輻照-壓痕載荷-表面圖形化條件下藍(lán)寶石單晶性能研究.pdf

1、隨著空間科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，要求空間探測(cè)活動(dòng)向著更高、更精細(xì)的方向發(fā)展。空間光學(xué)系統(tǒng)作為空間探測(cè)器的“眼睛”，起到探測(cè)未知事物、收集各種信息的作用，是空間探測(cè)器不可或缺的部分。作為空間光學(xué)系統(tǒng)的核心部件之一，空間光學(xué)窗口要求在較寬的波段范圍內(nèi)具有較高的光學(xué)透過(guò)性能、優(yōu)良的空間環(huán)境適應(yīng)性能，以保證光學(xué)系統(tǒng)所收集信息的效率、精度以及可靠性。藍(lán)寶石單晶作為一種全新的空間光學(xué)窗口材料，具有光學(xué)性能優(yōu)異、強(qiáng)度高、熱力學(xué)性能良好以及化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)

2、點(diǎn)，已經(jīng)開始取代如尖晶石、氟化鎂、硫化鋅以及玻璃等傳統(tǒng)的空間光學(xué)窗口材料。特別是人工制備表面圖形化微結(jié)構(gòu)藍(lán)寶石單晶工藝的發(fā)展，對(duì)藍(lán)寶石單晶空間光學(xué)窗口的研制提供了一種新的思路和指導(dǎo)思想。然而，當(dāng)藍(lán)寶石單晶用于空間光學(xué)材料時(shí)，在其服役過(guò)程中一般直接暴露于空間輻射環(huán)境等惡劣的空間環(huán)境中，粒子輻射及微力載荷將導(dǎo)致其光學(xué)及結(jié)構(gòu)性能的下降，影響使用性能，甚至出現(xiàn)系統(tǒng)失效。因此研究輻照、微力載荷以及表面圖形化條件下藍(lán)寶石應(yīng)用于空間光學(xué)窗口材料時(shí)的光

3、學(xué)性能以及結(jié)構(gòu)性能具有十分重要的意義。
　　空間粒子輻照影響藍(lán)寶石單晶光學(xué)及結(jié)構(gòu)性能，從而影響其使用性能。為探究藍(lán)寶石單晶在空間粒子輻照條件下所表現(xiàn)出的性能變化，利用地面綜合輻照模擬系統(tǒng)對(duì)藍(lán)寶石單晶試樣進(jìn)行了模擬輻照，分析了試樣經(jīng)不同劑量、能量的電子流、質(zhì)子流以及綜合流輻照后其光學(xué)及結(jié)構(gòu)性能的變化。對(duì)輻照前后試樣輻照正面以及輻照背面的表面粗糙度進(jìn)行了測(cè)試與分析，表明粒子輻照使藍(lán)寶石單晶表面粗糙度值上升，相同劑量及能量條件下質(zhì)電綜合

4、流對(duì)藍(lán)寶石表面粗糙度影響最大，質(zhì)子流次之，電子流最弱；輻照過(guò)程伴隨著明顯的劑量效應(yīng)和能量效應(yīng)；由于不同種類粒子在藍(lán)寶石單晶中具有一定的射程，從而造成了輻照背面的表面粗糙度與正面有一定差別，其中電子對(duì)背面粗糙度影響較質(zhì)子明顯。對(duì)藍(lán)寶石單晶試樣輻照前后的透過(guò)率性能進(jìn)行了測(cè)試與分析，結(jié)果表明空間粒子輻照均使藍(lán)寶石單晶在紫外-可見(jiàn)-近紅外-中紅外波段內(nèi)的透過(guò)率下降，不同種類、劑量以及能量對(duì)不同波段范圍內(nèi)透過(guò)率的影響程度也不盡相同，其中紫外波段范

5、圍內(nèi)透過(guò)率下降最為明顯；質(zhì)子輻照對(duì)紫外-可見(jiàn)波段范圍內(nèi)藍(lán)寶石單晶透過(guò)率影響最為明顯，近紅外波段內(nèi)不同粒子之間對(duì)透過(guò)率影響程度差別不大，在藍(lán)寶石單晶作為空間光學(xué)窗口材料的主要應(yīng)用波段——中紅外波段范圍內(nèi)綜合輻照對(duì)透過(guò)率的影響最明顯；粒子輻照對(duì)透過(guò)率的影響亦伴隨有一定程度的劑量效應(yīng)及能量效應(yīng)。對(duì)粒子輻照前后的藍(lán)寶石單晶試樣的面形精度包括PV值及RMS值進(jìn)行了測(cè)試與分析，結(jié)果表明粒子輻照對(duì)藍(lán)寶石單晶試樣的面形精度幾乎沒(méi)有影響。分析了質(zhì)子、電子

6、以及綜合輻照對(duì)藍(lán)寶石單晶的輻照機(jī)理。
　　為探究藍(lán)寶石單晶在壓痕載荷下所表現(xiàn)出的性能，利用納米壓痕測(cè)試方法對(duì)藍(lán)寶石單晶在微力載荷作用下的性能進(jìn)行了分析。引入了Nix-Gao納米壓痕尺度效應(yīng)模型，對(duì)藍(lán)寶石單晶納米壓痕測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的尺度效應(yīng)進(jìn)行了分析與模擬，并最終得到藍(lán)寶石單晶試樣納米硬度為31 GPa以及楊氏模量為382 GPa；對(duì)藍(lán)寶石單晶試樣在納米壓痕過(guò)程中出現(xiàn)的第一次 pop-in現(xiàn)象(位移不連續(xù))現(xiàn)象進(jìn)行了分析，結(jié)果表明加

7、載速率、最大載荷以及最大壓入深度對(duì)pop-in現(xiàn)象所對(duì)應(yīng)的載荷Pcr以及位移突變量Δhcr無(wú)影響，并對(duì)pop-in現(xiàn)象以下階段試樣的變形進(jìn)行了分析；對(duì)藍(lán)寶石單晶在微力載荷下的蠕變性能進(jìn)行了分析，得到了其蠕變應(yīng)力指數(shù)，對(duì)藍(lán)寶石空間光學(xué)窗口的壽命計(jì)算提供了依據(jù)。利用 Ansys有限元模擬分析軟件對(duì)藍(lán)寶石單晶納米壓痕過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明計(jì)算所得載荷-壓入深度曲線與試驗(yàn)所得曲線基本趨勢(shì)一致，表明有限元模擬分析方法可以作為藍(lán)寶石納米壓痕測(cè)

8、試的理論分析方法。
　　為探究表面圖形化藍(lán)寶石單晶應(yīng)用于空間光學(xué)窗口，對(duì)藍(lán)寶石單晶表面圖形化周期性微結(jié)構(gòu)條件下其光學(xué)性能進(jìn)行了分析。對(duì)等效介質(zhì)理論以及 FDTD理論(時(shí)域有限差分法)應(yīng)用于圖形化藍(lán)寶石透過(guò)率性能計(jì)算進(jìn)行了分析；利用光刻工藝對(duì)藍(lán)寶石單晶進(jìn)行加工，得到了周期相同(均為3.0μm)的圓錐型、炮彈型以及梯型三種不同形貌的表面周期性微結(jié)構(gòu)圖形；利用紅外光譜儀對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)的圖形化藍(lán)寶石的中紅外波段透過(guò)率進(jìn)行了測(cè)試與分析，表明