ICF磷酸盐激光玻璃的机械化学耦合材料微观去除机理研究

，.Phosphate laser glasses, as the main core material of the amplifier using in inertial confinement fusion (ICF) high power solid-state lasers, usually are polished through magnetorheological finishing technology, but so far, the poor surface quality of phosphate laser glass after polishing still can not satisfy the requirement of ICF experiment, which has become a key technology difficulty to restrict the further development of ICF technology. On the basis of the interaction between single nano-particle in magnetorheological finishing fluid and optic element, the mechanical-chemical coupled material microremoval mechanism of phosphate laser glasses will be systematically investigated in this work. With nanoscratch and atomic force microscopy, the effects of normal load, shearing velocity, and size of nano-particle on the material removal of phosphate laser glasses will be addressed in mesoscopic and microscopic scale, and the material cross-scale removal mechanism will be expounded. Additional, in order to simulate the technological conditions of magnetorheological finishing, through an atomic force microscopy equipped with an environment chamber and fluid scanning module, the effects of environment humidity, pure water, solution with additives, and the material of nano-particle on the material removal of phosphate laser glasses will be investigated, and the tribochemical reaction mechanism will be clarified. Eventually, accroding to the main effect facors inducing material removal of phosphate laser glasss, an improved technological solution of magnetorheological finishing will be proposed, which will be verified experimentally on magnetorheological finishing machine. In general, this work can not only help to improve the fabrication quality of phosphate laser glasss, but also makes a contribution to the basic theory of nanotribology and ultraprecision machining.

作为惯性约束核聚变（ICF）的主要激光放大介质，磷酸盐激光玻璃虽然已采用磁流变抛光来实现表面平坦化，但目前的抛光质量较低，这已成为制约ICF实现点火的关键技术难题。本项目从磁流变抛光中单个纳米磨粒和工件的相互作用入手，系统开展磷酸盐激光玻璃的机械化学耦合微观去除机理研究。研究拟首先采用纳米划痕仪和原子力显微镜分别在介观和微观尺度，研究载荷、速度、粒径等系统因素对磷酸盐激光玻璃单点磨损的影响规律，揭示其材料跨尺度机械性去除机理。然后，通过环境可控的原子力显微镜模拟磁流变抛光的工艺条件，研究大气湿度、纯水、添加剂溶液以及不同磨粒材质等外界因素对材料去除的影响规律，阐明其摩擦化学反应机理。最后，总结影响磷酸盐激光玻璃材料去除的主要影响因素，针对性提出相关工艺改进措施，并在磁流变抛光机上加以验证。该课题研究成果不仅有助于磷酸盐玻璃抛光质量的提升，也能为丰富微纳摩擦学和超精密加工的基础理论做出贡献。

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”和我国的“神光”装置在内的众多高功率激光系统中。该玻璃由于其机械性能差，化学性质活泼，导致目前加工质量还不理想，且对该材料在加工时的机械化学去除机理还认识不足。本项目采用摩擦学方法通过原子力显微镜和低载往复摩擦磨损试验机研究了磷酸盐激光玻璃的摩擦化学磨损机理，主要进展包括：.（1）揭示了磷酸盐激光玻璃从微观到介观的跨尺度机械性去除机理。.在微观尺度下，磷酸盐激光玻璃的损伤经历从弹性变形到塑性变形最后到犁沟去除的转变过程；随着磨损机理的变化，其摩擦机理也从界面摩擦逐渐过渡为犁沟摩擦为主导。在介观尺度下，磨损机理经历从磨粒磨损为主导到磨粒磨损和裂纹滋生并存最后到脆性剥落的转变过程。.（2）揭示了对摩副化学性质在磷酸盐激光玻璃机械化学去除中的作用。.在磷酸盐激光玻璃的单点去除中，相对于惰性的金刚石颗粒而言，高活性的CeO2颗粒通过和玻璃基体之间形成界面键桥，增加了界面剪切应力，有助于吸附在玻璃表面的水分子水解玻璃，从而加速材料去除。在介观尺度下，当采用惰性陶瓷作为对摩副时，应力腐蚀加速了玻璃在水中的材料去除；而当采用活性SiO2作为对摩副时，SiO2与玻璃以及环境水分子作用后的胶状摩擦化学产物降低了玻璃在潮湿空气中的材料去除效率。.（3）揭示了由水分子诱发的磷酸盐激光玻璃的摩擦化学反应机理。.在静态腐蚀时，储存在玻璃基体中的残余应力帮助微细裂纹的快速扩展并最终造成玻璃结构崩塌。在单点接触磨损过程中，空气中的水分子在单点接触区域形成界面水桥，该水桥足以形成局部液态水环境对玻璃表面造成强烈的局部腐蚀，从而有助于材料快速去除。在液态磨损过程中，水一方面通过应力腐蚀加速玻璃磨损造成高去除效率，另一方面也充当了润滑介质削弱了接触应力和剪切应力，从而使玻璃次表面损伤大幅度降低。. 该项目共完成论文9篇，其中7篇已经发表或接收，另有2篇SCI论文在投，目前处于返修阶段。已发表论文中SCI检索3篇，EI检索4篇(其中1篇接收待发表)。获国家发明专利授权1项，实用新型专利授权1项。本项目的研究成果近期被美国研发ICF“国家点火装置”的劳伦斯利弗摩尔国家实验室执行主席Suratwala研究员大篇幅引用和报道。此外该项目负责人还于2015年受邀在第十二届全国摩擦学大会上就该项目的研究成果作邀请报告。