【摘要】：隨著軍事競賽的逐步推進(jìn),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(dǎo)的導(dǎo)彈武器備受關(guān)注,要求在其飛行過程中內(nèi)部構(gòu)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(xué)、機(jī)械性能的光學(xué)窗口材料-藍(lán)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(jī)械性能差等缺點(diǎn),藍(lán)寶石單晶脫穎而出,并逐漸得到認(rèn)可。目前,藍(lán)寶石單晶的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸從軍用光學(xué)窗口材料向軍民兩用過渡,對不同晶向藍(lán)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(lán)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(jī)械和光學(xué)性能差異巨大,導(dǎo)致其終端產(chǎn)品質(zhì)量難以統(tǒng)一,嚴(yán)重阻礙藍(lán)寶石單晶應(yīng)用領(lǐng)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(lán)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(jià)體系,對藍(lán)寶石單晶應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展具有十分重要的理論和實(shí)踐意義。藍(lán)寶石晶體內(nèi)部微觀缺陷嚴(yán)重影響晶體性能的發(fā)揮。為探究微觀缺陷引起藍(lán)寶石單晶性能的變化,本文對KY法和EFG法藍(lán)寶石,A向、C向和R向藍(lán)寶石試樣片進(jìn)行化學(xué)濕法腐蝕,觀察試樣在不同腐蝕時(shí)間、腐蝕溫度的腐蝕坑形貌如何變化,進(jìn)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(shí)間的變化,進(jìn)而確定腐蝕速率;在270℃腐蝕30min,計(jì)算藍(lán)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(lán)寶石位錯(cuò)密度數(shù)值大小,進(jìn)而確定最佳生長方法和晶向;對藍(lán)寶石進(jìn)行1650℃300min退火處理,分析藍(lán)寶石位錯(cuò)腐蝕坑面積和數(shù)量的變化。為探究藍(lán)寶石機(jī)械性能和光學(xué)性能,分別進(jìn)行理論彈性模量和維氏硬度計(jì)算、三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)、維氏硬度實(shí)驗(yàn)、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(jìn)行坐標(biāo)軸變換,計(jì)算得到C向理論彈性模量為442.85GPa;經(jīng)應(yīng)力轉(zhuǎn)軸公式計(jì)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(lán)寶石晶體進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn),基于理論彈性模量C向M向A向,可以合理解釋當(dāng)端面為C向時(shí),增大藍(lán)寶石樣條彎曲強(qiáng)度的原因。藍(lán)寶石理論維氏硬度為20.34GPa。對藍(lán)寶石進(jìn)行維氏硬度測試,因?yàn)楫?dāng)C向和A向受外力加載時(shí),容易發(fā)生滑移,且C向面間距小于A向面間距,所以藍(lán)寶石維氏硬度:R向C向A向。對藍(lán)寶石進(jìn)行透過率測試,因微觀缺陷數(shù)量EFG法明顯大于KY法,導(dǎo)致其在200nm-300nm波段,透過率明顯小于KY法藍(lán)寶石。隨著波長的逐漸增大,KY法和EFG法藍(lán)寶石透過率接近,均存在大于85%的透過率。當(dāng)波長大于4.5μm,透過率開始下降。對藍(lán)寶石進(jìn)行拉曼光譜測試,由于KY法的實(shí)際與理論拉曼位移的偏差小于EFG法,證明EFG法藍(lán)寶石生長質(zhì)量不如KY法。此外,對退火處理后藍(lán)寶石均做了上述實(shí)驗(yàn),退火處理可以提高藍(lán)寶石的機(jī)械性能,但對藍(lán)寶石光學(xué)性能影響不明顯。
【圖文】：

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

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