蓝宝石变温弹性模量的实验测量

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。

目录

蓝宝石变温弹性模量的实验测量

EXPERIMENTAL MEASUREMENTS OF SAPPHIRE’S ELASTIC MODULUS WITH TEMPERATURE CHANGE

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 本课题的研究目的和意义

1.2 国内外研究概况和技术发展

1.3 本论文的研究内容

第2章 蓝宝石弹性模量理论推导

2.1 固体中的弹性波

2.2 蓝宝石弹性模量的理论计算

2.2.1 平面波形式下非压电弹性介质中的波动方程

2.2.2 晶体对称性对蓝宝石弹性模量的影响

2.2.3 蓝宝石晶体弹性模量的测定方法

2.3 本章小结

第3章 激光超声波探测技术

3.1 激光超声波产生机理

3.2 蓝宝石晶体光谱吸收特性分析

3.3 激光超声波的检测

3.4 本章小结

第4章 蓝宝石晶体高温弹性模量的实验测量

4.1 实验系统设计

4.2 实验系统可行性分析与测试

4.2.1实验可行性分析

4.2.2激光超声信号探测

4.3 蓝宝石晶体弹性模量测量

4.4 本章小结

结 论

参考文献

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致谢