專利名稱：硫系紅外玻璃及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外熱像儀光學(xué)系統(tǒng)器件材料及制備工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及 一種硫系紅外玻璃及其制備工藝。
背景技術(shù)：
阻礙熱成像系統(tǒng)獲得廣泛商業(yè)應(yīng)用的重要原因之一是其價(jià)格非常昂貴。目 前，熱成像系統(tǒng)的光學(xué)部件所用的材料一般為單晶鍺或單晶硒化鋅。由于這些 材料的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，所以其生產(chǎn)成本非常高，鑒于此人們尋求其它替代材料 來降低成本。研究發(fā)現(xiàn)硫系玻璃都具有較好的透紅外性能，制備和加工要比生 長單晶容易得多，且不受尺寸限制。所以，這種材料很有開發(fā)價(jià)值，被看作替 代單晶鍺應(yīng)用于熱成像系統(tǒng)的候選材料。
目前塊體硫系玻璃制備方法主要是熔體淬冷法，即通過快速冷卻熔體來制 備塊狀玻璃的技術(shù)。封裝在抽真空石英管中配合料的熔體在水或空氣中以相對 較慢的速度淬冷時(shí)，都可以形成玻璃。
現(xiàn)有硫系玻璃制備遇到的最大困難是如何消除玻璃中存在的微量雜質(zhì)對玻 璃紅外透過率影響的問題。玻璃中雜質(zhì)濃度的大小主要取決于合成工藝和原材 料的純度。這些雜質(zhì)包括碳、氫、氧所組成的化合物或者它們和玻璃中的元素 所組成的化合物。其構(gòu)成的化學(xué)鍵在2-20um出現(xiàn)雜質(zhì)吸收，導(dǎo)致紅外光不能 透過，限制了這種玻璃的使用。
對原料造成污染的雜質(zhì)0和H原子主要來源于空氣中的水分，除去氧雜質(zhì)
4的現(xiàn)有方法有石英安瓿烘烤法，原料蒸餾，加反應(yīng)劑，表面侵蝕，核反應(yīng)法， 抽氣提純法等，這些方法可除去高揮發(fā)性物質(zhì)(如水、氫化物、二氧化碳、 碳?xì)浠衔?，但由于不能徹底去除空氣和水對原料的污染，雜質(zhì)元素0和H 原子會與Ge、 Sb、 Se形成共價(jià)鍵，其振動形成紅外區(qū)的吸收峰影響紅外透過率， 而且現(xiàn)有技術(shù)中除雜和燒結(jié)都是分若干步進(jìn)行，操作工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長、制 備成本高，生產(chǎn)效率低，不利于規(guī)?；a(chǎn)。
以美國阿爾弗雷德大學(xué)陶瓷學(xué)院發(fā)明的硫系玻璃的制備工藝為例具體說 明備料完成后，首先進(jìn)行除氫，除氫時(shí)采用通入氯氣(氯化物)法，將原料 加熱至400 60(TC，保溫1小時(shí)，通入氯氣數(shù)次去除原料中的氫。然后再進(jìn)行 除氧，將已除過氫的原料稱重放入器皿直管底部，除雜劑(Mg)放入器皿上部 的彎管內(nèi)，整個(gè)過程在通有連續(xù)干燥氬氣的干燥箱內(nèi)進(jìn)行，在真空下封接，除 雜蒸餾過程在雙區(qū)控溫電阻爐內(nèi)進(jìn)行，底部溫度控制在50(TC以下，高溫部則 要加熱到85(TC以上，蒸餾時(shí)間高達(dá)48小時(shí)，蒸餾完后將器皿底部的直管部分 用煤-氧焰封接。最后再將蒸餾過的原料在電爐中燒結(jié)。整個(gè)除雜和燒結(jié)工藝分 為三個(gè)步驟進(jìn)行，操作工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長、制備成本高，生產(chǎn)效率低，不利 于規(guī)模化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要提供一種硫系紅外玻璃及其制備工藝，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不 能徹底去除空氣和水對原料的污染且操作工藝復(fù)雜的問題。
為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:一種硫系紅外玻
璃，通過下述工《制備得到，所述工藝依次包括下述步驟
— 備料5玻璃原料包括純度均為99. 999X的Ge、Se和Sb,將它們按照下述配比配料， Ge按18 28%原子百分比稱量，Se按62 72%原子百分比稱量，Sb按9 11% 原子百分比稱量，烘干備用；
除雜元素包括A1、 Mg和稀土，各按玻璃原料總重量的0.9 1.296wt加入；
二、 密封將玻璃原料和除雜元素分別放入兩個(gè)石英坩堝內(nèi)，將兩柑堝連接 后對石英坩堝抽真空并加熱，直到真空度達(dá)到lX10、orr，用氫氧焰熔化石英 坩堝端部逐漸密封；
三、 除雜和燒結(jié)將封好的石英管置于井式三段電爐中，開始緩慢升溫， 在230 28(TC保溫6 10小時(shí)保證Se熔化，再升溫到540 600。C保溫8 10 小時(shí)保證Sb熔化，然后再升溫到820 870。C保溫8 12小時(shí)，升溫過程中每 隔半小時(shí)需要對石英坩堝進(jìn)行振動搖擺使里面物質(zhì)充分反應(yīng)，最后取出石英坩 堝放入空氣中自由冷卻。
一種硫系紅外玻璃的制備工藝，依次包括下述步驟 —人備料s
玻璃原料包括純度均為99. 999X的Ge、Se和Sb，將它們按照下述配比配料， Ge按18 28%原子百分比稱量，Se按62 72%原子百分比稱量，Sb按9 11% 原子百分比稱量，烘干備用；
除雜元素包括A1、 Mg和稀土，各按玻璃原料總重量的0.9 1.296wt加入；
二、 密封將玻璃原料和除雜元素分別放入兩個(gè)石英柑堝內(nèi)，將兩坩堝連接 后對石英坩堝抽真空并加熱，直到真空度達(dá)到1X10—loir,用氫氧焰熔化石英 坩堝端部逐漸密封；
三、 除雜和燒結(jié)將封好的石英管置于井式三段電爐中，開始緩慢升溫，在230 280。C保溫6 10小時(shí)保證Se熔化，再升溫到540 600。C保溫8 10 小時(shí)保證Sb熔化，然后再升溫到820 870'C保溫8 12小時(shí)，升溫過程中每 隔半小時(shí)需要對石英坩堝進(jìn)行振動搖擺使里面物質(zhì)充分反應(yīng)，取出石英坩堝放 入空氣中自由冷卻。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是-
1、 品質(zhì)得到有效提高本工藝中利用Al、 Mg、稀土作為H、 O吸附劑元素， 高溫下氧化物分解為氧原子，氧原子與Al、Mg形成穩(wěn)定化合物，氫原子高溫下 被稀土吸附形成間隙固熔體，可徹底去除空氣和水對原料的污染，完全清除雜 質(zhì)0和H原子，因此可完全消除紅外玻璃在2-17 u m波長范圍內(nèi)的雜質(zhì)吸收， 而且獲得玻璃的體積不受限制，玻璃的紅外透過率可達(dá)70%,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 和結(jié)晶開始溫度較高。通過模壓技術(shù)獲得任意直徑的紅外透鏡，在鍍制增透膜 后可以替代目前昂貴的紅外透鏡材料單晶鍺。
2、 工藝簡單本發(fā)明將玻璃燒結(jié)和除雜質(zhì)工藝一次完成，還可直接通過模 壓技術(shù)獲得任意直徑的紅外透鏡，工藝流程短，方法簡單。
3、 成本低廉工藝步驟簡化，有效降低了對設(shè)備的要求，也簡化了操作， 因此可有效降低制備成本，因此大大降低產(chǎn)品成本。
4、 生產(chǎn)效率高與現(xiàn)有技術(shù)相比，生產(chǎn)效率可提高一倍以上。


圖1是本發(fā)明產(chǎn)品的X射線衍射分析； 圖2是本發(fā)明產(chǎn)品的紅外透過率測試結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
下面將通過具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地說明。石英柑堝的準(zhǔn)備
選用內(nèi)徑為10mm的高純石英坩堝作為反應(yīng)容器。先用濃的氫氟酸浸泡 2min，用去離子水清洗以去除表面污物，再用丙酮浸泡12小時(shí)，再用去離子水 沖洗干凈，然后把石英坩堝放入真空爐中在20(TC烘干2小時(shí)，拿出放在干燥 皿里備用。柑堝清洗每一步都很重要，每一步都要保證不帶入新的雜質(zhì)。
實(shí)施例1:
一種硫系紅外玻璃，通過下述工藝制備得到，所述工藝依次包括下述步驟
1、 備料
玻璃原料包括純度均為99. 999%的Ge、 Se、 Sb,將它們按照下述配比配料， Ge按287。原子百分比稱量，Se按63%原子百分比稱量,Sb按9%原子百分比稱量， 烘干備用；
除雜元素包括Al、 Mg和稀土，各按l%wt加入。
2、 密封
將原料和除雜元素分別放入兩個(gè)石英坩堝內(nèi)，將兩坩堝連接后對石英坩堝 抽真空并加熱，直到真空度達(dá)到1X10—4torr，用氫氧焰熔化石英坩堝端部逐漸 密封。
3、 燒結(jié)和除雜
將封好的石英坩堝置于井式三段電爐中，開始緩慢升溫，在230 250。C保 溫10小時(shí)保證Se熔化，再升溫到570 600。C保溫8小時(shí)保證Sb烙化，然后 再升溫到820 85(TC保溫12小時(shí)，升溫過程中每隔半小時(shí)對石英坩堝進(jìn)行振 動搖擺使里面物質(zhì)充分反應(yīng)，最后取出石英坩堝放入空氣中自由冷卻。
通過DSC測試Ge^e72Sbu)玻璃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度7;為308°C，結(jié)晶開始溫度7。為429。C。 實(shí)施例2:
一種硫系紅外玻璃，通過下述工藝制備得到，所述工藝依次包括下述步驟
1、備料
玻璃原料包括純度均為99. 999%的Ge、 Se、 Sb,將它們按照下述配比配料， Ge按18%原子百分比稱量，Se按72%原子百分比稱量，Sb按10%原子百分比稱
量，烘干備用；
除雜元素包括A1、 Mg和稀土，各按0.99&wt加入。 2、密封
將原料和除雜元素分別放入兩個(gè)石英坩堝內(nèi)，將兩坩堝連接后對石英坩堝 抽真空并加熱，直到真空度達(dá)到1X10—loir,用氫氧焰熔化石英坩堝端部逐漸 密封。
3、燒結(jié)和除雜
將封好的石英坩堝置于井式三段電爐中，開始緩慢升溫，在260 28(TC保 溫6小時(shí)保證Se熔化，再升溫到540 56(TC保溫10小時(shí)保證Sb熔化，然后 再升溫到850 870'C保溫8小時(shí)，升溫過程每隔半小時(shí)對石英坩堝進(jìn)行振動搖 擺使里面物質(zhì)充分反應(yīng)，最后取出石英坩堝放入空氣中自由冷卻。
通過DSC測試Ge^Se72Sbu)玻璃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度7;為300°C，結(jié)晶開始溫 度7。為421°C。
實(shí)施例3:
一種硫系紅外玻璃，通過下述工藝制備得到，所述工藝依次包括下述步驟 一、備料玻璃原料包括純度均為99. 999%的Ge、 Se、 Sb，將它們按照下述配比配料, Ge按25y。原子百分比稱量，Se按64%原子百分比稱量，Sb按lW。原子百分比稱 量，烘干備用；
除雜元素包括A1、 Mg和稀土， Al、 Mg各按1.2Xwt,稀土0.9y。wt加入。
二、 密封
將原料和除雜元素分別放入兩個(gè)石英坩堝內(nèi)，將兩柑堝連接后對石英坩堝 抽真空并加熱，直到真空度達(dá)到1X10—4torr，用氫氧焰熔化石英坩堝端部逐漸 密封。
三、 燒結(jié)和除雜
將封好的石英坩堝置于井式三段電爐中，開始緩慢升溫，在250 27(TC保 溫8小時(shí)保證Se熔化，再升溫到540 56(TC保溫9小時(shí)保證Sb熔化，然后再 升溫到850 87(TC保溫8小時(shí)，升溫過程每隔半小時(shí)對石英柑堝進(jìn)行振動搖擺 使里面物質(zhì)充分反應(yīng)，最后取出石英坩堝放入空氣中自由冷卻。
通過DSC測試Ge^e72Sb,。玻璃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度7《為297°C，結(jié)晶開始溫 度r。為419'C。
參見圖l，實(shí)驗(yàn)的X射線衍射結(jié)果表明本產(chǎn)品為玻璃，參見圖2，本發(fā)明可 完全消除紅外玻璃在2-17 u m波長范圍內(nèi)的雜質(zhì)吸收，而且玻璃的紅外透過率 可達(dá)70%。
10
權(quán)利要求
1、一種硫系紅外玻璃，通過下述工藝制備得到，所述工藝依次包括下述步驟一、備料玻璃原料包括純度均為99.999％的Ge、Se和Sb，將它們按照下述配比配料，Ge按18～28％原子百分比稱量，Se按62～72％原子百分比稱量，Sb按9～11％原子百分比稱量，烘干備用；除雜元素包括Al、Mg和稀土，各按玻璃原料總重量的0.9～1.2％wt加入；二、密封將玻璃原料和除雜元素分別放入兩個(gè)石英坩堝內(nèi)，將兩坩堝連接后對石英坩堝抽真空并加熱，直到真空度達(dá)到1×10-4torr，用氫氧焰熔化石英坩堝端部逐漸密封；三、除雜和燒結(jié)將封好的石英管置于井式三段電爐中，開始緩慢升溫，在230～280℃保溫6～10小時(shí)保證Se熔化，再升溫到540～600℃保溫8～10小時(shí)保證Sb熔化，然后再升溫到820～870℃保溫8～12小時(shí)，升溫過程中每隔半小時(shí)需要對石英坩堝進(jìn)行振動搖擺使里面物質(zhì)充分反應(yīng)，最后取出石英坩堝放入空氣中自由冷卻。
2、如權(quán)利要求1所述的一種硫系紅外玻璃的制備工藝，依次包括下述步驟一、 備料玻璃原料包括純度均為99. 999X的Ge、Se和Sb,將它們按照下述配比配料， Ge按18 28%原子百分比稱量，Se按62 72%原子百分比稱量，Sb按9 11% 原子百分比稱量,烘干備用；除雜元素包括A1、 Mg和稀土，各按玻璃原料總重量的0.9 1.29&wt加入；二、 密封將玻璃原料和除雜元素分別放入兩個(gè)石英坩堝內(nèi)，將兩柑堝連接后對石英坩堝抽真空并加熱，直到真空度達(dá)到1X10—4t0rr，用氫氧焰熔化石英 坩堝端部逐漸密封；三、除雜和燒結(jié)將封好的石英管置于井式三段電爐中，開始緩慢升溫， 在230 280。C保溫6 10小時(shí)保證Se熔化，再升溫到540 600。C保溫8 10 小時(shí)保證Sb熔化，然后再升溫到820 87(TC保溫8 12小時(shí)，升溫過程中每 隔半小時(shí)需要對石英坩堝進(jìn)行振動搖擺使里面物質(zhì)充分反應(yīng)，取出石英柑堝放 入空氣中自由冷卻。
全文摘要
本發(fā)明涉及紅外熱像儀光學(xué)系統(tǒng)器件材料及制備工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種硫系紅外玻璃及其制備工藝。本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不能徹底去除空氣和水對原料的污染且操作工藝復(fù)雜的問題，現(xiàn)提供的技術(shù)方案是一種硫系紅外玻璃，通過下述工藝制備得到，所述工藝依次包括下述步驟一、備料將原料烘干備用；二、密封將玻璃原料和除雜元素分別放入石英坩堝內(nèi)，將兩坩堝連接后對石英坩堝抽真空并加熱，密封。三、除雜和燒結(jié)置于電爐中，開始緩慢升溫，保證Se、Sb熔化，然后再升溫，充分反應(yīng)，自由冷卻。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.品質(zhì)得到有效提高；2.工藝簡單；3.成本低廉；4.生產(chǎn)效率高。
文檔編號C03C4/00GK101445323SQ20081023654
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者介萬奇, 劉衛(wèi)國, 堅(jiān)增運(yùn), 常芳娥 申請人:西安工業(yè)大學(xué)