熔石英表面纳结构对污染物的吸附及脱附的影响研究

发布时间：2020-10-17 06:46

　　 熔石英是光学器件中大量使用的材料之一。光学器件作为终端光学组件中重要的组成部分,其表面洁净程度对激光的通光率和装置的寿命有着重要影响。但随着激光瞬态功率的进一步增加,洁净程度涉及的问题愈发突出:器件表面纳结构和污染物会降低激光通光效率,并且污染物吸收能量将产生爆炸性蒸发,进一步造成表面结构的机械损伤。因此,为了提高通光质量以及减少维护成本,获取洁净程度较高的表面,研究惯性约束聚变装置中光学材料熔石英纳结构表面润湿性及污染物的粘附、去除机理具有重要意义。第一,本文简单介绍了分子动力学的基本理论,为后续模拟仿真提供了理论依据,同时对常用的光学元件加工方法进行了分析,归纳并提取了表面典型纳结构的类型,为后续仿真所采用的基底结构提供理论依据。第二,采用分子动力学(MD)方法从三个方面系统性研究了熔石英表面纳结构的润湿性。第一,通过改变基底柱形结构柱高和柱间距的尺寸参数,从液滴在柱间渗透率变化的角度,详细的分析了纳结构参数及水团簇尺度对润湿状态的影响,明确了稳定润湿状态中Wenzel-Cassie临界转变分界线;第二,通过在纳结构表面附着烃基、羟基等亲疏水性基团(有机物),从Wenzel、Cassie状态及临界转变分界线的位置等角度分析了纳结构下表面状态对润湿性的影响或得了亲水性和疏水性基团在纳结构下对润湿状态的影响规律;第三,采用槽型表面纳结构,通过改变纳槽型结构的槽深、槽宽研究了矩形槽和三角槽对润湿状态的影响,并就形貌的不同对润湿各向异性进行了分析。第三,采用MD方法模拟了油分子在熔石英平面、矩形槽、三角槽及锯齿槽四种表面结构的吸附以及水介质下的脱附过程。从体系瞬时状态、油分子密度分布、油团质心坐标等方面对吸附与脱附过程进行分析,研究发现油层稳定性对水通道形成快慢有重要影响;根据矩形槽结构吸附过程中油团质心高度回弹现象和脱离过程中水平油分子的残留现象,提出了槽型结构势阱残留作用机理,并从受力分析角度加以验证;同时发现了三角槽和锯齿槽中环阱结构过少是残留油分子少的主要原因。第四,通过采用不同的清洗方法对不同槽结构参数的熔石英样本进行清洗,基于接触角实验分析了熔石英表面结构对润湿性的影响;通过XPS能谱分析实验测量了纳结构表面的有机物含量,验证了纳结构对残留油分子的滞留效果,指出了影响实验结果误差的主要因素。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TL632
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 选题背景及研究的目的和意义
        1.1.1 课题的来源
        1.1.2 课题研究的目的和意义
    1.2 界面吸附国内外研究现状
        1.2.1 水分子界面吸附的润湿性研究现状
        1.2.2 污染物界面吸附研究现状
    1.3 本文主要研究内容
第2章 分子动力学模拟方法及熔石英表面典型结构类型建立
    2.1 引言
    2.2 分子动力学理论
        2.2.1 基本原理及模拟过程
        2.2.2 分子相互作用
    2.3 熔石英表面结构类型
        2.3.1 熔石英的表面加工工艺
        2.3.2 缺陷的种类
        2.3.3 典型结构构型
    2.4 本章小结
第3章 水在熔石英纳结构表面润湿性的研究
    3.1 前言
    3.2 固体表面润湿性理论
    3.3 水在附有有机物的柱形纳结构表面的吸附
        3.3.1 柱形纳结构表面的建模与模拟方法
        3.3.2 水分子吸附过程及润湿状态
        3.3.3 柱形结构柱高和柱间距的影响分析
        3.3.4 水团簇尺寸的影响分析
    3.4 纳结构下表面状态对润湿性的影响
        3.4.1 纳结构表面污染物（烃基）润湿性的影响
        3.4.2 纳结构表面亲水性基团（羟基）的润湿性的影响
    3.5 水分子在槽型纳结构表面的润湿性
        3.5.1 槽型结构建模与模拟方法
        3.5.2 矩形槽结构下水分子的吸附仿真分析
        3.5.3 锯齿槽型结构吸附仿真模拟分析
    3.6 本章小结
第4章 熔石英表面纳结构下油分子的吸附与脱附仿真
    4.1 前言
    4.2 基底模型的建模与参数设置
    4.3 四种结构表面油分子的吸附
        4.3.1 四种结构表面油团在吸附过程
        4.3.2 四种构型下油分子吸附过程及对比分析
    4.4 四种结构表面油分子在水介质下的脱附
        4.4.1 四种结构表面油分子在水介质下的脱附过程
        4.4.2 四种结构中油分子的密度分布分析
        4.4.3 结构势阱对残留油分子的作用机理分析
        4.4.4 油分子的结构势阱机理的验证
    4.5 本章小结
第5章 熔石英表面污染物去除的实验及验证
    5.1 引言
    5.2 不同表面结构熔石英样本的准备
        5.2.1 熔石英表面结构加工方法的选择
        5.2.2 熔石英的分组
        5.2.3 实验设备
    5.3 润湿角检测及XPS检测结果分析
        5.3.1 样品表面面元素不同对润湿性的影响分析
        5.3.2 表面微结构中槽间距对润湿性的影响分析
        5.3.4 不同清洗方法对有机物去除作用的影响
        5.3.5 表面微结构对残留有机物含量的影响
    5.4 实验中需要严格控制的因素
    5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文
致谢

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 苗心向;袁晓东;王海军;吕海兵;王成程;郑万国;;熔石英表面铜膜污染物诱导损伤实验研究[J];强激光与粒子束;2008年09期

2 尹伟;祖小涛;蒋晓东;袁晓东;吕海兵;王成程;郑万国;;经355nm激光预处理后熔石英的损伤增长[J];原子能科学技术;2009年09期

3 齐亚范,方敬忠;φ410mm轻型熔石英反射镜[J];光电工程;1999年01期

4 田野;彭小强;石峰;胡皓;;熔石英光学元件激光阈值提升仿真与工艺研究[J];航空精密制造技术;2013年05期

5 ;熔石英玻璃非球面聚光镜的高速切削[J];仪器制造;1974年06期

6 李德培;口径20厘米蜂窝熔石英平面镜制造及加工情况简介[J];天文学报;1994年02期

7 廖春德;解旭辉;史宝鲁;;电感耦合大气等离子体加工熔石英的研究[J];航空精密制造技术;2014年03期

8 齐亚范,方敬忠,杨力,吴时彬,熊胜明,张云洞;轻型反射镜研究与发展[J];光学技术;1998年03期

9 韩欢庆，雷廷权，温广武，周玉;碳纤维补强增韧熔石英性能研究[J];机械工程材料;1996年03期

10 王东方;;大气等离子体加工熔石英技术研究[J];陕西理工学院学报(自然科学版);2013年02期

相关博士学位论文 前4条

1 蒋晓龙;强激光系统熔石英基底的处理技术研究[D];中国科学技术大学;2015年

2 于景侠;CO_2激光辐照熔石英材料的热力学和动力学模拟[D];电子科技大学;2015年

3 钟勉;辐照对蓝宝石、熔石英光学和激光损伤特性的影响[D];电子科技大学;2016年

4 章春来;亚表面缺陷和杂质诱导光增强的模拟及其检测和控制研究[D];电子科技大学;2012年

相关硕士学位论文 前10条

1 王亚男;熔石英玻璃塑性域微铣削工艺基础及实验研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

2 佀昊;熔石英表面污染物粘附机理及洁净度表征方法研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

3 田润妮;熔石英体内杂质对激光光场调制的研究[D];西南科技大学;2015年

4 倪锐芳;熔石英玻璃的SBS效应及界面结构对损伤过程影响研究[D];西南科技大学;2015年

5 田野;紫外熔石英光学元件加工缺陷钝化工艺研究[D];国防科学技术大学;2013年

6 杨威;强激光作用下终端光学组件颗粒污染物的吸附及实验研究[D];哈尔滨工业大学;2016年

7 陈文洋;熔石英表面纳结构对污染物的吸附及脱附的影响研究[D];哈尔滨工业大学;2016年

8 周庆岩;熔石英修复形貌对三倍频激光传输过程相位调制的影响[D];电子科技大学;2016年

9 宋文亮;温度效应对强激光辐照下材料性质影响的研究[D];电子科技大学;2016年

10 尹伟;熔石英的真空损伤与损伤增长的研究[D];电子科技大学;2009年

本文编号：2844440