光學(xué)窗口用藍(lán)寶石的晶體缺陷和服役評(píng)價(jià)及增強(qiáng)改性研究.pdf

1、藍(lán)寶石晶體是一種優(yōu)異的光學(xué)窗口候選材料，目前被廣泛應(yīng)用于航空航天和軍事領(lǐng)域。本文在改進(jìn)的泡生法晶體生長(zhǎng)工藝基礎(chǔ)上，通過檢測(cè)和分析藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)過程中常見的缺陷、分布特點(diǎn)及其成因，成功制備了大尺寸、高質(zhì)量藍(lán)寶石晶體；并為了適應(yīng)目前紅外導(dǎo)彈的高馬赫速、精確復(fù)合制導(dǎo)的發(fā)展趨勢(shì)，研究了藍(lán)寶石晶體在高溫、砂粒侵蝕和宇宙射線及粒子輻照幾種環(huán)境下的服役行為；最后針對(duì)其中高溫服役強(qiáng)度急劇下降的突出問題，提出了在藍(lán)寶石基體上生長(zhǎng)鎂系列薄膜，再進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散

2、、淬火和時(shí)效處理，從而在基體中析出增強(qiáng)顆粒的措施。
　　研究結(jié)果表明，生長(zhǎng)的大尺寸藍(lán)寶石晶坯容易出現(xiàn)歪晶、裂紋及開裂、變色、非等徑生長(zhǎng)等現(xiàn)象；在晶坯的引晶和收尾區(qū)域形成絲狀及圓形的空腔，并且存在氧空位(F心、F+心)以及少量Mn4+、Cr3+、Ti4+等雜質(zhì)離子。這主要與相關(guān)的晶體生長(zhǎng)的物質(zhì)條件和工藝因素相關(guān)。其中物質(zhì)條件主要表現(xiàn)在原料的純度、籽晶的取向及加工精度和晶體生長(zhǎng)設(shè)備精度等方面；而工藝條件主要表現(xiàn)在引晶工藝、生長(zhǎng)及冷卻速

3、度、爐體溫場(chǎng)分布等方面。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化工藝后最終生長(zhǎng)的大晶體在中心處有著較高的結(jié)晶完整性，其半峰寬FWHM=11″。晶體的位錯(cuò)密度ρ=7.6×101～8.0×102cm-2，在晶坯中心部位僅存在有少量的<1120?>(0001)刃型位錯(cuò)，而在結(jié)晶尾部出?現(xiàn)了b=<1120>的螺線位錯(cuò)。其中切取的Ф150mm×30mm光學(xué)窗口用C面大尺寸藍(lán)寶石片，其光學(xué)均勻性Δn<1×10-7，內(nèi)應(yīng)力σ<1.0MPa。
　　高溫服役

4、行為的分析表明，藍(lán)寶石晶體有著良好的透波率，并且隨著溫度的升高，在波長(zhǎng)大于4μm的接近吸收帶區(qū)，由于多聲子吸收，透波率急劇下降；藍(lán)寶石晶體的介電性能存在各向異性，對(duì)于光學(xué)窗口常用的C向藍(lán)寶石晶體(E∥C)，隨著溫度的升高，介電常數(shù)及損耗角正切值顯著增大(30～1300℃，8～16.5GHz:ε=9.4～12.5，tanδ=4.9×10-5～3.7×10-4)，使其微波反射及吸收顯著增強(qiáng)，透波性能下降；而頻率對(duì)其的影響較小(<4％)；高溫

5、雙軸強(qiáng)度在600℃急劇下降(僅為20％左右)，這與在中溫區(qū)域(400～800℃)藍(lán)寶石晶體的孿晶變形機(jī)制相關(guān)；而藍(lán)寶石晶體的高溫硬度大小(20～1000℃，4.3～19.8GPa)，與加載的載荷大小、加載時(shí)間及方向有關(guān)。
　　抗砂蝕行為的分析表明，砂礫入射角度越大，粒徑越大，速度越大，對(duì)藍(lán)寶石晶體的損傷也就越大。但即使經(jīng)過速度為138m/s的石英砂時(shí)間為36s的沖蝕后，藍(lán)寶石晶體也并無明顯的失重；波長(zhǎng)為3μm處紅外透過率的降低也不

6、超過1%，能很好滿足目前紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的實(shí)際服役要求。
　　輻照效應(yīng)的研究表明，藍(lán)寶石晶體光學(xué)窗口經(jīng)各種手段輻照后在可見光及紅外區(qū)域的光學(xué)透波率無明顯變化，而在紫外波段，即使經(jīng)吸收劑量為5×106rad的γ射線、注量為5.5×1015e/cm2的電子流和輻照劑量為7.5×1015n/cm2的中子束輻照后，紫外吸收也很小，說明藍(lán)寶石晶體有著很好的抗輻照性能。隨著γ射線吸收劑量、電子注量、中子輻照劑量的增大，在藍(lán)寶石晶體中未發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)型色

7、心，而主要顯示了多種輻照電子型色心：γ射線和電子輻照以后的藍(lán)寶石，在紫外可見光波段更多表現(xiàn)出F及F+型的紫外吸收帶，強(qiáng)度也隨劑量隨之增大。但是在γ射線吸收劑量超過1.0×107rad后，會(huì)出現(xiàn)色心飽和現(xiàn)象，并且在吸收劑量超過5.0×108rad后，出現(xiàn)明顯的局域退火效應(yīng)，這是由于生長(zhǎng)的藍(lán)寶石晶體中氧空位缺陷較小以及γ射線的輻照作用主要以電荷激發(fā)為主，而電子輻照則會(huì)產(chǎn)生氧位移損傷效應(yīng)，但一般多為孤立型點(diǎn)缺陷。熱中子輻照源有不同于γ射線和電

8、子更大的輻照效應(yīng)：藍(lán)寶石晶體經(jīng)7.0×1016/cm2的中子輻照后，開始顯淺黃色，隨劑量增大，顏色加深。吸收光譜上出現(xiàn)F2、F2+及F3+等聚集型色心，這是由于中子的電荷中性，雖然能量較小，沒有直接的電子作用和晶格移位過程，但可以與原子核產(chǎn)生俘獲反應(yīng)，產(chǎn)生相應(yīng)的輻照激發(fā)和原子移位的效應(yīng)。
　　溶膠-凝膠法在藍(lán)寶石基體生長(zhǎng)薄膜的實(shí)驗(yàn)表明，采用旋涂法制備的薄膜經(jīng)過適當(dāng)?shù)木徛嘶鹛幚?，能夠形成均勻、致密的MgO薄膜。對(duì)鍍膜的樣品經(jīng)過高溫

9、(1600℃)熱處理后，均可發(fā)現(xiàn)在藍(lán)寶石表面形成擇優(yōu)取向的Spinel薄膜，并且在薄膜表面形成了具有正三角形的層狀紋路。
　　利用直流磁控濺射法，在藍(lán)寶石基體上生長(zhǎng)了鎂薄膜，其在沉積過程中有著一定的結(jié)晶取向性。高溫退火的實(shí)驗(yàn)表明，隨著退火溫度的升高以及退火時(shí)間的延長(zhǎng)，制備的鎂薄膜會(huì)首先轉(zhuǎn)變?yōu)镸gO多晶薄膜，再演化成MgO擇優(yōu)取向薄膜，然后最終生長(zhǎng)成Spinel擇優(yōu)取向薄膜。快速淬火和隨后時(shí)效處理的實(shí)驗(yàn)表明，在藍(lán)寶石基體中會(huì)析出有著