N31型磷酸盐激光玻璃干态/水环境下摩擦学行为研究

作     者：简清云 

作者单位：西南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋丹路;余家欣

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：磷酸盐激光玻璃 石英玻璃 磨损 应力腐蚀 摩擦化学反应 

摘      要：磷酸盐激光玻璃作为一种优异的激光能量放大介质,被大量地用于包括美国“国家点火装置和我国“神光装置在内的众多高功率激光系统中。磷酸盐激光玻璃的表面成形加工通常包括精密磨削、研磨和抛光等过程,这些加工的本质是利用磨料和玻璃表面间的剪切磨损造成玻璃局部材料去除。然而由于以上加工过程通常在抛光液或冷却液环境中进行,因此液体中的水分子将不可避免的作用于加工过程中,进而对材料去除造成影响。为此,本文采用直线往复摩擦方式,定性研究了不同试验环境和试验载荷下磷酸盐激光玻璃材料的去除规律和损伤特性。首先采用高二氧化硅含量的硅酸盐玻璃球作为对摩副,在开放式大气环境中着重探讨载荷对磷酸盐玻璃摩擦磨损性能的影响;其次,在此基础上,采用石英球作为对摩副揭示液态水对磷酸盐玻璃材料去除和损伤的影响规律;最后着重分析了两环境中磷酸盐玻璃的磨损机理,着重强调了由水参与的摩擦化学反应在磷酸盐玻璃磨损中的作用。基于以上研究,本文得到以下主要结论:(1)大气下,载荷是引起磷酸盐玻璃在摩擦磨损过程中材料去除方式改变的最显著的影响因素。随着载荷的增加,稳定磨损阶段的摩擦系数逐渐减小,磷酸盐激光玻璃的磨损体积先急剧增加后缓慢增加,同时磨损机理经历从磨粒磨损为主到磨粒磨损和裂纹滋生并存最后到脆性剥落为主的转变过程。进一步分析显示,在该实验条件下磷酸盐玻璃表面磨损区域未发生明显的摩擦化学反应。该研究为后续干燥空气和水环境中试验的开展提供了参考。(2)应力腐蚀不能促进磷酸盐激光玻璃的材料去除。水环境中磷酸盐激光玻璃的磨损体积和深度均比干燥空气中小,且随着载荷的增加,水环境中磨损体积和干燥空气中磨损体积的差值△V逐渐增大。进一步分析表明水分子不仅不促进磷酸盐玻璃的材料去除,反而对此材料的磨损起抑制作用。(3)水环境下,磷酸盐激光玻璃的损伤是以摩擦化学反应为主导机械作用并存的结果。研究表明,水环境中磷酸盐玻璃存在离子交换的水化反应和网格破坏的水解反应,反应产物中碱金属离子与二氧化硅在水分子的作用下生成了胶状硅酸盐覆盖在玻璃表面,阻碍了水解反应的进一步进行,同时具有润滑减磨的作用。