熔石英元件超光滑磁流变抛光工艺基础研究
发布时间：2022-01-08 14:20
熔石英材料具有优良的物理和光学性能并被大量应用于强激光技术领域,然而传统光学加工技术难以使熔石英表面的粗糙度稳定降到1nm以下,同时加工过程造成的（亚）表面缺陷是降低熔石英元件抗激光损伤阈值的主要因素。磁流变抛光是一种先进的柔性抛光加工技术,为实现熔石英材料超光滑表面加工提供了新方法。磁流变抛光工艺参数和磁流变抛光液性能是决定抛光去除质量和效果的主要因素,也是获得熔石英超光滑表面的关键。目前,以表面均方根为主的超光滑表面评价指标难以有效地表征磁流变抛光工艺参数对熔石英元件的超光滑表面影响,这直接制约了磁流变抛光工艺的发展。本文在表面均方根评价基础上结合功率谱密度法（PSD）作为超光滑表面质量评价方法,对影响熔石英超光滑表面的主要工艺因素开展研究。首先,从分析熔石英材料的物理化学性质出发,阐明了水对熔石英材料去除起不可忽视的作用。对熔石英材料去除特性及去除模型的研究表明控制熔石英材料的去除量是获得超光滑表面的关键,并基于赫兹接触理论,计算出熔石英材料的理论临界去除深度。结合磁流变抛光去除机理和微纳米颗粒团聚-分散行为的研究获得磁流变抛光液中固相颗粒的法向载荷及颗粒的分散性是影响熔石英超光...
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．?２论文研宄思路框图??６??
?（２－１）??硅原子还可以与溶液中的ＯＨ＿离子发生微弱的化学反应，生成溶于水的水解产物，??进而降低玻璃的机械性能等。该化学反应可以由图２．１?（ａ）？（ｃ）所示［２４］：??，?Ｈ?？?－?Ｈ??，＼?ｚ?Ｓ，?Ｉ?Ｉ??０?〇?＾?＼?０?—?Ｓｉ—Ｏ??＼?Ｈ－?ｚ〇?—?Ｉ?＞??１?Ｓｉ?Ｈ?Ｈ?—?〇?Ｈ??Ｈｚ、?—?—?Ｗ??（ａ）水分子与表面硅原子?（ｂ）硅氧键断裂?（ｃ）溶于水的生成物??图２．１水与熔石英表层二氧化硅发生化学反应示意图??上述反应表明表层石英中四个硅氧键可以被逐步氢化，最终形成水溶性的Ｓｉ（ＯＨ）４，??该化学反应可以表示为式（２－２）或式（２－３）：??Ｓｉ—〇—Ｓｉ＋Ｈ２０?＾?２（Ｓｉ—ＯＨ）?（２２）??Ｓｉ０２＋Ｈ２Ｏ＾Ｓｉ（ＯＨ）４?（２３）??生成的Ｓｉ—ＯＨ可以进一步和水的氢氧根离子反应。如图２．２?（ａ）？（ｂ）所示［２４］：??Ｈ?０ＨＷａｔｅｒ?Ｈ?〇Ｈ?馨?ｈ?Ｗａｔｅｒ?，。?Ｈ：０、??＿?［ｙ°＾ｒｓｉ??Ｓｉ．?．?Ｓｉ?．?＞?Ｓｌ?一一?Ｓｉ?＿Ｔ?－?Ｓｉ??Ｂｕｌｋ?ｍａｔｅｒｉａ］?Ｂｕｌｋ?ｍａｔｅｒｉａｌ??（ａ）表层二氧化硅和水中离子的分布?（ｂ）氢氧根离子结合氢离子??图２．?２表层二氧化硅和水中离子进一步反应化学示意图??９??
缺陷如空洞、裂纹等，其在加工过程中不可避免的存在（亚）表面损伤［２６］。??光学材料的脆性去除模型可以通过硬压痕理论（ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ?ｏｆ?ａ?ｂｒｉｔｔｌｅ?ｍａｔｅｒｉａｌ?ｂｙ?ａ??ｈａｒｄ?ｉｎｄｅｎｔｅｒ）来解释［２７，２８］。图２．３?（ａ）中蓝色表示塑性变形区域且没有微小裂纹，该区??域随着作用于磨粒的载荷增大而变大；当载荷超过某一临界值时，在磨粒下方则会产生??竖直方向的中线裂纹（ｍｅｄｉａｎ?ｃｒａｃｋ），该裂纹随载荷的进一步增大而增大，当卸载时，??接触区域内的弹塑性应力不匹配，则产生横向的拉应力最终导致侧向裂纹（ｌａｔｅｒａｌ?ｃｒａｃｋ）??产生，同时中线裂纹并不能完全闭合。在外力反复作用下最终使侧向裂纹延伸到材料表??面，实现脆性去除。图２．３?（ｂ）是扫描电镜下经过磨削加工后表面及侧面的微观形貌。??从电镜图中可以清晰的观察到侧向裂纹以及中线裂纹。??Ｐｌａｓｔｉｃ?＋?Ｇｒｏｕｎｄ?ｓｕｒｆａｃｅ??Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ?Ｚｏｎｅ?ｒ?＾??—??Ｌａｔｅｒａｌ?Ｃｒａｃｋ?＼??Ｍｅｄｉａｎ?Ｃｒａｃｋ??（ａ）硬压模型?（ｂ）研磨后光学元件表面形貌??图２．?３硬脆性材料脆性去除理论模型和实际去除表面形貌??１０??
【参考文献】：
期刊论文
[1]熔石英元件抛光表面的亚表面损伤研究[J]. 何祥,谢磊,赵恒,马平. 强激光与粒子束. 2016(10)
[2]光学元件表面缺陷散射光成像数值模拟研究[J]. 王世通,杨甬英,赵丽敏,柴惠婷,刘东,白剑,沈亦兵. 中国激光. 2015(07)
博士论文
[1]基于材料弹性域去除的超光滑表面加工关键技术研究[D]. 彭文强.国防科学技术大学 2014
[2]摩擦对电/磁流变效应影响的机理研究[D]. 蒋继乐.清华大学 2012
[3]光学材料加工亚表面损伤检测及控制关键技术研究[D]. 王卓.国防科学技术大学 2008
[4]确定性磁流变抛光的关键技术研究[D]. 彭小强.国防科学技术大学 2004
硕士论文
[1]机械性能对熔石英损伤影响研究[D]. 陈庆红.电子科技大学 2013
[2]熔石英纳米压痕分子动力学仿真及实验研究[D]. 王昆.哈尔滨工业大学 2012
[3]三倍频激光下金属颗粒对熔石英元件损伤阈值影响的研究[D]. 王立斌.中国工程物理研究院 2012
[4]光学元件超光滑表面在精密抛光中表面光洁度控制的研究[D]. 周艳.中南大学 2009
[5]超精密加工表面粗糙度测量方法对比及功率谱密度评价[D]. 陈建超.哈尔滨工业大学 2009
[6]大口径熔石英元件表面激光损伤特性研究[D]. 黄晚晴.中国工程物理研究院 2009
本文编号：3576709
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．?２论文研宄思路框图??６??
?（２－１）??硅原子还可以与溶液中的ＯＨ＿离子发生微弱的化学反应，生成溶于水的水解产物，??进而降低玻璃的机械性能等。该化学反应可以由图２．１?（ａ）？（ｃ）所示［２４］：??，?Ｈ?？?－?Ｈ??，＼?ｚ?Ｓ，?Ｉ?Ｉ??０?〇?＾?＼?０?—?Ｓｉ—Ｏ??＼?Ｈ－?ｚ〇?—?Ｉ?＞??１?Ｓｉ?Ｈ?Ｈ?—?〇?Ｈ??Ｈｚ、?—?—?Ｗ??（ａ）水分子与表面硅原子?（ｂ）硅氧键断裂?（ｃ）溶于水的生成物??图２．１水与熔石英表层二氧化硅发生化学反应示意图??上述反应表明表层石英中四个硅氧键可以被逐步氢化，最终形成水溶性的Ｓｉ（ＯＨ）４，??该化学反应可以表示为式（２－２）或式（２－３）：??Ｓｉ—〇—Ｓｉ＋Ｈ２０?＾?２（Ｓｉ—ＯＨ）?（２２）??Ｓｉ０２＋Ｈ２Ｏ＾Ｓｉ（ＯＨ）４?（２３）??生成的Ｓｉ—ＯＨ可以进一步和水的氢氧根离子反应。如图２．２?（ａ）？（ｂ）所示［２４］：??Ｈ?０ＨＷａｔｅｒ?Ｈ?〇Ｈ?馨?ｈ?Ｗａｔｅｒ?，。?Ｈ：０、??＿?［ｙ°＾ｒｓｉ??Ｓｉ．?．?Ｓｉ?．?＞?Ｓｌ?一一?Ｓｉ?＿Ｔ?－?Ｓｉ??Ｂｕｌｋ?ｍａｔｅｒｉａ］?Ｂｕｌｋ?ｍａｔｅｒｉａｌ??（ａ）表层二氧化硅和水中离子的分布?（ｂ）氢氧根离子结合氢离子??图２．?２表层二氧化硅和水中离子进一步反应化学示意图??９??
缺陷如空洞、裂纹等，其在加工过程中不可避免的存在（亚）表面损伤［２６］。??光学材料的脆性去除模型可以通过硬压痕理论（ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ?ｏｆ?ａ?ｂｒｉｔｔｌｅ?ｍａｔｅｒｉａｌ?ｂｙ?ａ??ｈａｒｄ?ｉｎｄｅｎｔｅｒ）来解释［２７，２８］。图２．３?（ａ）中蓝色表示塑性变形区域且没有微小裂纹，该区??域随着作用于磨粒的载荷增大而变大；当载荷超过某一临界值时，在磨粒下方则会产生??竖直方向的中线裂纹（ｍｅｄｉａｎ?ｃｒａｃｋ），该裂纹随载荷的进一步增大而增大，当卸载时，??接触区域内的弹塑性应力不匹配，则产生横向的拉应力最终导致侧向裂纹（ｌａｔｅｒａｌ?ｃｒａｃｋ）??产生，同时中线裂纹并不能完全闭合。在外力反复作用下最终使侧向裂纹延伸到材料表??面，实现脆性去除。图２．３?（ｂ）是扫描电镜下经过磨削加工后表面及侧面的微观形貌。??从电镜图中可以清晰的观察到侧向裂纹以及中线裂纹。??Ｐｌａｓｔｉｃ?＋?Ｇｒｏｕｎｄ?ｓｕｒｆａｃｅ??Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ?Ｚｏｎｅ?ｒ?＾??—??Ｌａｔｅｒａｌ?Ｃｒａｃｋ?＼??Ｍｅｄｉａｎ?Ｃｒａｃｋ??（ａ）硬压模型?（ｂ）研磨后光学元件表面形貌??图２．?３硬脆性材料脆性去除理论模型和实际去除表面形貌??１０??
【参考文献】：
期刊论文
[1]熔石英元件抛光表面的亚表面损伤研究[J]. 何祥,谢磊,赵恒,马平. 强激光与粒子束. 2016(10)
[2]光学元件表面缺陷散射光成像数值模拟研究[J]. 王世通,杨甬英,赵丽敏,柴惠婷,刘东,白剑,沈亦兵. 中国激光. 2015(07)
博士论文
[1]基于材料弹性域去除的超光滑表面加工关键技术研究[D]. 彭文强.国防科学技术大学 2014
[2]摩擦对电/磁流变效应影响的机理研究[D]. 蒋继乐.清华大学 2012
[3]光学材料加工亚表面损伤检测及控制关键技术研究[D]. 王卓.国防科学技术大学 2008
[4]确定性磁流变抛光的关键技术研究[D]. 彭小强.国防科学技术大学 2004
硕士论文
[1]机械性能对熔石英损伤影响研究[D]. 陈庆红.电子科技大学 2013
[2]熔石英纳米压痕分子动力学仿真及实验研究[D]. 王昆.哈尔滨工业大学 2012
[3]三倍频激光下金属颗粒对熔石英元件损伤阈值影响的研究[D]. 王立斌.中国工程物理研究院 2012
[4]光学元件超光滑表面在精密抛光中表面光洁度控制的研究[D]. 周艳.中南大学 2009
[5]超精密加工表面粗糙度测量方法对比及功率谱密度评价[D]. 陈建超.哈尔滨工业大学 2009
[6]大口径熔石英元件表面激光损伤特性研究[D]. 黄晚晴.中国工程物理研究院 2009
本文编号：3576709
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