KDP晶體力學(xué)性能與開裂現(xiàn)象研究.pdf

1、磷酸二氫鉀(KH2PO4，簡(jiǎn)稱KDP)晶體，是一種性能非常優(yōu)良的非線性光學(xué)晶體，其生長(zhǎng)研究已經(jīng)有80多年的歷史，是一種長(zhǎng)盛不衰的多功能水溶性晶體。由于KDP晶體具有較大的非線性光學(xué)系數(shù)和較高的激光損傷閾值，從近紅外到紫外波段都有很高的透過(guò)率，可對(duì)1.064μm激光實(shí)現(xiàn)二倍頻、三倍頻和四倍頻，也可對(duì)染料激光器實(shí)現(xiàn)二倍頻，因此，它可廣泛的用于制作各種激光倍頻器。另外，KDP晶體也是一種性能優(yōu)良的電光晶體材料，同時(shí)也是大功率激光系統(tǒng)慣性約束核

2、聚變工程(ICF)的首選非線性光學(xué)材料。
　　 隨著ICF事業(yè)的發(fā)展，對(duì)KDP晶體尺寸、數(shù)量和質(zhì)量的要求進(jìn)一步提高。就我國(guó)而言，目前“神光Ⅲ”主機(jī)和點(diǎn)火工程已經(jīng)被列入國(guó)家中長(zhǎng)期重大工程，未來(lái)國(guó)家對(duì)大尺寸KDP(DKDP)晶體的數(shù)量和質(zhì)量也將有更高的要求。
　　 KDP晶體在生長(zhǎng)、出槽、搬運(yùn)、加工等過(guò)程中和退火過(guò)程中出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，晶體開裂成為制約KDP/DKDP晶體向更大、更完整和更高質(zhì)量方向生長(zhǎng)發(fā)展的瓶頸。目前KDP晶體

3、的研究現(xiàn)狀主要集中在生長(zhǎng)技術(shù)，生長(zhǎng)機(jī)制和光學(xué)質(zhì)量這三個(gè)方面，晶體開裂的力學(xué)研究相對(duì)報(bào)道得較少。因此有必要進(jìn)一步探討KDP晶體的力學(xué)參數(shù)、開裂機(jī)制以及雜質(zhì)對(duì)KDP晶體力學(xué)性能的影響等。
　　 KDP晶體的主要生長(zhǎng)途徑是通過(guò)水溶液法生長(zhǎng)。從水溶液中生長(zhǎng)KDP晶體時(shí)，雜質(zhì)對(duì)KDP晶體的生長(zhǎng)習(xí)性、光學(xué)質(zhì)量及力學(xué)性能等有非常重要的影響。目前，國(guó)內(nèi)外在圍繞著雜質(zhì)對(duì)KDP晶體影響的研究中，關(guān)于雜質(zhì)離子對(duì)KDP晶體的力學(xué)性能的影響研究報(bào)道地較少

4、。因此，本文選擇KDP晶體生長(zhǎng)溶液中常見的幾種雜質(zhì)離子:一價(jià)Na+離子、三價(jià)Cr3+離子以及作為電荷補(bǔ)償存在的陰離子SO42-等，通過(guò)摻雜方式研究了它們對(duì)KDP晶體生長(zhǎng)習(xí)性、晶體質(zhì)量及力學(xué)性能的影響。本論文的主要內(nèi)容如下:
　　 1.采用全自動(dòng)、高精度RMT-150C力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展了KDP晶體的力學(xué)參數(shù)測(cè)試，根據(jù)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)和劈裂實(shí)驗(yàn)從宏觀角度分別測(cè)試了KDP晶體[001]和[100]晶向的彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度

5、等。結(jié)果表明:[001]和[100]晶向的彈性模量分別為39.25MPa和16.82MPa，泊松比分別為0.24和0.16，KDP晶體為典型的橫觀各向同性材料;在單軸壓縮試驗(yàn)下，晶體樣品的應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為嚴(yán)格的線性關(guān)系，當(dāng)達(dá)到或接近抗壓強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線徒然下降，晶體呈劈裂或粉碎性爆裂破壞，說(shuō)明KDP晶體為典型彈脆性材料。KDP晶體在[001]晶向的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別為115.00MPa和8.35MPa，在[100]晶向的抗壓強(qiáng)

6、度、抗拉強(qiáng)度分別為93.25MPa和6.67MPa;因此，KDP晶體在[100]晶向更容易發(fā)生脆性破壞，同時(shí)在KDP晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的破壞以拉破壞為主。
　　 2.在一定的應(yīng)力狀態(tài)下，晶體材料的晶格應(yīng)變和宏觀應(yīng)變是一致的;晶格應(yīng)變可以通過(guò)X射線衍射技術(shù)測(cè)出，宏觀應(yīng)變可以根據(jù)彈性力學(xué)求得，因此從測(cè)得的晶格應(yīng)變可推知宏觀應(yīng)力。采用高分辨X射線衍射法對(duì)KDP晶體的晶格應(yīng)變進(jìn)行了測(cè)試，并定量分析了其晶格應(yīng)力，探討出KDP晶體的晶格應(yīng)變保持

7、在10-3-10-2數(shù)量級(jí)，沿[010]方向受到的應(yīng)力最大，因此晶體容易沿著[001]方向發(fā)生開裂，與實(shí)際工作中的開裂現(xiàn)象相符合;并歸納總結(jié)了晶體生長(zhǎng)及加工過(guò)程中引入內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致開裂的主要因素。
　　 3.根據(jù)KDP晶體的結(jié)構(gòu)和晶系，利用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的方法設(shè)計(jì)了測(cè)試晶體介電、壓電和彈性性能的樣品切型;利用諧振法詳細(xì)研究了室溫下KDP晶體全部介電、壓電和彈性性能，并與文獻(xiàn)中的相應(yīng)數(shù)值作比較。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)到KDP晶體的彈性系數(shù)s11=3.

8、11×10-11m2/N，c11=4.6×1010N/m2，壓電應(yīng)變常數(shù)d14=9.51×10-12C/N，糾正了以往相關(guān)文獻(xiàn)中的不精確報(bào)道;其他電彈系數(shù)的測(cè)試結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)值相符。
　　 4.采用HXS—1000A型數(shù)字式智能顯微硬度計(jì)對(duì)快速生長(zhǎng)KDP晶體(001)面、(101)面、(100)面分別進(jìn)行壓痕法顯微硬度測(cè)試，實(shí)驗(yàn)表明:KDP晶體的顯微硬度具有明顯的各向異性，(001)面、(101)面、(100)面的顯微硬度分別為1

9、87kg/mm2、156.7kg/mm2、151.3kg/mm2;晶體各晶面的顯微硬度呈現(xiàn)出顯著的壓痕尺寸效應(yīng)，即硬度隨載荷的增大而減小。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)載荷較小，在5-25g時(shí)，壓痕區(qū)沒有出現(xiàn)明顯的裂紋;隨著載荷的增大，在25-200g時(shí)，裂紋以輻射狀擴(kuò)展，壓痕邊緣處形成崩碎狀脆裂。本文確定以25g作為KDP晶體顯微硬度測(cè)試的最佳載荷，此載荷下所測(cè)得的硬度為其顯微硬度。
　　 5.采用Na+、Cr3+分別作為一價(jià)和三價(jià)金屬離子摻雜

10、劑，通過(guò)傳統(tǒng)降溫法和點(diǎn)籽晶快速生長(zhǎng)法生長(zhǎng)KDP晶體，系統(tǒng)地研究了不同雜質(zhì)離子對(duì)KDP晶體生長(zhǎng)溶液、熱膨脹系數(shù)、顯微硬度、結(jié)構(gòu)完整性、光學(xué)均勻性、消光比等性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):隨著Na摻雜濃度的增大，KDP晶體[001]向（即Z向）熱膨脹系數(shù)逐步增大，[100]向（即X向）熱膨脹系數(shù)變化很小;KDP晶體(001)面的硬度整體大于(100)面的硬度，隨著Na摻雜濃度的增大，KDP晶體各晶面硬度顯著降低;未摻雜的KDP晶體與摻雜Na離子500

11、0ppm，105ppm的晶體半峰寬分別為:104.4”，122.4”和147.6”，晶體的半峰寬逐漸增大;Na離子高濃度摻雜時(shí)，錐光干涉圖中黑十字發(fā)生了輕微畸變，晶體的光學(xué)均勻性下降。
　　 Cr3+選擇性吸附在晶體柱面區(qū);隨著摻雜濃度的增大，晶體楔化增強(qiáng)，晶體內(nèi)局部產(chǎn)生缺陷，結(jié)構(gòu)應(yīng)力增大;當(dāng)Cr3+摻雜濃度為80ppm時(shí)，晶體內(nèi)布滿了大量平行于生長(zhǎng)層｛101｝面的“發(fā)絲狀”包裹體;Cr3+摻雜后的KDP晶體[100]方向和[0

12、01]方向的熱膨脹系數(shù)相對(duì)低于未摻雜KDP晶體;KDP晶體(001)面的顯微硬度隨著摻雜濃度的增大而減小。未摻雜KDP晶體衍射峰及Cr+離子摻雜濃度為20ppm的衍射峰均尖銳狹窄不包含任何附加峰;未摻雜KDP晶體衍射峰半峰寬為32.74”，Cr3+離子摻雜濃度為20ppm的半峰寬為28.8”，但衍射峰強(qiáng)度明顯降低。當(dāng)Cr3+離子摻雜濃度為40ppm時(shí)，衍射峰出現(xiàn)分裂，不再保持完整，半峰寬為75.6”，明顯變寬;當(dāng)Cr3+離子摻雜濃度為6

13、0ppm時(shí)，其(101)面的搖擺曲線出現(xiàn)兩個(gè)衍射峰;主峰和附加峰的半峰寬分別為12.69”和11.99”，兩峰之間的偏離角度為19.5”。
　　 6.采用傳統(tǒng)降溫法生長(zhǎng)了摻雜SO42-離子不同濃度的KDP晶體，研究分析了SO42-離子導(dǎo)致晶體出現(xiàn)的宏觀缺陷及開裂形式，從晶體生長(zhǎng)角度初步分析了硫酸鹽摻雜導(dǎo)致KDP晶體開裂的主要原因。實(shí)驗(yàn)表明，隨著SO42-離子摻雜濃度的增大，KDP晶體的主要開裂形式是垂直于生長(zhǎng)層｛101｝面的裂紋

14、;晶體中裂紋存在的區(qū)域都分布有大量層層平行于生長(zhǎng)層的母液包藏。隨著SO42-離子摻雜濃度的進(jìn)一步增大，晶體內(nèi)包藏呈云霧狀分布，裂紋呈不規(guī)則的花狀，晶體質(zhì)量嚴(yán)重下降，透明度降低。
　　 測(cè)試并表征了晶體的熱膨脹系數(shù)、顯微硬度、結(jié)構(gòu)完整性等，實(shí)驗(yàn)表明:SO42-離子摻雜濃度較低時(shí)(150，500ppm)，X向和Z向的熱膨脹系數(shù)相對(duì)于未摻雜樣品均略微增大;SO42-離子摻雜濃度較高時(shí)(1000ppm)，各方向的熱膨脹系數(shù)明顯增大。隨著

15、摻雜濃度的增大，硬度逐漸降低;當(dāng)SO42-離子摻雜濃度為1000ppm時(shí)，顯微硬度相對(duì)于未摻雜KDP晶體下降了近20％;搖擺曲線半峰寬隨著SO42-離子摻雜濃度的增大逐漸增大，晶體結(jié)構(gòu)完整性降低。
　　 7.采用Z片籽晶和錐頭籽晶分別進(jìn)行傳統(tǒng)降溫法生長(zhǎng)KDP晶體，并對(duì)其高分辨搖擺曲線、錐光干涉圖以及消光比進(jìn)行測(cè)試研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，KDP晶體在不同籽晶下均能實(shí)現(xiàn)較好的生長(zhǎng)穩(wěn)定性，采用錐頭籽晶生長(zhǎng)的KDP晶體具有相對(duì)較小的內(nèi)應(yīng)力以及更