速度、划痕深度、摩擦系数等数据来分析水分子诱导下的摩擦磨损机理。最后,基于上述实验再通过EDS、XPS和Raman的化学分析结果,本文得到的主要结论如下:(1)水浸泡和潮湿环境对磷酸盐玻璃近表面力学性能有不同的影响。水浸泡环境下,随着暴露时间的增加,玻璃表面的折合模量和纳米硬度先降低后升高,尤其在浸泡足够长时间后(180 h),玻璃网络的均质溶解破坏了预先存在的改变层,并防止形成新的稳定的改变层,促使其表面力学性能更接近于原始表面。(2)相反,在潮湿环境下,玻璃表面的改变层厚度随着暴露时间的增加呈单调递增的趋势,其表面力学性能也相应地持续降低,磷酸盐链的水解反应和离子交换反应都发生在玻璃网络内部,这维持了改变层的生长并导致玻璃表面的力学性能持续恶化。(3)在两种环境下,磷酸盐玻璃的最大刻划深度和残余深度都随着刻划速度的增加而减小,低速下(0.06μm/s、0.1μm/s)的最大深度都集中在划痕前端,并随着刻划速度的增加逐渐减小并达到稳定。潮湿环境下整体的刻划深度和残余深度都比干燥环境下更大,这是由于潮湿环境中的水分子破坏了玻璃的网络结构,并在应力的作用下进一步产生摩擦化学反应;另一方面,玻璃表面生成的改变层降低了其近表面力学性能,使得刻划深度和残余深度比起干燥环境下更大。(4)潮湿环境的摩擦系数整体较干燥环境下更小。一方面,潮湿环境中玻璃表面改变层的存在起到了一定的润滑作用,这降低了刻划时的摩擦系数;另一方面,干燥环境下因为极少或没有水分子参与到玻璃的摩擦磨损过程中,针尖与玻璃的刻划过程属于纯机械磨损。
【学位单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH74;TQ171.735
【部分图文】：

图 2-1 磷酸盐激光玻璃Fig.2-1 Phosphate laser glass痕仪测试装置的优化设计的主要设备为美国 Keysight 公司的磁驱动载荷装置保证了测量的高精度动电容传感器测量位移，分辨力达到了压杆的横向位移，最大量程可以流，使设备的热效应对热漂移影响性和重复性。其测量原理主要是通

图 2-2 纳米压/划痕仪Fig.2-2 Nanomechnical test instrument2.2.1.1 样品台设计纳米压/划痕仪自带的载物台，材质为铝合金，由五个直径为 30 mm 的放样圆柱组成，圆槽内部侧面有等大的弧柱凸起，跟载物圆柱块成线接触，这两个凸起和侧面的点接触式紧固螺钉俯视成正三角形排列，便于对载物圆柱进行完全约束。其中，正中间有高度可调的基体材质为熔融石英的标样块，用于压头的面积函数标定。每个小圆柱块下都对应着一个细牙螺钉以调节高度，高度调节范围为 10 mm，目的以适应不同厚度的样品材料。实验时调节好高度后再用侧面的点接触式紧固螺钉固定，其高度不能超过中间已标定好的标定块高度，设备自带的载物台实物图见图 2-3a。针对实验样品尺寸的千差万别，有些样品无法通过切割或破坏的方式制作

纳米压/划痕仪放置在精密减振台上，所以加工后的载物台的总重量也必须在内。因此，结合上述因素决定新载物台跟原载物台一样采用密度低强度铝合金台身，加工时需保证载物块平面度要好，顶面跟侧面的垂直度高，的粗糙度小，整个载物台质量足够轻，刚度要足够大，载物块的高度调节跟原载物台一致，另外加工好的整件都要进行性能校对。为保证载物台满足设备的实验程序，改装后的载物台总高度和原载物台高持一致为 50 mm，调节范围都为 10 mm。其上的圆柱放样台内径设置为m，放样台尺寸设置为直径 120 mm，整个样品台的放样面积对比原有的了四倍。通过底部呈三角分布的三个细牙螺钉来实现载物台的粗步调平，通过设备自带物镜进行精确调平。根据这些关键数据通过 Creo 对新载物台三维建模，所有尺寸通过 CAD 出图并入厂加工，并对加工好的整件进行校对以满足设备和实验需求。优化设计后的载物台见图 2-3b。
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本文编号：2892202