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蓝宝石变温弹性模量的实验测量

殷和栋  
【摘要】: 蓝宝石晶体具有优良的机械、物理和化学等性能,被广泛用做红外窗口材料,但是其机械性能会随着温度的变化而改变,尤其是在高温环境下,其机械性能将会严重下降,导致蓝宝石晶体破裂。蓝宝石的弹性模量是表征其机械性能的一个重要物理参数,为了研究蓝宝石晶体的高温机械性能,有必要研究弹性模量随温度的变化的规律。 实验利用波长为532nm的脉冲激光作为激发超声波的光源,由于蓝宝石对532nm的激光有较高的透过率,无法产生超声波,因此我们在蓝宝石表面旋涂烧结一层对532nm的脉冲激光有高吸收的CuO无机介质,利用脉冲激光轰击CuO旋涂层产生烧蚀效应,从而在蓝宝石体内生成超声波,当超声波信号到达时,蓝宝石表面将会有一个微小形变,作为迈克尔逊干涉系统的一个镜面反射端,光程发生了变化,激光干涉场的强度会有一个瞬态突变,由此探测到超声波的传输速度,根据蓝宝石的弹性模量和超声波传输速度之间的关系,我们得到了特定方向的蓝宝石弹性模量,实现对蓝宝石弹性模量的非接触、无损伤测量。 针对片状蓝宝石晶体的变温弹性模量的探测,我们设计制备了尺寸符合要求的程控温度控制炉,温控范围为室温至1100℃,将样品固定放置在程控温度控制炉腔内,通过调节控温设备,可以探测到了变温情况下样品的弹性模量。为了验证实验的可行性,实验首先探测对532nm的脉冲激光有较强吸收的HB700型有色玻璃变温条件下的超声传输速度,实验证明,超声传输速度随着温度的升高而明显变化。同样的,表面旋涂了对532nm的脉冲激光有高吸收的CuO的蓝宝石样品放置在程控高温加热装置之中,改变温度,从室温到1000℃,以100℃为间隔,依次获得了11个不同温度点的蓝宝石C33晶轴方向的弹性模量,实现了变温条件下的蓝宝石弹性模量的测量,实验结果表明,随着温度的升高蓝宝石的弹性模量呈现下降的规律。


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