蓝宝石生长方法和晶向对晶体质量与性能影响规律研究

摘要

随着军事竞赛的逐步推进，要求军事武器向着超音速、超高精度的方向发展。作为军事武器的核心力量之一，具有超音速、精确制导的导弹武器备受关注，要求在其飞行过程中内部构件不受损伤，且具有最佳侦察和打击能力，则必须使用具有最优光学、机械性能的光学窗口材料-蓝宝石单晶。相比其他传统红外、整流罩窗口材料制备困难、成本高、机械性能差等缺点，蓝宝石单晶脱颖而出，并逐渐得到认可。
　　目前，蓝宝石单晶的应用领域逐渐从军用光学窗口材料向军民两用过渡，对不同晶向蓝宝石的需求也不断增大。市场需求已经从初期单一的C向晶体逐步发展为C、A、M和 R等多种晶向。但是，由于市场上可用的蓝宝石单晶生长方法繁多，且不同生长方法获得的单晶，其物理、机械和光学性能差异巨大，导致其终端产品质量难以统一，严重阻碍蓝宝石单晶应用领域的快速发展。因此，研究KY法和EFG法等不同生长方法、以及不同晶向的蓝宝石单晶，对比性能数据，分析形成性能差异的原因，建立系统的评价体系，对蓝宝石单晶应用领域的发展具有十分重要的理论和实践意义。
　　蓝宝石晶体内部微观缺陷严重影响晶体性能的发挥。为探究微观缺陷引起蓝宝石单晶性能的变化，本文对KY法和EFG法蓝宝石，A向、C向和R向蓝宝石试样片进行化学湿法腐蚀，观察试样在不同腐蚀时间、腐蚀温度的腐蚀坑形貌如何变化，进而确定试样的最优腐蚀工艺；在最优腐蚀工艺条件下，观察试样腐蚀坑面积随腐蚀时间的变化，进而确定腐蚀速率；在270℃腐蚀30min，计算蓝宝石单位面积下的腐蚀坑数量，比较不同生长方法和晶向的蓝宝石位错密度数值大小，进而确定最佳生长方法和晶向；对蓝宝石进行1650℃300min退火处理，分析蓝宝石位错腐蚀坑面积和数量的变化。
　　为探究蓝宝石机械性能和光学性能，分别进行理论弹性模量和维氏硬度计算、三点弯曲实验、维氏硬度实验、透过率测试和拉曼光谱测试。利用Material Studio软件CASTEP模块建立Al2O3晶体，进行坐标轴变换，计算得到 C向理论弹性模量为442.85GPa；经应力转轴公式计算，A向理论弹性模量为424.49GPa，M向理论弹性模量为429.74Pa，R向理论弹性模量为373.00GPa。对蓝宝石晶体进行了三点弯曲实验，基于理论弹性模量C向＞M向＞A向，可以合理解释当端面为C向时，增大蓝宝石样条弯曲强度的原因。蓝宝石理论维氏硬度为20.34GPa。对蓝宝石进行维氏硬度测试，因为当C向和A向受外力加载时，容易发生滑移，
　　且C向面间距小于A向面间距，所以蓝宝石维氏硬度：R向＞C向＞A向。对蓝宝石进行透过率测试，因微观缺陷数量EFG法明显大于KY法，导致其在200nm-300nm波段，透过率明显小于KY法蓝宝石。随着波长的逐渐增大，KY法和EFG法蓝宝石透过率接近，均存在大于85%的透过率。当波长大于4.5μm，透过率开始下降。对蓝宝石进行拉曼光谱测试，由于KY法的实际与理论拉曼位移的偏差小于EFG法，证明EFG法蓝宝石生长质量不如KY法。此外，对退火处理后蓝宝石均做了上述实验，退火处理可以提高蓝宝石的机械性能，但对蓝宝石光学性能影响不明显。

目录

第1章绪论

1.1研究背景及课题来源

1.2蓝宝石单晶性能与应用

1.3蓝宝石内部缺陷

1.4主要研究内容

第2章试样材料及试验方法

2.1材料

2.2样品准备

2.3检测方法

第3章蓝宝石单晶腐蚀行为与位错分布研究

3.1引言

3.2蓝宝石单晶腐蚀行为

3.3蓝宝石单晶位错分布

3.4本章小结

第4章蓝宝石单晶生长方法和晶向对性能影响研究

4.1引言

4.2蓝宝石单晶生长方法和晶向对弯曲强度的影响

4.3蓝宝石单晶生长方法和晶向对维氏硬度的影响

4.4蓝宝石单晶生长方法和晶向对透过率的影响

4.5蓝宝石单晶生长方法和晶向对拉曼光谱的影响

4.6本章小结

结论

参考文献

声明

致谢