專利名稱：一種低成本全波段光窗玻璃材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種低成本全波段光窗玻璃材料及其制備方法，屬于玻璃和光窗材料領域。
背景技術：
除可見光窗口以外，大氣還有1～3μm，3～5μm和8～14μm三個重要紅外窗口，它們在紅外探測、紅外制導、紅外瞄準和熱成像等方面具有極其重要的應用背景。絕大多數(shù)在紅外窗口(特別是8～14μm窗口)具有優(yōu)異透光性能的材料不透可見光，這使得目前大部分工作在紅外波段的光學儀器和工作在可見光波段的光學設備難以結合，即它們各有一套完整獨立的工作系統(tǒng)。如果一種材料在大氣的三個紅外窗口和可見光區(qū)域均有較好的透過性能(即全波段光窗材料)，它就可能使獨立的紅外系統(tǒng)和可見光系統(tǒng)聯(lián)合，大大簡化系統(tǒng)的復雜性，同時改善紅外系統(tǒng)的圖像質量控制。
目前，商用的全波段光窗材料極少，主要是CVD ZnSe多晶，它的透光范圍為0.5～22μm。然而，CVD ZnSe質地軟、成型難，并且價格昂貴。這些缺點限制了其許多方面的應用。
玻璃具有易制備、易成型、成分可調、易消除色散、透光性好等優(yōu)點，一直都是比較理想的光窗材料。我們最近研制的新型全波段光窗玻璃材料GeSe2-Ga2Se3-CsI(Br)玻璃(中國專利申請?zhí)?00610024707.1)在0.6-14μm波段內均具有優(yōu)異的透光性，有望滿足使用要求，然而，合成這種玻璃需要價格昂貴的CsI或CsBr。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，提供一種較低成本的全波段光窗玻璃材料。
硒化物硫系玻璃在大氣的三個紅外窗口均具有較佳的透光性，最近，法國RENNES1大學和Umicore公司制造的Ge-As-Te-Se等硫系玻璃(牌號GASIR1和GASIR2)紅外夜視儀鏡頭已經(jīng)得到實際應用。然而，硒化物硫系玻璃的短波吸收限波長大于0.8μm，不透可見光。鹵化物的引入有利于硫系玻璃的短波吸收限波長向可見光方向位移，并且鹵化物在硫系玻璃中具有較大的溶解度。如果選擇合適的硒化物玻璃系統(tǒng)，引入較大量的鹵化物后(即硫系鹵化物玻璃)可能使玻璃的短波吸收限波長移至可見光。我們最近合成的GeSe2-Ga2Se3-CsI(Br)玻璃證實了這一點，但CsI和CsBr的價格昂貴，使這種全波段光窗材料成本較高。其它堿金屬鹵化物KI、KBr、KCl、NaI、NaBr和NaCl的價格要便宜得多。盡管它們的化學鍵的離子性較強，也有可能通過引入適量這些便宜的堿金屬鹵化物到Ge-Ga-Se玻璃中使其短波吸收限波長移至可見光。
本發(fā)明是向Ge-Ga-Se硫系玻璃系統(tǒng)中引入了適量的MX(M＝K，Na；X＝I，Br，Cl) 而形成的一類新型硫系鹵化物玻璃。此系統(tǒng)玻璃的組成設計兼顧了玻璃的形成能力、透光性及熱機械性能。
本發(fā)明所指的硫系鹵化物玻璃的化學組成為(100-x-y-z)Ge-xGa-ySe-zMX(M＝K，Na；X＝I，Br，Cl)，其中，5≤x≤30，45≤y≤65，5≤z≤20。
上述玻璃的顏色為淺紅色～深紅色，具有較好的透可見光性質。短波吸收限波長為550nm～680nm，長波截至波長為～15.8μm；玻璃轉變溫度為290～350℃；顯微硬度為100～160kg/mm2。是一種有希望滿足應用要求的成本較低的全波段光窗玻璃材料。
該玻璃的制備方法是以高純(≥99.99％)單質Ge、Ga、Se和純度≥99.9％的化合物KI(經(jīng)除水處理)為原料按照上述組成進行玻璃混合料配制；將配合料裝入經(jīng)脫羥基處理的石英安瓿中抽真空封接；將封接好的裝有玻璃混合料的石英安瓿放入搖擺爐中，緩慢升溫至900～1000℃，保溫2～24h后取出在空氣中冷卻；將剛冷卻后的石英安瓿移至300～500℃的退火爐中保溫1～4h進行退火處理，之后使石英安瓿隨爐緩慢冷卻至室溫。


圖1是玻璃組成為20.37Ge-11.11Ga-57.41Se-11.11KI樣品的可見-近紅外透過光譜(玻璃的厚度為2.5mm)，表明該玻璃在此波段具有較好的透光性，其短波吸收限波長為～615nm。
圖2是玻璃組成為20.37Ge-11.11Ga-57.41Se-11.11KI樣品的紅外透過光譜(玻璃的厚度為2.5mm)，表明該玻璃在此波段具有較好的透光性，其長波截至波長為～16μm。
具體實施例方式
下面將通過實施例進一步說明本發(fā)明的實質性特點和顯著進步，但本發(fā)明并非局限于所舉之例。
實施例1玻璃組成為20.37Ge-11.11Ga-57.41Se-11.11KI以高純(≥99.999％)單質Ge、Ga、Se和純度≥99.9％的化合物KI(經(jīng)除水處理)為原料按照上述組成進行玻璃混合料配制；將配合料裝入經(jīng)脫羥基處理的石英安瓿中抽真空(≤10-2Pa)封接；將封接好的裝有玻璃混合料的石英安瓿放入搖擺爐中，緩慢升溫至950℃，保溫12h后取出在空氣中冷卻；將剛冷卻后的石英安瓿移至320℃的爐子中保溫2h進行退火處理，之后使石英安瓿隨爐緩慢冷卻至室溫。將樣品從石英安瓿中取出，切割、研磨和雙面拋光后進行性能測試。測試結果顯示玻璃的轉變溫度Tg為298℃(升溫速率為10℃/min)，玻璃的析晶起始溫度Tx為401℃；顯微硬度為～115kg/mm2(50g力，加載10s)；在1.0μm波長處的折射率為2.168；短波吸收限波長為～615nm，長波截至波長為～16μm，透光性能可參考附圖1和2。
實施例2
玻璃組成為14.29Ge-17.85Ga-55.36Se-12.5KBr玻璃的制備方法同實施例1，測試結果顯示玻璃的轉變溫度Tg為301℃，玻璃的析晶起始溫度Tx為400℃；顯微硬度為～120kg/mm2；在1.0μm波長處的折射率為2.116；短波吸收限波長為～590nm，長波截至波長為～16μm。
權利要求
1.一種低成本全波段光窗玻璃材料，其化學式為(100-x-y-z)Ge-xGa-ySe-zMX(M＝K，Na；X＝I，Br，Cl)，其中，5≤x≤30，45≤y≤65，5≤z≤20。
2.一種按權利要求1所述的一種低成本全波段光窗玻璃材料的制備方法，其特征在于以高純單質Ge、Ga、Se和化合物KI為原料按照化學式進行玻璃混合料配制；將配合料裝入經(jīng)脫羥基處理的石英安瓿中抽真空封接；將封接好的裝有玻璃混合料的石英安瓿放入搖擺爐中，緩慢升溫至900～1000℃，保溫2～24h后取出在空氣中冷卻；將剛冷卻后的石英安瓿移至退火爐進行退火處理，之后使石英安瓿隨爐緩慢冷卻至室溫。
3.按權利要求2所述的一種低成本全波段光窗玻璃材料的制備方法，其特征在于所述高純單質Ge、Ga、Se純度≥99.99％。
4.按權利要求2所述的一種低成本全波段光窗玻璃材料的制備方法，其特征在于化合物KI的純度≥99.9％并經(jīng)除水處理。
5.按權利要求2或3或4所述的一種低成本全波段光窗玻璃材料的制備方法，其特征在于退火處理條件為300～500℃的退火爐中保溫1～4h。
6.按權利要求1所述的一種低成本全波段光窗玻璃材料用于可見光到中遠紅外14μm全波段光傳輸領域。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低成本全波段光窗玻璃材料及其制備方法，屬于玻璃和光窗材料領域。本發(fā)明玻璃的組成為(100－x－y－z)Ge－xGa－ySe－zMX(M＝K，Na；X＝I，Br，Cl)，其中，5≤x≤30，45≤y≤65，5≤z≤20；采用傳統(tǒng)玻璃制備工藝合成。本發(fā)明合成的硫鹵玻璃的透光范圍為0.6－14μm，涵蓋了可見光及大氣的三個紅外窗口，轉變溫度T
文檔編號C03C3/32GK101016193SQ20061011943
公開日2007年8月15日 申請日期2006年12月11日 優(yōu)先權日2006年12月11日
發(fā)明者楊志勇, 陳瑋, 羅瀾, 唐高 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所