红外窗口用蓝宝石晶体的高温服役评价及其抗失效机理研究

室温下蓝宝石晶体由于具有良好的光学和力学等综合性能，以及其化学稳定性高，是目前红外窗口的理想候选材料。然而随着飞行器向高马赫趋势发展，气动热失效评价及其抗失效分析是高速飞行器用蓝宝石红外窗口研究的关键问题。本项目首先根据红外窗口的服役环境，通过自主设计模拟红外窗口材料受载的双轴弯曲夹具、高温硬度计和附有原位反应池的红外光谱仪，评价并分析了蓝宝石晶体在其高温工作环境下的综合服役行为及失效机理。在此基础上，针对蓝宝石高温服役时产生的热破裂和热辐射等主要问题，提出了在蓝宝石表面溅射金属镁膜再高温退火后淬火时效析出MgAl2O4第二相颗粒强化，以及设计并溅射Y2O3/SiO2增透膜系的技术途径，对蓝宝石基体进行增强增透复合改性。主要研究高温热处理对Spinel析出相尺寸及分布的影响；研究磁控溅射和后期退火工艺对增透薄膜结构、成分及光学透波率的影响。此申请项目有较强的理论研究和实际应用价值。

室温下蓝宝石晶体由于具有良好的光学和力学等综合性能，以及其化学稳定性高，是目前红外窗口的理想候选材料。然而随着飞行器向高马赫趋势的发展，气动加热高温服役评价及其抗失效分析是高速飞行器用蓝宝石红外窗口研究的关键问题。本项目首先根据红外窗口的服役环境，通过自主设计模拟红外窗口材料受载的双轴弯曲夹具、高温硬度计和附有原位反应池的红外光谱仪，评价并分析了蓝宝石晶体在其高温工作环境下的综合服役行为及其失效机理。在此基础上，针对蓝宝石高温服役时产生的热破裂和热辐射等主要问题，提出了在蓝宝石表面溅射金属镁膜再高温退火后淬火时效析出MgAl2O4第二相颗粒强化，以及设计并溅射Y2O3/SiO2增透膜系的技术途径，对蓝宝石基体进行增强增透复合改性。主要研究了高温热处理对尖晶石薄膜形成及其在蓝宝石基体中析出相的影响；研究磁控溅射和后期退火工艺对增透保护薄膜结构、成分及其性能（透波率和抗热冲击性能）的影响。. 研究结果表明，蓝宝石晶体随着温度的升高，由于多声子吸收，透波率急剧下降，特别是在波长大于 4μm的接近吸收带区；高温双轴强度在600℃急剧下降(仅为20％左右)，这与在中温区域(400~800℃)蓝宝石晶体的孪晶变形机制相关；而蓝宝石晶体的高温硬度大小(20~1000℃：4.3~19.8GPa)，与加载的载荷大小、加载时间及方向有关。. 采用直流磁控溅射法，在蓝宝石基体上沉积的镁薄膜，有着一定的结晶取向性。溅射的镁膜，随着退火温度的升高以及退火时间的延长，会首先转变为MgO多晶薄膜，再演化成MgO择优取向薄膜，然后最终生长成Spinel择优取向薄膜。快速淬火和随后时效处理的实验表明，在蓝宝石基体中会析出择优结晶取向的Spinel颗粒；改性测试的结果表明，Spinel颗粒的析出，由于阻碍加载裂纹的进一步延展，能有效防止蓝宝石晶体的高温孪晶变形，从而增强蓝宝石的高温强度，而对其光学透波率的影响较小。. 溅射蓝宝石增透保护用Y2O3/SiO2薄膜时，正交设计表明气压是影响Y2O3薄膜沉积速率和折射率的主要参数。Y2O3薄膜作为薄膜中间层，有效改善了薄膜总体应力状态，显著提高了蓝宝石增透保护膜的附着力；同时蓝宝石双面镀Y2O3/SiO2薄膜后，变温平均透过率显著提高，并表现出良好的抗热冲击性能。