磷酸盐激光钕玻璃因其具备优异的光学特性(光谱性能好、非线性系数小、储能高等优点)而被广泛地应用于诸如美国国家点火装置、法国兆焦耳激光器和我国神光装置等高功率激光系统中。因其表面质量直接决定了激光系统的能量输出,这就要求磷酸盐激光玻璃具备超高的表面质量,如超光滑、无缺陷等。但无论是在玻璃的表面加工(磨削、研磨和抛光时的液态水环境)还是在存储和使用过程中(大气环境)都不可避免地与水接触,这些水分子作用于玻璃表面,可能导致表面产生改变层(又称变质层、水化层、表面反应层等),改变层的存在会对玻璃表面的微纳米力学性能造成影响。由于改变层结构的变化,导致玻璃的近表面机械性能不同于原始玻璃表面,其具体差异取决于改变层的厚度和结构。由于在水浸泡和潮湿环境中可能会诱发不同的表面改变层,从而导致两种含水环境中的近表面力学性质可能存在差异,而这种差异和作用机理尚未得到确切解决。因此,有必要从微纳米角度出发,研究磷酸盐玻璃在不同水环境下的近表面力学性能的演化规律及水分子对玻璃表面的作用机理。为此,本文基于纳米压/划痕仪,系统地研究了水对磷酸盐激光钕玻璃表面力学性能的影响,实验分两大部分。第一部分,基于纳米压入的方式,首先把磷酸盐玻璃样品分别暴露在去离子水溶液和潮湿空气中一定时间,以形成表面改变层。然后,基于纳米压痕,测量玻璃暴露在潮湿和干燥环境下的近表面力学性能随暴露时间的变化规律,并讨论了两种环境中表面改变层的演化规律与作用机理之间的关系。第二部分,基于纳米划入的方式,研究了潮湿和干燥环境下不同速度时的单次刻划过程对玻璃表面的摩擦磨损性能的影响,通过对比两种环境下的刻划速度、划痕深度、摩擦系数等数据来分析水分子诱导下的摩擦磨损机理。最后,基于上述实验再通过EDS、XPS和Raman的化学分析结果,本文得到的主要结论如下:(1)水浸泡和潮湿环境对磷酸盐玻璃近表面力学性能有不同的影响。水浸泡环境下,随着暴露时间的增加,玻璃表面的折合模量和纳米硬度先降低后升高,尤其在浸泡足够长时间后(>180 h),玻璃网络的均质溶解破坏了预先存在的改变层,并防止形成新的稳定的改变层,促使其表面力学性能更接近于原始表面。(2)相反,在潮湿环境下,玻璃表面的改变层厚度随着暴露时间的增加呈单调递增的趋势,其表面力学性能也相应地持续降低,磷酸盐链的水解反应和离子交换反应都发生在玻璃网络内部,这维持了改变层的生长并导致玻璃表面的力学性能持续恶化。(3)在两种环境下,磷酸盐玻璃的最大刻划深度和残余深度都随着刻划速度的增加而减小,低速下(0.06μm/s、0.1μm/s)的最大深度都集中在划痕前端,并随着刻划速度的增加逐渐减小并达到稳定。潮湿环境下整体的刻划深度和残余深度都比干燥环境下更大,这是由于潮湿环境中的水分子破坏了玻璃的网络结构,并在应力的作用下进一步产生摩擦化学反应;另一方面,玻璃表面生成的改变层降低了其近表面力学性能,使得刻划深度和残余深度比起干燥环境下更大。(4)潮湿环境的摩擦系数整体较干燥环境下更小。一方面,潮湿环境中玻璃表面改变层的存在起到了一定的润滑作用,这降低了刻划时的摩擦系数;另一方面,干燥环境下因为极少或没有水分子参与到玻璃的摩擦磨损过程中,针尖与玻璃的刻划过程属于纯机械磨损。