关键词：氟化钙晶体;;解理面;;各向异性去除;;滑移系统;;纳米压痕划痕
摘 要：氟化钙晶体基于其高透光率和高抗激光损伤阈值等优异的光学性能,已成为目前紫外光刻物镜系统中不可替代的透镜材料。随着紫外光刻进入曝光波长为13.5 nm的极紫外工艺,对氟化钙透镜的表面质量提出了更为苛刻的要求,如纳米级的面形精度和亚纳米级的表面粗糙度,以及近零损伤的超精密表面。针对不同晶面和晶向上晶体力学性能和材料去除的差异,如何准确构建氟化钙材料的各向异性去除函数,实现其在抛光过程中的一致、可控去除,已成为制约高精度、超精密氟化钙非球面加工的关键。基于此,本文借助纳米划痕仪以及原子力显微镜,首先开展了单点接触模式下晶体取向对氟化钙材料各向异性机械去除的机理研究,进一步探究了不同滑动速度对氟化钙材料各向异性磨损的作用机制。最后,在大气和纯水环境下对比研究了氟化钙晶体的压痕损伤,探究了水分子对材料各向异性压痕损伤的作用机制。本文主要的研究内容和创新成果总结如下:(1)研究了晶体取向对于氟化钙晶体机械去除的影响规律,提出了适用于不同晶面和晶向氟化钙材料韧性去除的接触压力安全域。通过对氟化钙三种晶面不同晶向的滑动磨损测试,发现随着滑动方向的变化,氟化钙不同晶面的弹-塑-脆性转变的临界值差异明显。同时,材料的磨损深度也随着晶向的变化呈现明显的各向异性。氟化钙晶体的塑性去除主要受机械应力的作用方向与滑移对应关系所影响,而裂纹的产生则优先发生在解理面上。此外,基于实验结果,一个10.8 GPa到11.4 GPa的安全区域被定义为氟化钙晶体所有晶面和晶向的韧性去除区间。(2)揭示了滑动速度对氟化钙晶体各向异性机械去除的影响规律通过研究不同滑动速度对氟化钙晶体不同磨损状态下材料去除的影响规律,发现滑动速度的变化会导致材料磨损深度产生明显差异,并且也会影响材料的滑动摩擦力和弹性恢复能力。滑动速度的作用机理主要体现在剪切应变速率的变化,导致材料与针尖的剪切作用力变化,从而影响材料的去除行为。而不同晶面所表现出的磨损行为差异,主要是由不同晶面在不同滑动速度下弹性恢复能力的差异引起,而这种差异具体与机械应力方向同晶体晶轴方向的位置关系以及滑移面的移动有关。同时,由于滑动速率与加载速率为一定值,导致滑动速度的变化对于氟化钙材料的弹-塑-脆性转变影响不大。(3)初步阐明了晶体各向异性以及水分子对氟化钙材料压痕损伤的作用机制通过对比大气和纯水环境下氟化钙晶体压痕损伤的磨损行为差异,指出不同晶面与晶向会对氟化钙磨损产生深刻的影响。另外,一定条件下,水对氟化钙晶体的裂纹扩展也会起到一定的促进作用。而氟化钙材料压痕损伤的各向异性主要与应力作用方向与滑移面以及解理面的相对位置有关,裂纹的形成机理也主要与压缩应力以及解理面位置有关;而水对于氟化钙裂纹的促进作用则表现为应力辅助下的材料溶解和剥离。综上所述,氟化钙晶体的机械去除主要与材料本身各向异性特征有关,同时也与加工参数以及加工环境密切相关。除此之外,水分子对于氟化钙晶体的裂纹扩展起到了明显的促进作用。本文的研究结果将有利于氟化钙材料实际加工过程中工艺参数的优化,并且为进一步实现氟化钙材料复杂形状加工的可控一致去除提供理论支持。
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