【精密与超精密加工】南京航空航天大学孙玉利教授团队：基于纳米划痕的熔石英玻璃去除机制与亚表面裂纹研究
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2024-10-14 17:00
重庆
随着国内外科学技术的不断发展，熔石英玻璃在航空航天、光伏和半导体等多个领域扮演着重要角色，对熔石英玻璃表面精度的要求日益提高。超精密磨削是获得高质量表面熔石英玻璃的关键技术。熔石英玻璃作为一种典型的硬脆材料，在加工过程中，在其表面和亚表面难以避免地会引入杂质、裂纹等损伤，亚表面损伤的存在对整个光学系统有诸多不良影响，包括降低光学元件的使用寿命、检测精度以及检测稳定性等。因此，在获得低损伤加工表面的同时，通过显微手段观察亚表面的损伤情况，对全方位评估光学元件的加工质量至关重要，分析亚表面裂纹的形成与扩展机理有助于进一步指导工艺优化，提高加工效率和加工质量。南京航空航天大学孙玉利教授团队通过纳米划痕试验研究了熔石英玻璃在动态载荷下的材料去除机制，结合逐层截面显微法观测划痕亚表面裂纹的整体形貌，分析裂纹的形成与扩展机理，研究动态载荷对亚表面裂纹深度和材料去除的影响规律。图1为熔石英玻璃纳米划痕试验中采集的划痕轮廓曲线，包括了预扫描曲线、划痕中深度曲线以及后扫描曲线。预扫描曲线表征的是划痕试验前熔石英玻璃试样的表面形貌；划痕中深度曲线表征的是试样在外部载荷作用下划痕的实时深度变化；后扫描曲线表征的是划痕在压头卸载后的残余形貌，通过分析划痕的残余轮廓研究材料的去除机制。从图1中的预扫描曲线可以看出，经过CMP抛光预处理后，熔石英玻璃试样表面轮廓非常平整，不会对划痕试验产生影响。由划痕中深度曲线可知，随着变载荷的匀速增大，划痕的实时深度逐渐增大，增长速率趋于平缓。在后扫描深度曲线中，划痕深度相对于划痕过程中的轮廓存在较大差异，说明材料发生部分弹性变形。此外，崩碎的材料会部分堆积在划痕底部导致划痕残余深度产生差异。![]()
经研磨抛光处理后的石英玻璃圆片由研抛沉积层、裂纹缺陷层、变形层和基体层四部分组成。对于光学元件，亚表面损伤是指材料裂纹缺陷层区域的裂纹、变形、污染等内部缺陷，工件的研抛沉积层深度一般为0.1~1 μm，石英玻璃的亚表面裂纹缺陷层深度通常在1~100 μm。不同载荷下熔石英玻璃亚表面裂纹形貌如图2所示。![]()
观察划痕深度及划痕形貌，可将划痕过程分为3个阶段。在第Ⅰ阶段，划痕距离与划痕深度呈线性关系，划痕残余形貌曲线保持平稳，此阶段的典型划痕形貌如图3所示，划痕底部存在微小的塑性凹凸，划痕呈现褶皱状，表面材料发生弹塑性变形。在第Ⅱ阶段，随着载荷的逐渐增大，刻划深度的增大趋势逐渐缓慢，后扫描曲线开始出现较大波动。Ⅱ阶段划痕形貌如图4所示。与Ⅰ阶段不同的是，在Ⅱ阶段的划痕右侧出现了明显的材料堆积现象，同时划痕左侧存在轻微的脆性破坏现象，划痕表面存在呈圆片状的碎屑，划痕底部开始变得凹凸不平。材料进入塑脆转变阶段的载荷称为临界载荷，此时的磨削深度称为塑脆转变临界深度。在第Ⅲ阶段，划痕中深度曲线的增速极为缓慢，后扫描曲线急剧波动。划痕表面出现广泛的断裂现象，划痕底部的塑性褶皱分明，部分崩断的碎屑残余在划痕底部，同时在划痕轮廓边缘产生大量的材料堆积，划痕两侧产生大片白色的萌生裂纹群。由于立方角压头所产生的划痕宽度较大，SEM难以展现划痕全貌，脆性去除Ⅲ阶段划痕局部形貌如图5所示。![]()
1）当动态载荷小于118 mN时，划痕轮廓呈褶皱状，仅存在少量塑性凹凸，材料发生弹塑性变形；当动态载荷大于118 mN且小于245 mN时，划痕表面材料去除进入塑脆转变阶段，熔石英玻璃塑脆转变临界深度为918 nm；当动态载荷大于245 mN时，材料表面大面积崩碎，熔石英玻璃进入完全脆性断裂阶段。2）当动态载荷超过118 mN时，熔石英玻璃亚表面从载荷加载点开始产生Hertz锥形裂纹并不断扩展，多条径向裂纹相交导致张开型裂纹，并在交汇点下方产生多条中位裂纹，形成“爪”状裂纹。3）熔石英玻璃的临界切削深度与其动态弹性模量成正比，与其流动应力成反比，动态冲击载荷使熔石英玻璃的临界切削深度下降，亚表面裂纹更易扩展，材料去除更快进入塑脆转变阶段。该文章发表在《表面技术》第53卷第16期。
引文格式：郭佳乐, 伊浩, 朱力敏, 等. 基于纳米划痕的熔石英玻璃去除机制与亚表面裂纹研究[J]. 表面技术, 2024, 53(16): 151-158.
GUO Jiale, YI Hao,
ZHU Limin, et al. Material Removal Mechanism and Sub-surface Cracking in Quartz
Glass Based on Nano-scratch[J]. Surface Technology, 2024, 53(16): 151-158.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.16.012
