專利名稱：一種硫鹵微晶玻璃紅外光學(xué)元件的熱壓成型制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備硫鹵微晶玻璃紅外光學(xué)元件的方法，屬于紅外光學(xué) 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
最近，法國(guó)RENNES1大學(xué)和Umicore公司制造的Ge-As-Te-Se等硫系 玻璃(牌號(hào)GASIR1和GASIR2)紅外夜視儀鏡頭已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用。然 而，硫系玻璃的機(jī)械性能較差，限制了它們的應(yīng)用。硫系微晶玻璃產(chǎn)品尚未 出現(xiàn)，其中一個(gè)急需解決的問(wèn)題是微晶玻璃紅外元件的成型。正在研究中的 硫系和硫鹵微晶玻璃一般采取熱壓成型后再微晶化或微晶化后再快速熱壓 成型的工藝。對(duì)于前者，玻璃成型后再微晶化易影響樣品表面的質(zhì)量，如透 鏡表面的衍射條紋；對(duì)于后者，成型過(guò)程中的升溫速率很快(通常大于 20QC/min)，樣品受到的熱沖擊較大，易導(dǎo)致微裂紋的出現(xiàn)或增加。目前， 仍未見(jiàn)更合適的可適用于硫系和硫鹵微晶玻璃紅外光學(xué)元件制備的方法。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種通過(guò)熱壓成型制備硫鹵微晶玻璃紅外光學(xué) 元件的方法。 發(fā)明構(gòu)思最近的研究表明，硒基硫鹵玻璃在8~14pm大氣窗口具有優(yōu)良的透光性 (另案申請(qǐng))，對(duì)其進(jìn)行熱處理時(shí)，玻璃可發(fā)生分相，此分相會(huì)誘導(dǎo)或促進(jìn) 玻璃內(nèi)析出微晶，有利于玻璃微晶化的控制。如果玻璃在熱壓成型的過(guò)程中
可以微晶化，則可避免上述工藝的缺點(diǎn)，不但有利于產(chǎn)品質(zhì)量的控制，而且 可降低工藝成本。本發(fā)明通過(guò)對(duì)紅外透射硫囟玻璃采取合適的熱壓成型工藝，使玻璃在成 型過(guò)程中微晶化，從而獲得機(jī)械性能較好的微晶玻璃紅外光學(xué)元件。本發(fā)明是通過(guò)對(duì)硒基硫鹵玻璃采取合適的熱處理工藝而獲得的一類新 型的硫鹵微晶玻璃；所指硒基硫鹵玻璃的化學(xué)組成為 (100-x-y-z)Ge—xGa—ySe-zCsI，式中，5^x^30， 45^y^65， l^z^20。本發(fā)明所述的熱壓成型工藝包括A、 B兩部分，A硒基硫鹵玻璃的制備(1) 將純度299.999%的Ge、 Ga、 Se元素和純度^99.9%的堿金屬鹵化 物Csl按上述化學(xué)組成配比裝入經(jīng)脫羥基預(yù)處理的石英安瓿中；(2) 抽真空至安瓿內(nèi)的真空度^0—2Pa，用氧氣一煤氣火焰封接；(3) 將封接后的盛有混合料的石英安瓿放入搖擺爐中，緩慢升溫(約 0.5~2GC/min)至850 900GC，保溫10 15h后取出；置于室溫水中淬冷，然 后在280-340 GC保溫2—4h進(jìn)行退火處理，即得本發(fā)明所述之硒基硫鹵玻 璃。B.硒基硫鹵微晶玻璃的熱壓制備熱壓成型工藝可參考粘度一溫度測(cè)試結(jié)果確定，測(cè)試不同升溫速率、一 定壓力條件下的溫度一粘度數(shù)據(jù)，采用透射電鏡TEM和掃面電鏡SEM觀察 經(jīng)粘度測(cè)試后冷卻樣品的顯微結(jié)構(gòu)變化。由于粘度測(cè)試過(guò)程中與熱壓成型過(guò) 程中玻璃顯微結(jié)構(gòu)的變化相似，故可根據(jù)粘度一溫度測(cè)試數(shù)據(jù)及樣品顯微結(jié) 構(gòu)的變化估計(jì)熱壓成型的升溫速率、壓力及成型最高溫度，根據(jù)實(shí)際成型結(jié) 果適當(dāng)調(diào)節(jié)這些參數(shù)可獲得較易控制的成型制度。熱壓成型實(shí)施過(guò)程簡(jiǎn)述如 下根據(jù)需要將玻璃切割、研磨、拋光，制作成需要的尺寸的玻璃片用于熱 壓成型；將玻璃片置于模具中，施加一定壓力(l~4xl04Pa)，緩慢加熱至溫 度T (一般高于玻璃軟化溫度10~30°C )，加熱速率和溫度T根據(jù)玻璃的溫度 一粘度測(cè)試結(jié)果確定，以能夠使玻璃內(nèi)形成較大量均勻分布微晶的升溫速率(一般為0.5 4QC/min)和對(duì)應(yīng)的測(cè)試最高溫度T為宜。依本發(fā)明所述的在8 一14pm大氣窗口具有優(yōu)良的透光性上述化學(xué)組成式的熱壓溫度為380 — 430'C，且熱壓成型后玻璃體內(nèi)形成了大量分布均勻的微晶，微晶尺寸為200 一250nm范圍。獲得的熱壓成型后的樣品紅外元件不但具有較好的機(jī)械性能，而且在 8 14pm具有良好的透光性(〉60%)，與未熱后成型的硒基硫鹵玻璃的透光 率相當(dāng)。由此可見(jiàn)通過(guò)本發(fā)明提供的熱壓成型方法通制備的微晶玻璃紅外光 學(xué)元件，不但有利于產(chǎn)品質(zhì)量的控制，而且可降低工藝成本。


圖1是熱壓成型前后的組成為13.3Ge-20Ga-56.7Se-10CsI樣品的紅外 透射光譜(玻璃的厚度為2.2 mm)，表明成型后樣品在8~14pm波段的透光性 未受到顯著影響。圖2是熱壓成型前后的組成為13.3Ge-20Ga-56.7Se-10CsI樣品上由金 剛石壓頭造成的裂紋(a)基玻璃(50g荷載加載10s); (b)成型后(50g 荷載加載10s); (c)成型后(100g荷載加載10s)?；ＡП砻娴牧鸭y可自 由擴(kuò)展，成型后樣品表面的裂紋傾向于于被玻璃一晶體界面阻止，表明成型 后樣品的機(jī)械性能得到了顯著提高。圖3是熱壓成型后的組成為13.3Ge-20Ga-56.7Se-10CsI樣品的透射電 鏡照片，表明成型后玻璃體內(nèi)形成了亞微米尺寸(約250nm)的微晶。圖4是熱壓成型后的組成為13.3Ge-20Ga-56.7Se-10CsI樣品的掃描電 鏡照片，表明熱處理后玻璃體內(nèi)形成了大量尺寸小于250nm的、較均勻分布 的微晶。
具體實(shí)施方式
下面將通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，但本發(fā) 明并非局限于所舉之例。
實(shí)施例1玻璃組成為13.3Ge-20Ga-56.7Se-10CsI以高純($99.999%)單質(zhì)Ge、 Ga、 Se和純度^99.9°/。的化合物Csl為原 料，按照技術(shù)方案中所述方法合成具有上述組成的硫鹵玻璃；將尺寸為 O7.6mmx6.0mm雙面拋光的玻璃樣品放入模具內(nèi)通過(guò)加熱加壓(以2aC/min 的速率升溫至415。C，同時(shí)施加2xl()4pa壓力)成型為012.5mmx2.2mm的 薄片。測(cè)試結(jié)果顯示，熱壓成型后玻璃內(nèi)形成了大量尺寸小于250nm的、較 均勻分布的微晶(見(jiàn)圖3和圖4)，機(jī)械性能得到了顯著提高(見(jiàn)圖2),所 獲得的微晶玻璃在8~14,具有良好的透光性(透光率〉60%與未熱壓成型 的硒基硫鹵玻璃的透光率相)(見(jiàn)圖l)。實(shí)施例2玻璃組成為15.4Ge-15.4Ga—53.8Se—15.4Csl玻璃制備同實(shí)施例1;將尺寸為07.6mmx6.0mm雙面拋光的玻璃樣品放 入模具內(nèi)通過(guò)加熱加壓(以2.5°C/min的速率升溫至390°C，同時(shí)施加2xl04Pa 壓力)成型為012.5mmx2.2mm的薄片。測(cè)試結(jié)果顯示，熱壓成型后玻璃內(nèi) 形成類似于實(shí)施例1的尺寸介于200—250nm的微晶，且分布均勻，從而使 試樣的機(jī)械性能得到了顯著提高，所獲得的微晶玻璃在8 14)im具有良好的 透光性。(透光率〉60%)
權(quán)利要求
1、一種硫鹵微晶玻璃紅外光學(xué)元件的熱壓成型方法，其特征在于制備方法包括A、B兩部分；A硒基硫鹵玻璃的制備(1)將Ge、Ga、Se元素和CsI按(100-x-y-z)Ge-xGa-ySe-zCsI，其中，5≤x≤30，45≤y≤65，1≤z≤20的配比裝入經(jīng)脫羥基預(yù)處理的石英安瓿中；(2)抽真空至石英安瓿內(nèi)真空度≤10-2Pa，火焰封接；(3)將步驟(2)的石英安瓿放入搖擺爐中，緩慢升至850-900℃保溫后取出，置于室溫水中淬冷；(4)然后在280-340℃保溫，退火處理，制得硒基硫鹵玻璃；B硒基硫鹵微晶玻璃紅處光學(xué)元件的熱壓成型制備將步驟A制得的硫鹵玻璃片，制作成需要尺寸的玻璃片，置于模具中，施加1～4×104Pa壓力，緩慢加熱至高于玻璃軟化溫度10-30℃進(jìn)行熱壓成型。
2、 按權(quán)利要求1所述的硫鹵微晶玻璃紅外光學(xué)元件的熱壓成型方法， 其特征在于步驟A中(2)封接采用氧氣一煤氣火焰封接。
3、 按權(quán)利要求1所述的硫鹵微晶玻璃紅外光學(xué)元件的熱壓成型方法， 其特征在于封接后的石英安瓿放入搖擺爐中緩慢升溫的速率為0.5 2t/min。
4、 按權(quán)利要求1所述的硫鹵微晶玻璃紅外光學(xué)元件的熱壓成型方法， 其特征在于步驟A中(4)的退火時(shí)間為2—4h。
5、 按權(quán)利要求1所述的硫鹵微晶玻璃紅外光學(xué)元件的熱壓成型方法， 其特征在于步驟B緩慢加熱升溫速率為0.5 4QC/min。
6、 按權(quán)利要求1所述的硫鹵微晶玻璃紅外光學(xué)元件的熱壓成型方法， 其特征在于步驟B緩慢加熱至高于玻璃軟化溫度10_30QC的溫度為380— 4300C。
7、 按權(quán)利要求1一6中任一項(xiàng)中的所述的硫鹵微晶玻璃紅外光學(xué)元件的熱 壓成型方法，其特征在于熱壓成型制備的玻璃體內(nèi)形成大量尺寸介于200— 250nm的微晶，且均勻分布在玻璃體內(nèi)。
8、 按權(quán)利要求1一6中任一項(xiàng)中的所述的硫鹵微晶玻璃紅外光學(xué)元件的熱 壓成型方法，其特征在于熱壓成型制備的玻璃在8 — 14Pm范圍具有的透光率 與未熱壓成型的硒基硫鹵玻璃相當(dāng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硫鹵微晶玻璃紅外光學(xué)元件的熱壓成型制備方法，其特征在于Ge-Ga-Se-CsI紅外透射硫鹵玻璃被直接采用熱壓成型的方法，在成型的過(guò)程中，玻璃內(nèi)形成大量分布均勻的微晶，從而獲得機(jī)械性能較好的硫鹵微晶玻璃紅外光學(xué)元件。此方法可適用于硫系和硫鹵微晶玻璃紅外光學(xué)元件的制備，有利于產(chǎn)品質(zhì)量的控制和降低成本。
文檔編號(hào)C03C3/32GK101148319SQ200710045988
公開日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2007年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月14日
發(fā)明者高 唐, 楊志勇, 瀾 羅, 瑋 陳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所