磷酸鹽激光釹玻璃因其具備優(yōu)異的光學(xué)特性(光譜性能好、非線性系數(shù)小、儲能高等優(yōu)點)而被廣泛地應(yīng)用于諸如美國國家點火裝置、法國兆焦耳激光器和我國神光裝置等高功率激光系統(tǒng)中。因其表面質(zhì)量直接決定了激光系統(tǒng)的能量輸出,這就要求磷酸鹽激光玻璃具備超高的表面質(zhì)量,如超光滑、無缺陷等。但無論是在玻璃的表面加工(磨削、研磨和拋光時的液態(tài)水環(huán)境)還是在存儲和使用過程中(大氣環(huán)境)都不可避免地與水接觸,這些水分子作用于玻璃表面,可能導(dǎo)致表面產(chǎn)生改變層(又稱變質(zhì)層、水化層、表面反應(yīng)層等),改變層的存在會對玻璃表面的微納米力學(xué)性能造成影響。由于改變層結(jié)構(gòu)的變化,導(dǎo)致玻璃的近表面機械性能不同于原始玻璃表面,其具體差異取決于改變層的厚度和結(jié)構(gòu)。由于在水浸泡和潮濕環(huán)境中可能會誘發(fā)不同的表面改變層,從而導(dǎo)致兩種含水環(huán)境中的近表面力學(xué)性質(zhì)可能存在差異,而這種差異和作用機理尚未得到確切解決。因此,有必要從微納米角度出發(fā),研究磷酸鹽玻璃在不同水環(huán)境下的近表面力學(xué)性能的演化規(guī)律及水分子對玻璃表面的作用機理。為此,本文基于納米壓/劃痕儀,系統(tǒng)地研究了水對磷酸鹽激光釹玻璃表面力學(xué)性能的影響,實驗分兩大部分。第一部分,基于納米壓入的方式,首先把磷酸鹽玻璃樣品分別暴露在去離子水溶液和潮濕空氣中一定時間,以形成表面改變層。然后,基于納米壓痕,測量玻璃暴露在潮濕和干燥環(huán)境下的近表面力學(xué)性能隨暴露時間的變化規(guī)律,并討論了兩種環(huán)境中表面改變層的演化規(guī)律與作用機理之間的關(guān)系。第二部分,基于納米劃入的方式,研究了潮濕和干燥環(huán)境下不同速度時的單次刻劃過程對玻璃表面的摩擦磨損性能的影響,通過對比兩種環(huán)境下的刻劃速度、劃痕深度、摩擦系數(shù)等數(shù)據(jù)來分析水分子誘導(dǎo)下的摩擦磨損機理。最后,基于上述實驗再通過EDS、XPS和Raman的化學(xué)分析結(jié)果,本文得到的主要結(jié)論如下:(1)水浸泡和潮濕環(huán)境對磷酸鹽玻璃近表面力學(xué)性能有不同的影響。水浸泡環(huán)境下,隨著暴露時間的增加,玻璃表面的折合模量和納米硬度先降低后升高,尤其在浸泡足夠長時間后(180 h),玻璃網(wǎng)絡(luò)的均質(zhì)溶解破壞了預(yù)先存在的改變層,并防止形成新的穩(wěn)定的改變層,促使其表面力學(xué)性能更接近于原始表面。(2)相反,在潮濕環(huán)境下,玻璃表面的改變層厚度隨著暴露時間的增加呈單調(diào)遞增的趨勢,其表面力學(xué)性能也相應(yīng)地持續(xù)降低,磷酸鹽鏈的水解反應(yīng)和離子交換反應(yīng)都發(fā)生在玻璃網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部,這維持了改變層的生長并導(dǎo)致玻璃表面的力學(xué)性能持續(xù)惡化。(3)在兩種環(huán)境下,磷酸鹽玻璃的最大刻劃深度和殘余深度都隨著刻劃速度的增加而減小,低速下(0.06μm/s、0.1μm/s)的最大深度都集中在劃痕前端,并隨著刻劃速度的增加逐漸減小并達到穩(wěn)定。潮濕環(huán)境下整體的刻劃深度和殘余深度都比干燥環(huán)境下更大,這是由于潮濕環(huán)境中的水分子破壞了玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并在應(yīng)力的作用下進一步產(chǎn)生摩擦化學(xué)反應(yīng);另一方面,玻璃表面生成的改變層降低了其近表面力學(xué)性能,使得刻劃深度和殘余深度比起干燥環(huán)境下更大。(4)潮濕環(huán)境的摩擦系數(shù)整體較干燥環(huán)境下更小。一方面,潮濕環(huán)境中玻璃表面改變層的存在起到了一定的潤滑作用,這降低了刻劃時的摩擦系數(shù);另一方面,干燥環(huán)境下因為極少或沒有水分子參與到玻璃的摩擦磨損過程中,針尖與玻璃的刻劃過程屬于純機械磨損。
【學(xué)位單位】：西南科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH74;TQ171.735
【部分圖文】：

圖 2-1 磷酸鹽激光玻璃Fig.2-1 Phosphate laser glass痕儀測試裝置的優(yōu)化設(shè)計的主要設(shè)備為美國 Keysight 公司的磁驅(qū)動載荷裝置保證了測量的高精度動電容傳感器測量位移，分辨力達到了壓桿的橫向位移，最大量程可以流，使設(shè)備的熱效應(yīng)對熱漂移影響性和重復(fù)性。其測量原理主要是通

圖 2-2 納米壓/劃痕儀Fig.2-2 Nanomechnical test instrument2.2.1.1 樣品臺設(shè)計納米壓/劃痕儀自帶的載物臺，材質(zhì)為鋁合金，由五個直徑為 30 mm 的放樣圓柱組成，圓槽內(nèi)部側(cè)面有等大的弧柱凸起，跟載物圓柱塊成線接觸，這兩個凸起和側(cè)面的點接觸式緊固螺釘俯視成正三角形排列，便于對載物圓柱進行完全約束。其中，正中間有高度可調(diào)的基體材質(zhì)為熔融石英的標樣塊，用于壓頭的面積函數(shù)標定。每個小圓柱塊下都對應(yīng)著一個細牙螺釘以調(diào)節(jié)高度，高度調(diào)節(jié)范圍為 10 mm，目的以適應(yīng)不同厚度的樣品材料。實驗時調(diào)節(jié)好高度后再用側(cè)面的點接觸式緊固螺釘固定，其高度不能超過中間已標定好的標定塊高度，設(shè)備自帶的載物臺實物圖見圖 2-3a。針對實驗樣品尺寸的千差萬別，有些樣品無法通過切割或破壞的方式制作

納米壓/劃痕儀放置在精密減振臺上，所以加工后的載物臺的總重量也必須在內(nèi)。因此，結(jié)合上述因素決定新載物臺跟原載物臺一樣采用密度低強度鋁合金臺身，加工時需保證載物塊平面度要好，頂面跟側(cè)面的垂直度高，的粗糙度小，整個載物臺質(zhì)量足夠輕，剛度要足夠大，載物塊的高度調(diào)節(jié)跟原載物臺一致，另外加工好的整件都要進行性能校對。為保證載物臺滿足設(shè)備的實驗程序，改裝后的載物臺總高度和原載物臺高持一致為 50 mm，調(diào)節(jié)范圍都為 10 mm。其上的圓柱放樣臺內(nèi)徑設(shè)置為m，放樣臺尺寸設(shè)置為直徑 120 mm，整個樣品臺的放樣面積對比原有的了四倍。通過底部呈三角分布的三個細牙螺釘來實現(xiàn)載物臺的粗步調(diào)平，通過設(shè)備自帶物鏡進行精確調(diào)平。根據(jù)這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)通過 Creo 對新載物臺三維建模，所有尺寸通過 CAD 出圖并入廠加工，并對加工好的整件進行校對以滿足設(shè)備和實驗需求。優(yōu)化設(shè)計后的載物臺見圖 2-3b。
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本文編號：2892202