輻照-壓痕載荷-表面圖形化條件下藍寶石單晶性能研究.pdf

1、隨著空間科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，要求空間探測活動向著更高、更精細的方向發(fā)展?？臻g光學(xué)系統(tǒng)作為空間探測器的“眼睛”，起到探測未知事物、收集各種信息的作用，是空間探測器不可或缺的部分。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，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)藍寶石單晶工藝的發(fā)展，對藍寶石單晶空間光學(xué)窗口的研制提供了一種新的思路和指導(dǎo)思想。然而，當藍寶石單晶用于空間光學(xué)材料時，在其服役過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寶石應(yīng)用于空間光學(xué)窗口材料時的光

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)對藍寶石單晶試樣進行了模擬輻照，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。對輻照前后試樣輻照正面以及輻照背面的表面粗糙度進行了測試與分析，表明粒子輻照使藍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、流對藍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，其中電子對背面粗糙度影響較質(zhì)子明顯。對藍寶石單晶試樣輻照前后的透過率性能進行了測試與分析，結(jié)果表明空間粒子輻照均使藍寶石單晶在紫外-可見-近紅外-中紅外波段內(nèi)的透過率下降，不同種類、劑量以及能量對不同波段范圍內(nèi)透過率的影響程度也不盡相同，其中紫外波段范

5、圍內(nèi)透過率下降最為明顯；質(zhì)子輻照對紫外-可見波段范圍內(nèi)藍寶石單晶透過率影響最為明顯，近紅外波段內(nèi)不同粒子之間對透過率影響程度差別不大，在藍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)綜合輻照對透過率的影響最明顯；粒子輻照對透過率的影響亦伴隨有一定程度的劑量效應(yīng)及能量效應(yīng)。對粒子輻照前后的藍寶石單晶試樣的面形精度包括PV值及RMS值進行了測試與分析，結(jié)果表明粒子輻照對藍寶石單晶試樣的面形精度幾乎沒有影響。分析了質(zhì)子、電子

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

7、載速率、最大載荷以及最大壓入深度對pop-in現(xiàn)象所對應(yīng)的載荷Pcr以及位移突變量Δhcr無影響，并對pop-in現(xiàn)象以下階段試樣的變形進行了分析；對藍寶石單晶在微力載荷下的蠕變性能進行了分析，得到了其蠕變應(yīng)力指數(shù)，對藍寶石空間光學(xué)窗口的壽命計算提供了依據(jù)。利用 Ansys有限元模擬分析軟件對藍寶石單晶納米壓痕過程進行了模擬計算，結(jié)果表明計算所得載荷-壓入深度曲線與試驗所得曲線基本趨勢一致，表明有限元模擬分析方法可以作為藍寶石納米壓痕測

8、試的理論分析方法。
　　為探究表面圖形化藍寶石單晶應(yīng)用于空間光學(xué)窗口，對藍寶石單晶表面圖形化周期性微結(jié)構(gòu)條件下其光學(xué)性能進行了分析。對等效介質(zhì)理論以及 FDTD理論(時域有限差分法)應(yīng)用于圖形化藍寶石透過率性能計算進行了分析；利用光刻工藝對藍寶石單晶進行加工，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；利用紅外光譜儀對三種不同結(jié)構(gòu)的圖形化藍寶石的中紅外波段透過率進行了測試與分析，表明