光學(xué)玻璃納米力學(xué)性能研究.pdf

1、目前，光學(xué)玻璃在航空航天、國(guó)防、民用等工業(yè)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。自由曲面的誕生對(duì)光學(xué)玻璃材料的超精密加工提出了更高的要求。由于光學(xué)玻璃是一種具有高硬度高脆性的非晶體材料，其超精密加工具有一定的難度。目前，光學(xué)玻璃的超精密加工方法主要有超精密磨削、單點(diǎn)金剛石切削、超精密拋光等方法，而無(wú)論何種加工方式都需要材料的力學(xué)特性作為理論研究的基礎(chǔ)。
　　材料力學(xué)特性的研究已經(jīng)經(jīng)歷了近一百年的歷史，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，力學(xué)特性的研究已經(jīng)逐漸從宏

2、觀向微觀方向發(fā)展，甚至已經(jīng)可以達(dá)到納米尺度。利用納米壓痕、納米劃痕等測(cè)試方法可以測(cè)試多種材料的納米硬度、彈性模量、摩擦磨損特性等納米尺度下的力學(xué)行為。關(guān)于光學(xué)玻璃的納米力學(xué)特性研究主要集中在材料的塑脆轉(zhuǎn)變方面，但是對(duì)材料其他特性（如彈性變形、尺寸效應(yīng)、黏附效應(yīng)等現(xiàn)象）的研究還不夠。因此，本文從以下幾方面進(jìn)行了相關(guān)研究:
　　1.以K9玻璃為研究對(duì)象，對(duì)K9玻璃進(jìn)行了納米壓痕實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明K9玻璃納米硬度存在尺寸效應(yīng)。隨著壓痕深度的

3、增加，納米硬度逐漸減小。根據(jù)Oliver-Pharr分析法，對(duì)納米硬度公式進(jìn)行推導(dǎo)，得出納米硬度公式極限為以深度h為自變量的減函數(shù)，從數(shù)學(xué)角度解釋了產(chǎn)生尺寸效應(yīng)的原因。K9玻璃塑脆轉(zhuǎn)變臨界深度為50nm，臨界載荷在0.8mN。載荷越大，彈性回彈率越小并接近一個(gè)常數(shù)。連續(xù)加載不會(huì)影響彈性回彈量，卸載后的黏附效應(yīng)會(huì)對(duì)加工后表面質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響，加載速率對(duì)材料變形沒(méi)有明顯影響。
　　2.為了研究微米和納米尺度下光學(xué)玻璃K9的摩擦磨損特

4、性，進(jìn)行了線性加載的微米和納米劃痕實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，微米尺度下K9玻璃塑脆轉(zhuǎn)變點(diǎn)在12.5N和17.5N之間，納米尺度下塑脆轉(zhuǎn)變點(diǎn)再3000μN(yùn)和4000μN(yùn)之間。恒載劃痕實(shí)驗(yàn)中，塑性變形穩(wěn)定，但脆性去除對(duì)表面質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響。對(duì)彈性回彈進(jìn)行研究，塑性變形彈性回彈穩(wěn)定，然而脆性變形過(guò)程中，彈性回彈經(jīng)歷明顯的波動(dòng)。
　　3.利用SPH法進(jìn)行K9玻璃劃痕仿真。結(jié)果表明，K9玻璃劃痕仿真過(guò)程中，材料發(fā)現(xiàn)塑性變形并且該變形量隨著深度的增加