【摘 要】
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搭载在卫星上的X射线望远镜是研究宇宙黑洞形成、银河系星云强磁场等重大天文问题的关键技术手段。采用现有玻璃切割技术,如金刚石切割和激光切割等,加工X射线望远镜的超薄玻
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目(51105279)
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搭载在卫星上的X射线望远镜是研究宇宙黑洞形成、银河系星云强磁场等重大天文问题的关键技术手段。采用现有玻璃切割技术,如金刚石切割和激光切割等,加工X射线望远镜的超薄玻璃镜片,其断面存在细小微裂纹。当望远镜发射升空时,超薄玻璃镜片的细小微裂纹在巨大冲击和高频振动作用下会迅速延展扩大,导致玻璃镜片完全破碎。另外,为了成功聚焦X射线,不能在镜片的切割加工中损失镜片的型面精度,所以切割加工温度不能超过超薄玻璃镜片的应变温度。本文基于热裂法原理,提出电阻丝热应力切割加工新工艺,通过电阻丝热源在玻璃内部产生不均匀的温度场使玻璃在内部热应力的作用下断裂成所需形状,避免了传统切割加工中出现的切削力与局部高温。论文依据格里菲斯脆性断裂理论,研究了线状发热电阻丝作为辐射源对玻璃板辐射传热的理论模型,根据玻璃板半宽、初始裂纹长度、玻璃板半长、Y轴方向应力等参数求出裂纹顶端附近微分单元应力强度因子,分析了切割裂纹扩展规律;论文采用三维电动平移台、电阻丝,加热电源和运动控制卡搭建了电阻丝热应力切割加工实验设备;论文分别以平面超薄玻璃和以圆锥面超薄玻璃为研究对象,进行了切割裂纹扩展的加工参数实验,包括电阻丝加热电压值、电阻丝表面与玻璃板距离、电阻丝进给速度等。同时,从裂纹的直线度,裂纹萌生难易程度两个方面研究工艺参数对加工质量的影响,并通过重复实验的统计结果,优化了加工参数;最后,论文对厚度300μm玻璃镜片进行了切割实验,获得了直线度好的切缝。使用显微镜和原子力显微镜对加工区进行微观表面形貌分析,玻璃镜片切缝附近表面和切割断面均无损伤,且切割断面的表面粗糙度Ra<0.5nm,达到了无损切割要求。本文所提出的加工方法不存在材料去除应力,且具有裂纹直线度高、方向性好等特点。与传统的机械切割和激光切割法相比,加工的玻璃断面平整、无微裂纹,适合于对切割断面有特殊要求的超薄玻璃镜片的加工场合。论文的研究成果将为我国X射线望远镜的自主研制奠定镜片加工的工艺基础,为我国高能天文观测的发展提供技术保障。
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