KDP晶体不同加工表面损伤检测与损伤机理分析

论文摘要

KDP（磷酸二氢钾,KH2PO4）晶体,因其具有较大的电光和非线性光学系数、高的激光损伤阈值、低的光学吸收系数、高的光学均匀性和良好的透过波段等特点而被广泛应用于激光变频、电光调制和光快速开关以及惯性约束核聚变等高技术领域。随着科学技术的不断发展,要求这种功能晶体器件的尺寸规格越来越大,厚度要求越来越薄,加工精度和表面完整性也越来越高。然而,由于KDP晶体具有易潮解、硬度低以及各向异性等特性,是目前公认的难加工材料之一。KDP晶体的加工通常包括切割、车削、磨削、抛光等。磨削是KDP晶体常用的加工方法之一,但由于磨削过程中影响表面质量的因素较多,为有效的提高磨削加工质量,对KDP晶体磨削去除机理及磨削产生的表面及亚表面损伤的检测是十分必要的。本文在阅读大量参考文献的基础上,参考硬脆材料的研究方法,对KDP晶体的加工损伤进行了研究。利用光学显微镜及SEM等设备对由切割、研磨、抛光及磨削等加工后的KDP晶体表面进行观测;利用截面法、择优蚀刻法及角度抛光法对切割、研磨及磨削加工后的KDP晶体亚表面损伤进行了研究。同时,研究了各向异性及进给量对磨削表面层质量的影响,并通过划痕实验对KDP晶体磨削加工损伤机理进行了实验研究。通过以上研究得到如下结论:不同加工方法加工出的试件表面质量及亚表面损伤均有所不同;不同晶向上磨削表面质量及划痕表面层损伤均存在差异。由金刚石线切割产生的裂纹深度为85.59μm,利用#3000砂纸研磨后的晶体损伤深度为19.32μm。通过选择合适的抛光液及清洗方法,抛光表面粗糙度达到1.556nm。采用#600砂轮自旋转磨削,当进给量分别为10μm/min和40μm/min时,磨削所产生的亚表面最大损伤深度值分别为7.41μm和8.96μm。采用平面磨削时,沿（001）晶面不同晶向磨削后的晶体表面质量也呈现出一定的各向异性。KDP晶体（001）晶面划痕实验表明,随着径向力的增加,划痕表面从塑性去除为主转变到脆性去除为主;亚表面首先产生大量位错然后出现中位及横向裂纹,从而导致晶体损伤深度的增加及材料的脆性去除。同时,不同晶向上表面裂纹扩展方向、摩擦系数以及亚表面裂纹形状、损伤深度、位错腐蚀坑形状均存在较大的差异。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 KDP晶体材料特性
• 1.3 KDP晶体研究现状
• 1.3.1 KDP晶体生长现状
• 1.3.2 KDP晶体力学性能研究现状
• 1.3.3 KDP晶体加工现状
• 1.3.4 KDP晶体加工损伤检测现状
• 1.4 课题来源及主要研究内容
• 2 KDP晶体加工试件的制备及其切割和抛光质量的分析
• 2.1 引言
• 2.2 样品的切割及抛光
• 2.2.1 样品的切割
• 2.2.2 样品的抛光
• 2.3 清洗方法对KDP晶体抛光表面质量的影响
• 2.3.1 超声波清洗
• 2.3.2 擦镜纸清洗
• 2.3.3 酒精棉清洗
• 2.3.4 酒精棉与擦镜纸相结合清洗
• 2.4 本章小结
• 3 KDP晶体磨削加工表面层质量的检测及分析
• 3.1 引言
• 3.2 平面磨床磨削表面层质量的检测与分析
• 3.2.1 实验设计
• 3.2.2 结果及讨论
• 3.3 自旋转磨削表面层质量的检测与分析
• 3.3.1 实验参数
• 3.3.2 表面损伤的观测及分析
• 3.3.3 亚表面损伤的观测及分析
• 3.4 本章小结
• 4 KDP晶体磨削损伤机理的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验设计
• 4.3 划痕表面形貌及摩擦系数
• 4.3.1 划痕表面形貌
• 4.3.2 划痕摩擦系数
• 4.4 划痕亚表面损伤形式及损伤深度
• 4.4.1 亚表面损伤形式及裂纹形状
• 4.4.2 亚表面损伤深度
• 4.5 不同晶向亚表面位错腐蚀坑
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢