熔融石英中受控脆性去除的机制

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Mechanisms of Controlled Brittle Removal in Fused Silica

　　●模拟了熔融石英在划擦平面内的应力分布规律。
●分析了熔融石英中的裂纹扩展机制。
●残余应力被证实主导了多划擦试验中的裂纹相互作用。
●建立了熔融石英划擦过程的裂纹宽度模型。
●通过激光微结构实现了熔融石英的受控脆性去除。
引言
熔融石英因其极低的热膨胀系数、优异的光学透射性和出色的化学稳定性，已被广泛应用于先进光学领域，包括航空航天光学窗口、半导体微电子和深空探测[[1], [2], [3], [4]]。然而，由于其高硬度和高脆性，在超精密加工过程中极易诱发不受控制的脆性断裂[5,6]。在传统机械加工中，材料去除主要受复杂的刀具-工件相互作用控制，而这种作用难以精确控制。在强烈的压应力和剪应力作用下，加工表面下方或附近常产生表面微裂纹[7,8]、边缘崩碎[9,10]、严重的亚表面损伤[[11], [12], [13], [14]]以及残余应力层[[15], [16], [17], [18], [19], [20], [21]]。已有报道指出，亚表面损伤（如原子网络畸变和微裂纹）是导致光学元件强度下降的主要原因之一[[22], [23], [24], [25], [26], [27]]。因此，必须克服硬脆材料的加工瓶颈，以同时实现高表面质量和高效材料去除，这仍是精密光学制造领域的关键挑战[[28], [29], [30], [31]]。

在传统超精密加工理论中，延性域磨削一直被视为抑制熔融石英脆性断裂的有效策略。这一概念最早由Bifano等人[32]于1991年提出并验证。研究表明，当磨粒切入深度被精确控制时，脆性材料可以通过塑性变形被去除，从而获得接近抛光质量的表面。Huang等人[33,34]批判性地重新审视了经典的Bifano–Dow–Scattergood (BDS)模型，并基于压痕断裂力学修正了临界深度关系。他们指出，弹性模量、硬度、断裂韧性以及实验确定的临界深度均存在一定的不确定性。此外，实际的脆-延性转变不仅受材料固有力学性能和临界切削深度控制，还受到磨粒特性、应变率、温度、材料微观结构以及单个和多个微接触的联合效应影响。他们进一步强调了纳米划擦和微接触力学对于理解宏观磨削过程中材料去除的重要性。此后，硬脆材料延性域加工的临界切削深度被广泛研究[[35], [36], [37], [38], [39], [40], [41]]。亚表面损伤预测也得到了广泛研究。Li等人[42]综合考虑局部应变率和磨削温度，建立了亚表面损伤深度预测模型，并通过BK7光学玻璃的磨削实验进行了验证。与常规静态模型相比，该模型与实测损伤深度的吻合度更好。Zheng等人[43]提出了基于磨削力和材料去除能量的解析模型，用于预测脆-延性转变的临界磨削深度，并用于解释多磨粒随机作用下的表面生成机制。为进一步增强延性可加工性，热辅助磨削被引入。Wang等人[44]使用耐高温陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮进行了可控干磨削实验，利用磨削热改善熔融石英的延性响应，通过剪切流动和致密化实现了无裂纹材料去除，并在更大磨削深度下获得了更高的工艺可控性和加工效率。Lin等人[45]研究了激光功率对熔融石英脆-延性转变的影响，结合了有限元热模拟、热电偶测量、槽切和端面车削实验。结果表明，较高的激光功率增加了延性域的临界切削深度，表面质量也得到改善，从而促进了高质量超精密切削。刀具几何形状和刀具磨损的影响也已被考虑。Li等人[46]建立了光滑粒子流体动力学切削模型，并进行了划擦实验以作对比。从等效前角、静水压力、切削力和最大主应力的角度分析了刀具磨损对脆-延性转变的影响。结果表明，切削刃半径的增加使等效前角从正值变为负值，最大静水压力也随之增大，这些变化有利于延性材料去除。

解析应力场模型已被广泛用于解释硬脆材料中的裂纹萌生和脆-延性转变。大多数现有的弹性应力场模型[47,48]基于线弹性断裂力学，已被用于预测赫兹裂纹的成核条件[49,50]以及延-脆转变的临界阈值[51,52]。Rosales Sosa等人[53]将有限元分析与通过纳米压痕校准的弹塑性本构模型相结合，研究了钠钙硅酸盐玻璃和二氧化硅玻璃在不同压痕条件下的应力场。结果表明，实验校准的本构模型比常用的近似解析模型更准确地描述了压痕诱导的残余应力场。Wang等人[54]建立了各向同性脆性材料划擦的解析弹性应力场模型，并通过熔融石英和BK7玻璃的单磨粒划擦实验进行了验证，定性预测了中位裂纹、侧向裂纹和径向裂纹的萌生位置和演化顺序。然而，实际磨削并非简单的单磨粒划擦过程，而是涉及众多磨粒同时作用的复杂非线性力学耦合过程。尽管已有关于双磨粒和多磨粒划擦的解析应力场模型报道[[55], [56], [57], [58]]，但大多数仍基于无限均匀连续介质的假设，这一假设限制了它们描述熔融石英中真实裂纹扩展的能力。熔融石英具有非晶态和近似各向同性的结构，而磨削过程中的裂纹扩展具有高度随机性。更重要的是，现有模型很少考虑微观边界效应对裂纹尖端应力场的扰动[[59], [60], [61], [62], [63], [64]]。因此，当相邻磨粒诱导的应力场相互作用时，可能触发不稳定的裂纹扩展，这种相互作用最终可能导致宏观上不受控制的脆性去除。

为了揭示延性域加工的微观机制并建立预测模型[[65], [66], [67], [68]]，对硬脆材料的变形行为和裂纹演化进行了大量研究[[69], [70], [71], [72]]。纳米压痕和单磨粒划擦被广泛认为是重现磨粒与工件之间微观相互作用的有效方法[[73], [74], [75], [76], [77], [78], [79]]。Lu等人[80]通过纳米压痕和单颗金刚石磨粒磨削实验，建立了基于磨粒几何形状的接触应力模型，揭示了从纳米尺度到微尺度的脆-延性转变机制。研究发现，较大的磨粒半径和较低的转速可以将临界切削深度从纳米尺度提高到微米尺度，这些发现为抑制脆性材料高去除率延性加工中的边缘裂纹提供了有用指导。Qi等人[81]考虑了划擦速度引起的应变率和温度耦合效应，建立了亚表面损伤深度预测模型，涵盖了硬度、屈服强度、断裂韧性、塑性区半径和中位裂纹扩展的影响，并通过不同划擦速度下的划擦实验进行了验证。Lacondemine等人[82]将同步辐射X射线断层扫描与原位维氏压痕相结合，加入高原子序数颗粒作为散斑进行数字体积相关分析，量化了致密化对力学场的贡献。对于所研究的玻璃，致密化占压痕体积的27%，亚表面侧向开裂的临界应力测得为14 GPa。尽管延性域加工可以从源头抑制亚表面损伤的形成，但每个磨粒的切削深度必须严格控制在临界切削深度以下，这一严格的物理约束导致材料去除率极低。因此，仍难以满足大型复杂光学元件大规模高效制造的需求[[83], [84], [85], [86]]。

为克服纯机械加工在应力场调控方面的局限性，激光辅助加工[[87], [88], [89], [90], [91]]已被视为一种有前景的混合能量场工艺，用于硬脆材料的可控去除[[92], [93], [94], [95], [96], [97]]。在常规激光辅助加工中，激光的连续热效应主要用于局部软化材料[98,99]并降低其屈服强度[100,101]，从而扩展延性加工域。Jung等人[102]使用CO?激光对微通道表面进行重熔和抛光，表面粗糙度显著降低，通道表面质量得到改善，为硅基微流控器件提供了一种快速低损伤的后处理方法。然而，抛光质量高度依赖于激光功率等加工参数，功率不足无法完全改善表面，而过高的功率则可能导致表面变形或通道几何精度丧失。因此，仍需要在表面平滑和结构保持之间取得平衡。Choi等人[103]解决了传统机械方法在熔融石英上制造圆柱形微透镜阵列的难题。首先通过飞秒激光加工在熔融石英表面制备周期线性光栅和微结构，然后使用CO?激光辅助热重塑将其转化为平凸圆柱形和平顶曲面微透镜阵列，成功在熔融石英表面获得了高质量微透镜阵列。Li等人[104]通过飞秒激光直写、氢氟酸化学刻蚀和聚二甲基硅氧烷薄膜覆盖制备了网络状半封闭微流控通道，通过微观形貌表征和液体注入实验验证了流动可行性。然而，该方法主要通过聚二甲基硅氧烷覆盖表面凹槽来避免传统内部通道刻蚀时间不均匀的问题，对于密封可靠性、聚二甲基硅氧烷与熔融石英之间的界面稳定性以及复杂微流控功能的集成尚未充分研究。Liu等人[105]提出了飞秒激光辅助化学刻蚀工艺，通过飞秒激光直写和选择性化学刻蚀制备了具有圆形截面的单模光流控波导。除这些热和化学途径外，已有报道指出，通过光束调制和超快激光的非线性吸收，可以在熔融石英表面及下方精确诱导微结构改性区[[106], [107], [108], [109], [110]]。这些周期性微结构阵列可以改变材料的局部脆性响应和表观断裂行为。更重要的是，可以在物理空间中人为引入预定义的几何边界。当后续机械载荷施加到激光调制区域时，微结构边界可以重新分配主应力场，从而迫使裂纹尖端偏转或局部止裂。通过这种方式，脆性断裂可以被限制在微结构的预定义边界内。Wang等人[111]在Si?N?陶瓷表面预制了圆形微槽，发现槽结构改变了后续磨削过程中的局部材料去除行为，同时降低了磨削力和比磨削能。Ding等人[112]从断裂力学角度进一步研究了带预制微槽的Si?N?陶瓷的磨削行为。结果表明，微槽可以改变脆性断裂过程中裂纹的扩展方向，并减小槽邻近区域的损伤深度。Zhou等人[113]通过划擦实验结合分子动力学模拟，研究了周期性激光织构对4H SiC脆性断裂行为的影响。他们发现，预制纹理能够引导裂纹扩展并减少材料内部的应变累积，从而在断裂主导条件下改善材料去除行为。Zhang等人[114]在氧化锆陶瓷表面制备了仿生沟槽和分形纹理，并证明表面纹理化能够改变磨削损伤的演化过程并减少亚表面损伤。Pan等人[115]揭示了激光加工纹理的双重作用。一方面，局部应力集中可在沟槽边缘形成，并促进裂纹在预定区域内萌生。另一方面，沟槽能够打断裂纹扩展路径并抑制裂纹进一步合并，从而阻止连续损伤网络的形成。

近期研究表明，飞秒激光辐照对熔融石英的影响不仅限于表面几何形貌的改变，还涉及辐照区域内结构、力学响应、缺陷状态和应力分布的复杂变化。Shchedrina等人[116]利用同步辐射技术直接揭示了飞秒激光辐照在纳米尺度诱导的纳米光栅内部的SiO?致密化现象。他们的结果表明，在高压高温条件下发生的结构转变导致致密化基质的形成。Gaillard等人[117]以亚微米分辨率表征了受激光辐照影响的单个体积区域的弹性响应，发现局部结构修饰导致弹性刚度出现显著的空间变化。Xie等人[118]进一步利用高空间分辨率电子显微镜证明，飞秒激光辐照诱导的纳米光栅由规则排列的纳米多孔层组成，表明修饰区域不能简单地视为力学性能不变均质材料。这些研究共同证明，飞秒激光辐照能在熔融石英内部产生显著的结构异质性。缺陷形成是超快激光辐照的另一个重要后果。Yoshitomi等人[119]报道，飞秒激光烧蚀过程中产生的缺陷显著影响熔融石英的后续烧蚀行为。光致发光测量证实了非桥接氧空穴中心的形成，这些中心增加了光吸收并降低了后续烧蚀的阈值。Shchedrina等人[120]进一步总结指出，超快激光辐照可在硅酸盐玻璃中诱导多种类型的修饰，包括折射率变化、致密化、纳米光栅形成、空洞形成、缺陷累积以及局部力学性能的改变。这些现象源于非线性吸收、热过程和高压条件下结构转变的耦合效应。残余应力也与激光辐照诱导的结构修饰密切相关。Zhang等人[121]证明，熔融石英激光加工过程中的致密化和结构弛豫可产生显著的残余拉应力，并可能促进裂纹萌生。通过优化加工过程中执行的激光退火工艺，残余应力降低了约46%。Laverty和Chalifoux[122]系统研究了在多种脉冲能量和重复频率下熔融石英中产生的应力状态。他们发现，超快激光辐照诱导的纳米光栅与特征应力状态相关，而进一步向熔化转变则产生明显不同的应力响应。Koritsoglou等人[123]研究了单飞秒激光脉冲辐照下熔融石英的瞬态力学响应，发现主应力差随脉冲能量系统变化，表明超快能量沉积能在材料内部产生显著的瞬态应力场。Yang等人[124]进一步建立了熔融石英表面原子尺度点缺陷与残余应力之间的关系。他们发现点缺陷的演化，特别是与自陷激子相关的缺陷，与残余应力状态密切相关。Li等人[125]研究了熔融石英光学表面的飞秒激光修复，发现激光烧蚀过程中产生的不良表面结构伴随着原子尺度缺陷浓度的增加。激光加工参数的优化显著降低了相应的光致发光强度。

尽管激光烧蚀在熔融石英上制备表面微结构的形成机理已被广泛研究，但这些制备的微结构对后续机械加工过程中材料去除行为和裂纹扩展的影响仍不清楚。因此，本研究采用激光烧蚀在熔融石英上制备表面微结构，并系统研究其对机械加工过程中裂纹扩展的影响。首先，进行单磨粒压痕和划痕实验，以表征熔融石英的力学性能。分析不同加载条件下的材料去除特性和应力场演化。随后，在相同加载条件下对具有制备微结构的熔融石英试样进行划痕实验。观察微结构界面处的裂纹演化行为，分析微结构引导和抑制裂纹扩展的机理。最后，建立划痕过程的应力场模型，研究制备微结构对应力分布的影响。进一步建立材料去除宽度的预测模型，以阐明具有限定边界的可控脆性去除机理。本研究为调控裂纹扩展和实现熔融石英的受控脆性去除提供了理论基础。

章节片段

实验细节与方法

为了揭示熔融石英在局部接触加载下的力学响应和裂纹演化，进行了纳米压痕实验和变载荷划痕实验。通过微纳尺度的纳米压痕获得了熔融石英的硬度、弹性模量和载荷-位移响应。变载荷划痕用于模拟单个磨粒与工件表面在逐渐增加的压入深度下的相互作用。通过分析...

结果与讨论

通过对纳米压痕和变载荷划痕结果的分析和讨论，可以获得熔融石英的基本力学数据。这些数据用于评估熔融石英抵抗压痕变形和裂纹萌生的能力。它们也用于区分不同加载条件下的材料去除模式。本节介绍并讨论了压痕和划痕实验获得的结果。

熔融石英划痕过程中受控脆性去除的机理

熔融石英的划痕结果表明，脆性域去除主要以裂纹萌生和扩展为特征。该过程是表面和亚表面损伤的主要来源。在加载过程中，径向裂纹和中间裂纹分别在塑性区的上角和底部产生。这些裂纹可以合并形成中间径向裂纹系统，这严重影响亚表面损伤和材料强度。在卸载过程中，残余拉...

结论

本研究通过激光加工在熔融石英表面制备了特定的微结构，以有意引入裂纹偏转路径、裂纹桥接和裂纹钝化效应。这些机制耗散裂纹扩展能量并抑制宏观裂纹的形成。这种利用微尺度结构调控宏观断裂的策略能够显著减少熔融石英机械加工过程中的脆性损伤区域，并将...

CRediT作者贡献声明

Zeming Li：撰写-初稿，调查，数据管理。Shuoshuo Qu：资源，方法学。Chen Li：调查。Peng Yao：验证，资金获取。Yuying Yang：项目管理。Tingting Wang：压痕实验。Zimeng Yang：激光实验。Yang Sun：撰写-审阅与编辑。Ziteng Zhang：撰写-审阅与编辑。

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Zeming Li：撰写-审阅与编辑，撰写-初稿，调查，数据管理。Shuoshuo Qu：撰写-审阅与编辑，撰写-初稿，资源，方法学，资金获取。Chen Li：调查。Yuying Yang：项目管理。Peng Yao：验证，资金获取。Tingting Wang：数据管理。Yang Sun：撰写-审阅与编辑。Zimeng Yang：数据管理。Ziteng Zhang：撰写-审阅与编辑。

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