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延长玻璃质光学元件工作寿命的表面强化技术研究

陈晓苹  
【摘要】:玻璃质光学元件已广泛应用于航空航天、天文、军事等科研、国防领域,是高分辨率相机、超光谱相机、大型天文望远镜、强激光反射镜等高精密光学仪器的重要组成部分。玻璃质光学元件对环境因素较为敏感,它的工作性能稳定性和工作寿命直接影响着高精密光学仪器的实际应用。表面强化技术(SST)是以柔性研磨方式为主,将化学腐蚀方法和物理研磨方法相结合,通过提高光学表面质量和表面强度,降低玻璃质光学元件对环境因素的敏感性。最终达到有效延长玻璃质光学元件工作寿命的目的。 从玻璃质光学元件的加工工艺角度,对表面强度的变化过程、影响因素、增强模式以及工艺评价办法进行了分析研究。着重于玻璃质光学元件表面强度变化最大的研磨工艺过程。从表面微裂纹的产生、扩展及生长方式入手,研究表面微裂纹的去除和工艺检测办法。 1、确定了影响玻璃质光学元件工作寿命的重要因素—表面强度。研究玻璃质光学元件表面的加工过程,掌握表面强度的变化趋势。得出表面破坏层与微裂纹尖端应力集中共同造成玻璃质光学元件表面强度降低的结论。认为纵向生长趋势微裂纹的存在是引起光学元件失效的最直接原因。 2、论述酸腐蚀法用于去除表面破坏层,解除微裂纹尖端应力集中,恢复、提高玻璃质光学元件表面强度的工艺。利用HF酸腐蚀法钝化微裂纹表面,提出用分子着色剂检测玻璃表面微裂纹的方法。并已成功应用到实际加工工作。 3、分析材料的力学去除解析式,确定引起微裂纹生长的主要原因是法向作用力F_n;研究研磨过程中表面压应力的产生及变化,结合表面强度变化趋势,推导出表面最大压应力σ0对光学元件表面强度的积极作用。抑制表面微裂纹纵向生长、增大表面最大压应力,以此提高玻璃质光学元件的表面强度。提出了柔性研磨方式作为玻璃质光学元件表面强化技术主要内容的工艺办法;总结出针对特定材料(对于石英材料:研磨去除速率≤25um/hr,磨料粒度L≤15um)的柔性研磨方式的基本工艺控制条件。成功应用于参数为F1.3、Ф140mm的石英材料双曲面透镜的光学表面加工,取得了较好的效果。 4、研究光学表面强化技术的评价办法,对所涉及到的内容进行了分析整理。总结出表面粗糙度与表面强度之间的正比变化关系;发现了磨料溶剂化学性质对玻璃质光学元件表面粗糙度的重要影响。并将此结论应用到Φ240mm的轻量化球面加工,得到了R_a为0.62nm的球面。同时,根据柔性研磨方式实验结果,总结出了非成像表面粗糙度的基本设计要求。 本文是在探索光学元件工作寿命预测办法的研究中,对延长玻璃质光学元件工作寿命的表面强化技术的初步探索。所提出的柔性研磨方式工艺控制条件,虽然仅针对石英材料,但仍然为玻璃质光学元件的表面强化技术奠定了基础。


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