【摘要】：隨著軍事競賽的逐步推進,要求軍事武器向著超音速、超高精度的方向發(fā)展。作為軍事武器的核心力量之一,具有超音速、精確制導的導彈武器備受關注,要求在其飛行過程中內部構件不受損傷,且具有最佳偵察和打擊能力,則必須使用具有最優(yōu)光學、機械性能的光學窗口材料-藍寶石單晶。相比其他傳統(tǒng)紅外、整流罩窗口材料制備困難、成本高、機械性能差等缺點,藍寶石單晶脫穎而出,并逐漸得到認可。目前,藍寶石單晶的應用領域逐漸從軍用光學窗口材料向軍民兩用過渡,對不同晶向藍寶石的需求也不斷增大。市場需求已經(jīng)從初期單一的C向晶體逐步發(fā)展為C、A、M和R等多種晶向。但是,由于市場上可用的藍寶石單晶生長方法繁多,且不同生長方法獲得的單晶,其物理、機械和光學性能差異巨大,導致其終端產(chǎn)品質量難以統(tǒng)一,嚴重阻礙藍寶石單晶應用領域的快速發(fā)展。因此,研究KY法和EFG法等不同生長方法、以及不同晶向的藍寶石單晶,對比性能數(shù)據(jù),分析形成性能差異的原因,建立系統(tǒng)的評價體系,對藍寶石單晶應用領域的發(fā)展具有十分重要的理論和實踐意義。藍寶石晶體內部微觀缺陷嚴重影響晶體性能的發(fā)揮。為探究微觀缺陷引起藍寶石單晶性能的變化,本文對KY法和EFG法藍寶石,A向、C向和R向藍寶石試樣片進行化學濕法腐蝕,觀察試樣在不同腐蝕時間、腐蝕溫度的腐蝕坑形貌如何變化,進而確定試樣的最優(yōu)腐蝕工藝;在最優(yōu)腐蝕工藝條件下,觀察試樣腐蝕坑面積隨腐蝕時間的變化,進而確定腐蝕速率;在270℃腐蝕30min,計算藍寶石單位面積下的腐蝕坑數(shù)量,比較不同生長方法和晶向的藍寶石位錯密度數(shù)值大小,進而確定最佳生長方法和晶向;對藍寶石進行1650℃300min退火處理,分析藍寶石位錯腐蝕坑面積和數(shù)量的變化。為探究藍寶石機械性能和光學性能,分別進行理論彈性模量和維氏硬度計算、三點彎曲實驗、維氏硬度實驗、透過率測試和拉曼光譜測試。利用Material Studio軟件CASTEP模塊建立Al2O3晶體,進行坐標軸變換,計算得到C向理論彈性模量為442.85GPa;經(jīng)應力轉軸公式計算,A向理論彈性模量為424.49GPa,M向理論彈性模量為429.74Pa,R向理論彈性模量為373.00GPa。對藍寶石晶體進行了三點彎曲實驗,基于理論彈性模量C向M向A向,可以合理解釋當端面為C向時,增大藍寶石樣條彎曲強度的原因。藍寶石理論維氏硬度為20.34GPa。對藍寶石進行維氏硬度測試,因為當C向和A向受外力加載時,容易發(fā)生滑移,且C向面間距小于A向面間距,所以藍寶石維氏硬度:R向C向A向。對藍寶石進行透過率測試,因微觀缺陷數(shù)量EFG法明顯大于KY法,導致其在200nm-300nm波段,透過率明顯小于KY法藍寶石。隨著波長的逐漸增大,KY法和EFG法藍寶石透過率接近,均存在大于85%的透過率。當波長大于4.5μm,透過率開始下降。對藍寶石進行拉曼光譜測試,由于KY法的實際與理論拉曼位移的偏差小于EFG法,證明EFG法藍寶石生長質量不如KY法。此外,對退火處理后藍寶石均做了上述實驗,退火處理可以提高藍寶石的機械性能,但對藍寶石光學性能影響不明顯。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文群 3 6R3 mC[3]。圖 1-1：藍寶石結構示意圖。圖中黑色點為 O2-，白色點為 AO2-與 Al3+之間通過離子鍵結合。O2-的空間排列組成剛玉結構。每三層 O2-就有層 Al3+交互排列，藍寶石單晶( -Al2O3)晶格完全由 6個 O2-層和 6個 Al3+層交互列組成，如圖 1-2所示。

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文群 3 6R3 mC[3]。圖 1-1：藍寶石結構示意圖。圖中黑色點為 O2-，白色點為 AO2-與 Al3+之間通過離子鍵結合。O2-的空間排列組成剛玉結構。每三層 O2-就有層 Al3+交互排列，藍寶石單晶( -Al2O3)晶格完全由 6個 O2-層和 6個 Al3+層交互列組成，如圖 1-2所示。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O78
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本文編號：2575255