本文主要研究内容
作者黄萍萍（2019）在《KDP晶体开裂的实验与模拟研究》一文中研究指出：KDP晶体作为一种具有压电、介电、电光、弹光、非线性光学性质的多功能晶体,从20世纪30年代起,人们对它的研究已持续多年。长期以来,人们致力于了解其晶体结构、探索生长机理、加快生长速度、提高晶体质量,并取得了显著成效。这些研究使得KDP晶体能够更好的满足惯性约束核聚变(ICF)装置对其“尺寸大、质量高、生长快”的要求。但是KDP晶体除了透过波段宽(近紫外～近红外)、非线性光学系数大、激光损伤阈值高、折射率均匀性好的优点,亦有着脆性高、易潮解、对温度变化敏感的特性,使得KDP晶体在生长和制备过程中容易出现开裂,严重影响其制备和工程应用。晶体开裂是内部应力超过断裂强度的一种破坏形式。为更好的理解晶体开裂,一方面需要了解晶体应力来源、大小及方向;另一方面需要准确测量晶体的力学性能参量。鉴于KDP晶体对温度变化敏感的特性,晶体制备过程中的温差对晶体开裂有着重要影响。温度不均匀产生的热应力表现为时间相关性,数值模拟因其可重复性、参数可调、结果准确合理、可研究实时问题、图形可视化等优点,成为预估晶体生长流场、温场、力场继而优化晶体生长过程的一种有效手段。本文采用实验观察和数值模拟计算相结合的方式,研究不同尺寸KDP晶体在下籽晶、生长及出槽过程中温差、应力和开裂三者之间的关系。另外,对KDP晶体的弯曲强度和断裂韧性进行了测量,并考察了晶体取向、温度等对KDP晶体断裂韧性的影响。本论文的主要内容如下:1.实验研究了不同小尺寸(36～50 mm)KDP籽晶与溶液温差对籽晶开裂的影响,并应用有限元方法计算了籽晶开裂时刻的温度和应力分布。实验结果表明,升温籽晶能承受的温差约是降温籽晶的2倍。籽晶降温时,表面裂纹大多平行于(100)、(110)、(001)平面,由边缘向内部扩展。籽晶升温时,裂纹从内部起始,大多平行于(110)平面,贯穿小孔及整个籽晶将其劈裂或使其炸裂。尤其重要的是,籽晶能承受的温差会随其尺寸的增大而减小。计算发现,籽晶拉应力的分布区域与断裂起始位置吻合,裂纹面上的最大应力大于KDP晶体[100]晶向的抗拉强度6.67 MPa,高应力区的第一主应力方向垂直于裂纹面。同时,随着籽晶尺寸增大,籽晶开裂时刻裂纹面上的应力减小,即导致籽晶开裂的应力数值降低。2.实验研究传统法生长小尺寸(30～40 mm)KDP晶体温度不均匀与开裂的关系,并用有限元法模拟计算晶体开裂时的温场和应力分布。实验结果表明,晶体开裂多发生在降温早期(10～150 s),晶体主裂纹平行于(100)或(001)面,表面裂纹遍布于晶体的多个表面,高宽比大的晶体更容易产生(001)面裂纹。模拟计算发现,当晶体内温差超过4℃时,其内部最大热应力接近晶体断裂强度,晶体有开裂的可能。4个晶体样品开裂时刻的应力分别为4.76 MPa、5.36 MPa、7.69 MPa、5.74 MPa,与KDP晶体[100]晶向断裂强度6.67 MPa相当;应力最大值出现在晶体底面棱中点或柱面棱中点,与晶体实际开裂的起始点一致。3.模拟研究传统法生长大尺寸(300～500 mm)KDP晶体出槽应力。以实验测得的晶体槽外环境温度为依据,模拟计算了抽取和保留溶液两种出槽模式下晶体温度和应力变化,并考察了晶体尺寸、生长结束时晶体与环境温差对应力的影响。结果表明,在两种出槽方式下,从变温早期到后期,最大应力均由晶体外表面逐渐转移到晶体内部。抽取溶液方式下,晶体外表面应力大于帽区棱边应力,产生从表面起始裂纹的几率大,晶体开裂倾向于发生在降温早期;保留溶液方式下,晶体内部帽区棱边应力大于外表面应力,产生起始于内部裂纹的几率大,开裂大多发生在后期。这样的开裂起始点和开裂时刻都与实际现象吻合。随着晶体尺寸增大,或生长结束时晶体与环境温差增大,晶体应力增加,导致其开裂风险增大。保留溶液方式下,晶体最大应力小于抽取溶液方式,开裂风险降低。因此,晶体生长完成后可采用先保留溶液一段时间(比如96h)再抽取溶液的方法出槽,降低开裂风险。4.研究传统法大尺寸KDP晶体生长开裂现象。模拟计算了生长一定高度大尺寸(200～500 mm)KDP晶体内部由热膨胀系数不均匀性导致的应力,同时考虑了有无帽区、热膨胀系数变化方式及范围、热膨胀系数单一方向变化对应力的影响。结果表明,相比于考虑帽区的情况,不考虑帽区情况下,得到的计算结果与实际晶体生长开裂情况更吻合。不考虑帽区情况下,晶体最大应力位于帽区与透明区交界面棱边,与实际晶体开裂起始点吻合;晶体最大应力数值与热膨胀系数的不均匀性呈正相关,其中x向热膨胀系数不均匀性对晶体开裂起主导作用;在同样的热膨胀系数不均匀情况下,随着晶体尺寸增加,最大应力数值增加,开裂风险相应增大。5.实验研究与KDP晶体开裂相关的力学特性,弯曲强度和断裂韧性。采用三点弯曲方法测量了KDP晶体[001]晶向、(001)晶面内不同晶向的弯曲强度,并对弯曲强度数据进行了统计分析。采用单边切口梁法测量了KDP晶体不同温度下的断裂韧性,同时研究了晶体取向、退火、加载速率对断裂韧性数值的影响。结果表明,两种力学参量存在明显的各向异性,其中[001]晶向弯曲强度和断裂韧性与其他方向相比都是最大的,(001)晶面内多个方向的弯曲强度差别不大。弯曲强度数值与劈裂法得到的抗拉强度实验结果吻合较好。所有方向样品弯曲强度数据的威布尔系数差别不大,表明数据的离散性相当。威布尔系数的获取可以为解释晶体断裂强度的尺寸效应提供参数。各方向样品的断裂韧性大小关系为:x-cut>Type Ⅱ>Type I>z-cut。各方向的断裂韧性都随着温度升高而增加,并在160℃出现最大值,随之在170℃降低,表明160℃为KDP晶体的塑脆转变温度。随着温度增加,断裂表面的裂纹生长区变得粗糙,且在160℃粗糙度增加明显,这一实验现象不仅解释了断裂韧性随温度升高逐渐增加的原因,也进一步佐证了KDP在160℃发生塑脆转变。此外,热处理和加载速率的降低,亦可提高KDP晶体的断裂韧性。
Abstract
KDPjing ti zuo wei yi chong ju you ya dian 、jie dian 、dian guang 、dan guang 、fei xian xing guang xue xing zhi de duo gong neng jing ti ,cong 20shi ji 30nian dai qi ,ren men dui ta de yan jiu yi chi xu duo nian 。chang ji yi lai ,ren men zhi li yu le jie ji jing ti jie gou 、tan suo sheng chang ji li 、jia kuai sheng chang su du 、di gao jing ti zhi liang ,bing qu de le xian zhe cheng xiao 。zhe xie yan jiu shi de KDPjing ti neng gou geng hao de man zu guan xing yao shu he ju bian (ICF)zhuang zhi dui ji “che cun da 、zhi liang gao 、sheng chang kuai ”de yao qiu 。dan shi KDPjing ti chu le tou guo bo duan kuan (jin zi wai ～jin gong wai )、fei xian xing guang xue ji shu da 、ji guang sun shang yu zhi gao 、she she lv jun yun xing hao de you dian ,yi you zhao cui xing gao 、yi chao jie 、dui wen du bian hua min gan de te xing ,shi de KDPjing ti zai sheng chang he zhi bei guo cheng zhong rong yi chu xian kai lie ,yan chong ying xiang ji zhi bei he gong cheng ying yong 。jing ti kai lie shi nei bu ying li chao guo duan lie jiang du de yi chong po huai xing shi 。wei geng hao de li jie jing ti kai lie ,yi fang mian xu yao le jie jing ti ying li lai yuan 、da xiao ji fang xiang ;ling yi fang mian xu yao zhun que ce liang jing ti de li xue xing neng can liang 。jian yu KDPjing ti dui wen du bian hua min gan de te xing ,jing ti zhi bei guo cheng zhong de wen cha dui jing ti kai lie you zhao chong yao ying xiang 。wen du bu jun yun chan sheng de re ying li biao xian wei shi jian xiang guan xing ,shu zhi mo ni yin ji ke chong fu xing 、can shu ke diao 、jie guo zhun que ge li 、ke yan jiu shi shi wen ti 、tu xing ke shi hua deng you dian ,cheng wei yu gu jing ti sheng chang liu chang 、wen chang 、li chang ji er you hua jing ti sheng chang guo cheng de yi chong you xiao shou duan 。ben wen cai yong shi yan guan cha he shu zhi mo ni ji suan xiang jie ge de fang shi ,yan jiu bu tong che cun KDPjing ti zai xia zi jing 、sheng chang ji chu cao guo cheng zhong wen cha 、ying li he kai lie san zhe zhi jian de guan ji 。ling wai ,dui KDPjing ti de wan qu jiang du he duan lie ren xing jin hang le ce liang ,bing kao cha le jing ti qu xiang 、wen du deng dui KDPjing ti duan lie ren xing de ying xiang 。ben lun wen de zhu yao nei rong ru xia :1.shi yan yan jiu le bu tong xiao che cun (36～50 mm)KDPzi jing yu rong ye wen cha dui zi jing kai lie de ying xiang ,bing ying yong you xian yuan fang fa ji suan le zi jing kai lie shi ke de wen du he ying li fen bu 。shi yan jie guo biao ming ,sheng wen zi jing neng cheng shou de wen cha yao shi jiang wen zi jing de 2bei 。zi jing jiang wen shi ,biao mian lie wen da duo ping hang yu (100)、(110)、(001)ping mian ,you bian yuan xiang nei bu kuo zhan 。zi jing sheng wen shi ,lie wen cong nei bu qi shi ,da duo ping hang yu (110)ping mian ,guan chuan xiao kong ji zheng ge zi jing jiang ji pi lie huo shi ji zha lie 。you ji chong yao de shi ,zi jing neng cheng shou de wen cha hui sui ji che cun de zeng da er jian xiao 。ji suan fa xian ,zi jing la ying li de fen bu ou yu yu duan lie qi shi wei zhi wen ge ,lie wen mian shang de zui da ying li da yu KDPjing ti [100]jing xiang de kang la jiang du 6.67 MPa,gao ying li ou de di yi zhu ying li fang xiang chui zhi yu lie wen mian 。tong shi ,sui zhao zi jing che cun zeng da ,zi jing kai lie shi ke lie wen mian shang de ying li jian xiao ,ji dao zhi zi jing kai lie de ying li shu zhi jiang di 。2.shi yan yan jiu chuan tong fa sheng chang xiao che cun (30～40 mm)KDPjing ti wen du bu jun yun yu kai lie de guan ji ,bing yong you xian yuan fa mo ni ji suan jing ti kai lie shi de wen chang he ying li fen bu 。shi yan jie guo biao ming ,jing ti kai lie duo fa sheng zai jiang wen zao ji (10～150 s),jing ti zhu lie wen ping hang yu (100)huo (001)mian ,biao mian lie wen bian bu yu jing ti de duo ge biao mian ,gao kuan bi da de jing ti geng rong yi chan sheng (001)mian lie wen 。mo ni ji suan fa xian ,dang jing ti nei wen cha chao guo 4℃shi ,ji nei bu zui da re ying li jie jin jing ti duan lie jiang du ,jing ti you kai lie de ke neng 。4ge jing ti yang pin kai lie shi ke de ying li fen bie wei 4.76 MPa、5.36 MPa、7.69 MPa、5.74 MPa,yu KDPjing ti [100]jing xiang duan lie jiang du 6.67 MPaxiang dang ;ying li zui da zhi chu xian zai jing ti de mian leng zhong dian huo zhu mian leng zhong dian ,yu jing ti shi ji kai lie de qi shi dian yi zhi 。3.mo ni yan jiu chuan tong fa sheng chang da che cun (300～500 mm)KDPjing ti chu cao ying li 。yi shi yan ce de de jing ti cao wai huan jing wen du wei yi ju ,mo ni ji suan le chou qu he bao liu rong ye liang chong chu cao mo shi xia jing ti wen du he ying li bian hua ,bing kao cha le jing ti che cun 、sheng chang jie shu shi jing ti yu huan jing wen cha dui ying li de ying xiang 。jie guo biao ming ,zai liang chong chu cao fang shi xia ,cong bian wen zao ji dao hou ji ,zui da ying li jun you jing ti wai biao mian zhu jian zhuai yi dao jing ti nei bu 。chou qu rong ye fang shi xia ,jing ti wai biao mian ying li da yu mao ou leng bian ying li ,chan sheng cong biao mian qi shi lie wen de ji lv da ,jing ti kai lie qing xiang yu fa sheng zai jiang wen zao ji ;bao liu rong ye fang shi xia ,jing ti nei bu mao ou leng bian ying li da yu wai biao mian ying li ,chan sheng qi shi yu nei bu lie wen de ji lv da ,kai lie da duo fa sheng zai hou ji 。zhe yang de kai lie qi shi dian he kai lie shi ke dou yu shi ji xian xiang wen ge 。sui zhao jing ti che cun zeng da ,huo sheng chang jie shu shi jing ti yu huan jing wen cha zeng da ,jing ti ying li zeng jia ,dao zhi ji kai lie feng xian zeng da 。bao liu rong ye fang shi xia ,jing ti zui da ying li xiao yu chou qu rong ye fang shi ,kai lie feng xian jiang di 。yin ci ,jing ti sheng chang wan cheng hou ke cai yong xian bao liu rong ye yi duan shi jian (bi ru 96h)zai chou qu rong ye de fang fa chu cao ,jiang di kai lie feng xian 。4.yan jiu chuan tong fa da che cun KDPjing ti sheng chang kai lie xian xiang 。mo ni ji suan le sheng chang yi ding gao du da che cun (200～500 mm)KDPjing ti nei bu you re peng zhang ji shu bu jun yun xing dao zhi de ying li ,tong shi kao lv le you mo mao ou 、re peng zhang ji shu bian hua fang shi ji fan wei 、re peng zhang ji shu chan yi fang xiang bian hua dui ying li de ying xiang 。jie guo biao ming ,xiang bi yu kao lv mao ou de qing kuang ,bu kao lv mao ou qing kuang xia ,de dao de ji suan jie guo yu shi ji jing ti sheng chang kai lie qing kuang geng wen ge 。bu kao lv mao ou qing kuang xia ,jing ti zui da ying li wei yu mao ou yu tou ming ou jiao jie mian leng bian ,yu shi ji jing ti kai lie qi shi dian wen ge ;jing ti zui da ying li shu zhi yu re peng zhang ji shu de bu jun yun xing cheng zheng xiang guan ,ji zhong xxiang re peng zhang ji shu bu jun yun xing dui jing ti kai lie qi zhu dao zuo yong ;zai tong yang de re peng zhang ji shu bu jun yun qing kuang xia ,sui zhao jing ti che cun zeng jia ,zui da ying li shu zhi zeng jia ,kai lie feng xian xiang ying zeng da 。5.shi yan yan jiu yu KDPjing ti kai lie xiang guan de li xue te xing ,wan qu jiang du he duan lie ren xing 。cai yong san dian wan qu fang fa ce liang le KDPjing ti [001]jing xiang 、(001)jing mian nei bu tong jing xiang de wan qu jiang du ,bing dui wan qu jiang du shu ju jin hang le tong ji fen xi 。cai yong chan bian qie kou liang fa ce liang le KDPjing ti bu tong wen du xia de duan lie ren xing ,tong shi yan jiu le jing ti qu xiang 、tui huo 、jia zai su lv dui duan lie ren xing shu zhi de ying xiang 。jie guo biao ming ,liang chong li xue can liang cun zai ming xian de ge xiang yi xing ,ji zhong [001]jing xiang wan qu jiang du he duan lie ren xing yu ji ta fang xiang xiang bi dou shi zui da de ,(001)jing mian nei duo ge fang xiang de wan qu jiang du cha bie bu da 。wan qu jiang du shu zhi yu pi lie fa de dao de kang la jiang du shi yan jie guo wen ge jiao hao 。suo you fang xiang yang pin wan qu jiang du shu ju de wei bu er ji shu cha bie bu da ,biao ming shu ju de li san xing xiang dang 。wei bu er ji shu de huo qu ke yi wei jie shi jing ti duan lie jiang du de che cun xiao ying di gong can shu 。ge fang xiang yang pin de duan lie ren xing da xiao guan ji wei :x-cut>Type Ⅱ>Type I>z-cut。ge fang xiang de duan lie ren xing dou sui zhao wen du sheng gao er zeng jia ,bing zai 160℃chu xian zui da zhi ,sui zhi zai 170℃jiang di ,biao ming 160℃wei KDPjing ti de su cui zhuai bian wen du 。sui zhao wen du zeng jia ,duan lie biao mian de lie wen sheng chang ou bian de cu cao ,ju zai 160℃cu cao du zeng jia ming xian ,zhe yi shi yan xian xiang bu jin jie shi le duan lie ren xing sui wen du sheng gao zhu jian zeng jia de yuan yin ,ye jin yi bu zuo zheng le KDPzai 160℃fa sheng su cui zhuai bian 。ci wai ,re chu li he jia zai su lv de jiang di ,yi ke di gao KDPjing ti de duan lie ren xing 。
论文参考文献
论文详细介绍
论文作者分别是来自山东大学的黄萍萍，发表于刊物山东大学2019-07-16论文，是一篇关于晶体论文,开裂论文,温度不均匀论文,应力计算论文,力学参量论文,山东大学2019-07-16论文的文章。本文可供学术参考使用，各位学者可以免费参考阅读下载，文章观点不代表本站观点，资料来自山东大学2019-07-16论文网站，若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请联系我们删除。