專利名稱：一種含In₂S₃納米晶的硫鹵玻璃陶瓷及其制備技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)材料領(lǐng)域，尤其涉及一種含1 納米晶的硫鹵玻璃陶瓷及其制備技術(shù)。技術(shù)背景
近年來，由于在民用和軍工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，紅外透過率高、聲子能量低的硫鹵玻璃引起了材料學(xué)界的極大關(guān)注。目前，熱成像攝影機(jī)中的中紅外窗口材料主要采用價(jià)格昂貴且制作工藝復(fù)雜的鍺單晶，為了降低熱成像攝影機(jī)的價(jià)格，需要尋找一種性能相近且價(jià)格便宜的紅外光學(xué)窗口材料。硫鹵玻璃在中紅外區(qū)域具有高的透過率，且制備技術(shù)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，因此被認(rèn)為是熱成像光學(xué)窗口材料的最佳選擇之一。此外，與傳統(tǒng)的氧化物或氟化物玻璃相比，硫鹵玻璃具有高的折射率和低的聲子能量，因此摻入稀土激活中心后，還可以作為中遠(yuǎn)紅外激光發(fā)射介質(zhì)[Adv. Mater. , 19，129 O007)]。但硫鹵玻璃機(jī)械性能較差、熱膨脹系數(shù)較高，這些缺點(diǎn)限制了其實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域；此外，相對(duì)于晶體而言，玻璃材料中稀土的發(fā)射譜線較寬(存在非均勻展寬)，導(dǎo)致其發(fā)射截面較低，不利于獲得高效激光輸出。
硫鹵玻璃陶瓷由硫鹵玻璃發(fā)生部分晶化而得，其結(jié)構(gòu)特征是尺度細(xì)小的硫化物或鹵化物納米晶均勻鑲嵌于玻璃基體中；與硫鹵玻璃相比，硫鹵玻璃陶瓷的機(jī)械和熱學(xué)性能得到明顯改善；此外，將硫鹵玻璃陶瓷作為發(fā)光基體，可具有與晶體相近的光學(xué)性能，而又有類似于玻璃材料制備技術(shù)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明采用熔體急冷法制備出GeS2-^2S3-CsI硫鹵玻璃(其中，與CsI的摩爾比大于1)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)木Щ幚砗?，可以獲得含^ 納米晶的硫鹵玻璃陶瓷。該材料在光學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種含^ 納米晶的硫鹵玻璃陶瓷及其制備技術(shù)，目的在于制備出具有良好機(jī)械、熱學(xué)和光學(xué)性能的新型硫鹵玻璃陶瓷材料。
本發(fā)明的硫鹵玻璃陶瓷組分和摩爾百分含量如下GeS2 :40-70 mol% ；In2S3 :15-25 mol%; CsI :5-35 mol%，其中 In2S3 與 CsI 的摩爾比大于1。
該玻璃陶瓷具有如下顯微結(jié)構(gòu)特征在玻璃基體中均勻分布立方結(jié)構(gòu)的^j3納米晶，晶粒的平均尺度為20納米。
本發(fā)明的玻璃陶瓷采用熔體急冷法和后續(xù)熱處理制備。
本發(fā)明采用的熔體急冷法和后續(xù)熱處理包括前驅(qū)玻璃制備以及前驅(qū)玻璃的晶化處理兩個(gè)步驟。前驅(qū)玻璃的晶化過程中，熱處理溫度為400 500°C，保溫時(shí)間為1 M小時(shí)。
本發(fā)明的硫鹵玻璃陶瓷制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，可望作為紅外窗口材料和發(fā)光介質(zhì)。


圖1是實(shí)例1中硫鹵玻璃的差熱曲線；圖2是實(shí)例1中硫鹵玻璃和玻璃陶瓷的X射線衍射圖譜；圖3是實(shí)例1中硫鹵玻璃陶瓷的透射電子顯微鏡明場(chǎng)像和相應(yīng)的選區(qū)電子衍射圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)例1 將 Ge (99. 999%)、In (99. 99%)、S (99. 999%)和 CsI (99. 9%)高純?cè)习凑?5GeS2-25In2S3-20CsI的摩爾組分配比稱量后，放入石英玻璃管中；將石英管開口端接入真空系統(tǒng)，抽出石英管和藥品中的水和空氣；當(dāng)真空度達(dá)到10_3 mbar時(shí)，利用氫氧焰將石英管密封；將密封后的石英管放入搖擺爐中，升溫至900°C后開始搖擺，并保溫12小時(shí)使之熔融；而后，將石英管取出并垂直放入水中淬冷幾秒，便可獲得硫鹵玻璃塊體。將硫鹵玻璃放入電阻爐中于^(TC退火以消除內(nèi)應(yīng)力。根據(jù)差熱分析結(jié)果(如圖1所示)，將退火后的玻璃在440°C保溫6小時(shí)進(jìn)行晶化處理。X射線衍射(如圖2所示)和高分辨電子顯微鏡觀察結(jié)果(如圖3所示)表明，玻璃中析出了單一的^i2S3納米晶相。
實(shí)例2 JfGe (99. 999%), In (99. 99%), S (99. 999%)和 CsI (99. 9%)高純?cè)习凑?5GeS2-25In2S3-10CsI摩爾組分配比稱量，放入石英玻璃管中；將石英管開口端接入真空系統(tǒng)，抽出石英管和藥品中的水和空氣；當(dāng)真空度達(dá)到10_3 mbar時(shí)，利用氫氧焰將石英管密封；將密封后的石英管放入搖擺爐中，升溫至900°C后開始搖擺，并保溫12小時(shí)使之熔融；而后，將石英管取出并垂直放入水中淬冷幾秒，便可獲得硫鹵玻璃塊體。將硫鹵玻璃放入電阻爐中于觀01退火以消除內(nèi)應(yīng)力。根據(jù)差熱分析結(jié)果，將退火后的玻璃在410°C保溫3小時(shí)進(jìn)行晶化處理。X射線衍射和高分辨電子顯微鏡觀察結(jié)果表明，玻璃中析出了單一的1 納米晶相。
實(shí)例3 JfGe (99. 999%), In (99. 99%), S (99. 999%)和 CsI (99. 9%)高純?cè)习凑?0GeS2-20In2S3-10CsI摩爾組分配比稱量，放入石英玻璃管中；將石英管開口端接入真空系統(tǒng)，抽出石英管和藥品中的水和空氣；當(dāng)真空度達(dá)到10_3 mbar時(shí)，利用氫氧焰將石英管密封；將密封后的石英管放入搖擺爐中，升溫至900°C后開始搖擺，并保溫12小時(shí)使之熔融；而后，將石英管取出并垂直放入水中淬冷幾秒，便可獲得硫鹵玻璃塊體。將硫鹵玻璃放入電阻爐中于觀01退火以消除內(nèi)應(yīng)力。根據(jù)差熱分析結(jié)果，將退火后的玻璃在460°C保溫6小時(shí)進(jìn)行晶化處理。X射線衍射和高分辨電子顯微鏡觀察結(jié)果表明，玻璃中析出了單一的1 納米晶相。
實(shí)例4 JfGe (99. 999%), In (99. 99%), S (99. 999%)和 CsI (99. 9%)高純?cè)习凑?0GeS2-22. 5In2S3_7. 5CsI摩爾組分配比稱量，放入石英玻璃管中；將石英管開口端接入真空系統(tǒng)，抽出石英管和藥品中的水和空氣；當(dāng)真空度達(dá)到10_3 mbar時(shí)，利用氫氧焰將石英管密封；將密封后的石英管放入搖擺爐中，升溫至900°C后開始搖擺，并保溫12小時(shí)使之熔融；而后，將石英管取出并垂直放入水中淬冷幾秒，便可獲得硫鹵玻璃塊體。將硫鹵玻璃放入電阻爐中于^(TC退火以消除內(nèi)應(yīng)力。根據(jù)差熱分析結(jié)果，將退火后的玻璃在440°C 保溫6小時(shí)進(jìn)行晶化處理。X射線衍射和高分辨電子顯微鏡觀察結(jié)果表明，玻璃中析出了單一的1 納米晶相。
實(shí)例5 JfGe (99. 999%), In (99. 99%), S (99. 999%)和 CsI (99. 9%)高純?cè)习凑?0GeS2-25In2S3-5CsI摩爾組分配比稱量，放入石英玻璃管中；將石英管開口端接入真空系統(tǒng)，抽出石英管和藥品中的水和空氣；當(dāng)真空度達(dá)到10_3 mbar時(shí)，利用氫氧焰將石英管密封；將密封后的石英管放入搖擺爐中，升溫至900°C后開始搖擺，并保溫12小時(shí)使之熔融；而后，將石英管取出并垂直放入水中淬冷幾秒，便可獲得硫鹵玻璃塊體。將硫鹵玻璃放入電阻爐中于^(TC退火以消除內(nèi)應(yīng)力。根據(jù)差熱分析結(jié)果，將退火后的玻璃在420°C保溫 6小時(shí)進(jìn)行晶化處理。X射線衍射和高分辨電子顯微鏡觀察結(jié)果表明，玻璃中析出了單一的 In2S3納米晶相。
實(shí)例6 JfGe (99. 999%), In (99. 99%), S (99. 999%)和 CsI (99. 9%)高純?cè)习凑?5GeS2-20In2S3-5CsI摩爾組分配比稱量，放入石英玻璃管中；將石英管開口端接入真空系統(tǒng)，抽出石英管和藥品中的水和空氣；當(dāng)真空度達(dá)到10_3 mbar時(shí)，利用氫氧焰將石英管密封；將密封后的石英管放入搖擺爐中，升溫至900°C后開始搖擺，并保溫12小時(shí)使之熔融；而后，將石英管取出并垂直放入水中淬冷幾秒，便可獲得硫鹵玻璃塊體。將硫鹵玻璃放入電阻爐中于^(TC退火以消除內(nèi)應(yīng)力。根據(jù)差熱分析結(jié)果，將退火后的玻璃在410°C保溫 2小時(shí)進(jìn)行晶化處理。X射線衍射和高分辨電子顯微鏡觀察結(jié)果表明，玻璃中析出了單一的 In2S3納米晶相。
權(quán)利要求
1.一種含納米晶的硫鹵玻璃陶瓷，其化學(xué)組分為:40-70 mol% ；In2S3 :15-25 mol% ；CsI :5-35 mol% ；其中，1 與CsI的摩爾比大于1 ；該玻璃陶瓷具有如下顯微結(jié)構(gòu)特征立方結(jié)構(gòu)的^j3納米晶均勻分布在玻璃基體中，In2S3晶粒的平均尺度為20納米。
2.—種權(quán)利要求1的硫鹵玻璃陶瓷的制備方法，其特征在于采用熔體急冷法和后續(xù)熱處理制備。
3.如權(quán)利要求2所述的硫鹵玻璃陶瓷的制備方法，其特征在于所述的熔體急冷法和后續(xù)熱處理包括如下步驟(1)前驅(qū)玻璃制備；(2)前驅(qū)玻璃的晶化處理。
4.如權(quán)利要求3所述的硫鹵玻璃陶瓷的制備方法，其特征在于所述的前驅(qū)玻璃的晶化過程中，熱處理溫度為400 500°C，保溫時(shí)間為1 M小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明提出一種含In2S3納米晶的硫鹵玻璃陶瓷及其制備技術(shù)。該玻璃陶瓷的組分為GeS240-70mol%；In2S315-25mol%;CsI5-35mol%，其中，In2S3與CsI的摩爾比大于1。該玻璃陶瓷的制備過程包括前驅(qū)玻璃的熔體急冷法制備和前驅(qū)玻璃的后續(xù)晶化處理兩個(gè)步驟。本發(fā)明通過改變In2S3與CsI組分的摩爾比，可以制備出一系列含有單一In2S3納米晶的硫鹵玻璃陶瓷。該類納米復(fù)合材料具有高的紅外透過率和良好的熱學(xué)與機(jī)械性能，可望開發(fā)為紅外窗口材料和發(fā)光介質(zhì)。
文檔編號(hào)C03C10/16GK102503148SQ20111034784
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者余運(yùn)龍, 楊安平, 林航, 王元生, 陳大欽 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所