蓝宝石单晶热冲击抗力的实验与理论表征研究

蓝宝石单晶因其具有优异的光、热、力学性能，而成为高温、高速粒子冲刷、腐蚀等恶劣环境下高速飞行器多光谱宽波段整流罩/红外窗口的首选材料。当飞行器在大气层内高速飞行时，窗口与大气来流之间发生剧烈的相互作用，气动热流可使壁面温度在数秒内骤升数百度乃至上千度，形成热冲击。因此，基于高超声速、高机动、长时间服役环境的蓝宝石窗口在高温和复杂载荷作用下如何保持其结构完整性是一个十分重要的科学问题。内容涵盖两个层次上的问题，首先材料抵抗热冲击损伤形成的能力，然后是形成的热冲击损伤在高温和复杂载荷下的演化问题。.本项目计划以自主知识产权SAPMAC法生长的蓝宝石单晶为对象，建立蓝宝石单晶热冲击抗力的实验和理论表征方法，研究晶体本征缺陷和经历热冲击后产生的损伤在外载荷下的演化规律，找到影响蓝宝石单晶热冲击抗力的主要控制因素，建立合理的热冲击抗力表征参数，为提高蓝宝石整流罩/红外窗口部件的可靠性奠定研究基础。

本项目研究的目标是以自主知识产权冷心放肩微量提拉法（SAPMAC）生长的蓝宝石单晶为对象，建立蓝宝石单晶热冲击抗力的实验和理论表征方法，研究晶体本征缺陷和经历热冲击后产生的损伤在外载荷下的演化规律，找到影响蓝宝石单晶热冲击抗力的主要控制因素，建立合理的热冲击抗力表征参数，为提高蓝宝石整流罩/红外窗口部件的可靠性奠定研究基础。SAPMAC法因其具有晶体生长过程中晶体内热应力小、界面抗扰动能力强、相对成本低等特点，较适合用来生长大尺寸、高质量蓝宝石单晶；实验室采用该方法实现了直径240~300mm蓝宝石单晶的人工生长，晶体衍射峰峰形尖锐、FHWM值仅为11arcsec，缺陷密度在102/cm2水平，纯度高于99.995%；晶体有着良好的透波率(3μm，80%~86%)，并且随着温度的增大，尤其在波长大于 4μm的接近吸收带区，透波率急剧下降；室温双轴强度均值为 855MPa，高温双轴强度在600℃急剧下降(仅为20％左右)，研究表明其与中温区域(400~800℃)蓝宝石晶体孪晶变形机制 相关。基于氧-乙炔火焰技术搭建了红外窗口快速升温热冲击实验平台，建立了蓝宝石单晶热冲击抗力实验与理论表征方法，给出了试样尺寸、热流、加载时长等参数对蓝宝石晶体热冲击特性的影响规律；探讨了蓝宝石单晶强化改进方法与机制, 研究表明中子辐照强化后蓝宝石晶体红外透过率仍能保持在80%以上、600℃弯曲强度提高了104%，抗热致破坏温度由200℃提高至600℃，有效地改善了蓝宝石晶体抗气动热/力失效性能。