磷酸盐激光玻璃多尺度去除中水的化学贡献及其演变机制

As a key optical element used in the inertial confinement fusion high power solid-state lasers, phosphate laser glasses usually experience some multi-scale machining processes in water environment, such as grinding, abrading and polishing, where water plays a very important role, but so far the related mechanisms are still unclear. Starting from the interaction between a single abrasive particle and an optical element in multi-scale machining, this project aims to investigate the water-induced chemical contribution and its evolution machanism in the multi-scale material removal of phosphate glasses, by both tribological experment and numerical simulation in macroscale, mesoscale and microscale, respectively. Firstly, tribology experiments will be counducted in dry air and water environments, respectively, to discover and analyze the water effect on the material removal in different scales. Secondly, the water effects on both the mechanical properties of the phosphate glasses and the tribochemical wear of the glasses, and the evolution of such effects in the variation of scale will be studied to reveal the integrated mechanism of water’s contribution to material removal. Thirdly, the material multi-scale mechanical model and sliding wear model will be established by finite element numerical simulation, for the sake of clarifying the relationship bewteen the scale effect and the stress evolution, as well as that bewteen the stress evolution and the tribochemistry evolution. As a result, the evolution mechanism of the water-induced chemical contribution in the multi-scale material removal of phosphate glasses will be revealed. In summary, the proposed research effort is helpful to improve the machining quality of phosphate laser glasses. It can also contribute to the fundamental theory of tribology and precision machining.

作为惯性约束核聚变的关键光学元件，磷酸盐激光玻璃在实际加工中会在水参与情况下先后经历磨削、研磨和抛光等多尺度加工过程，且水对材料多尺度去除影响严重，但目前对其机理还认识不足。为此本课题从加工过程中单磨粒和工件的相互作用入手，通过摩擦学实验和数值模相结合的方式，在宏观、介观和微观层面对磷酸盐激光玻璃多尺度去除中水的化学贡献及其演变机制展开研究。课题拟首先在干态和水环境下完成不同尺度的磨损实验，借此发现各尺度下水对材料去除的影响规律。而后，测试分析水对玻璃机械性能和摩擦化学磨损的影响及其随尺度变化而演变的规律，揭示水对其材料去除的综合贡献机制。最后，借助有限元建立材料多尺度力学模型和滑动磨损模型进行模拟，分析尺度效应和应力变化、应力变化和摩擦化学反应转变之间的关系，揭示水的化学贡献在多尺度磨损中的演变机制。研究成果不仅有助于磷酸盐玻璃加工质量的提升，也能为丰富摩擦学和精密加工基础理论做出贡献。

作为惯性约束核聚变的关键光学元件，磷酸盐激光玻璃在实际加工中会在水参与情况下先后经历磨削、研磨和抛光等多尺度加工过程，且水对材料多尺度去除影响严重，但目前对其机理还认识不足。为此本课题从加工过程中单磨粒和工件的相互作用入手，通过摩擦学研究方法在宏观和微观层面对该玻璃多尺度去除中水的化学贡献及其演变机制展开研究，主要发现如下：.（1）玻璃表面的纳米力学性能与其暴露的环境密切相关。当玻璃暴露于纯水环境中，玻璃表面水合层的厚度会先增加再降低，同时表层的机械性能会先降低在回到初始状态。然而当其暴露于潮湿空气中，表面水合层的厚度持续增加，同时表面机械性能持续降低。.（2）在纳米尺度下单抛光颗粒和玻璃界面间的吸附水分子能增强颗粒与玻璃界面间的粘着与摩擦，同时还可以通过应力腐蚀作用促进玻璃的微观材料去除。抛光颗粒表面活性越强在摩擦过程中的剪切应力越大，越有助于水分子侵蚀玻璃表面，加速材料去除。.（3）在宏观尺度下，无论界面吸附水或液态水均有助于玻璃的材料去除；摩擦过程中的速度越慢界面吸附水的量越多，材料去除越强。同时液态水在摩擦过程中也扮演了界面润滑剂的作用，有助于削弱剪切应力，减小材料断裂。同时，磷酸盐玻璃和水的摩擦化学反应产物也会对摩擦副的磨损造成影响。.（4）在相近的名义接触应力下，在纳米尺度下界面吸附水会增加界面摩擦系数，但是相反，在宏观尺度下会降低摩擦系数。对于磨损而言，界面吸附水无论在纳米尺度还是在宏观尺度均会有助于材料去除，但是在宏观尺度下的材料去除率对接触应力的敏感程度高于纳米尺度。.在该项目的资助下本研究共发表论文20篇，其中SCI 13篇，EI 7篇。项目研究成果申请国家发明专利4项，授权1项。资助期间参加8次国际学术会议，邀请报告2次。参加6次国内学术会议，邀请报告4次。研究成果在成功应用于中国工程物理研究院ICF系统中光学玻璃“超光滑低缺陷”的磁流变抛光工艺控制。