CN102786222A - 一种含镓的高熔沸点硫系玻璃的制备装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含镓的高熔沸点硫系玻璃的制备装置及制备方法，包括一个电阻加热系统，一个瞬间加热炉以及H型石英安瓿，电阻加热系统具有温控装置，瞬间加热炉可以快速加热玻璃原料管和连接管，H型石英安瓿包括玻璃原料管和提纯玻璃管，玻璃原料管和提纯玻璃管通过连接管相通，玻璃原料管的上端开口与真空泵相连，其优点是加热系统瞬间将玻璃原料管和连接管升温至1400^oC，使热玻璃原料管内的玻璃原料迅速气化，气化玻璃原料会经过连接管蒸馏到提纯玻璃管，这些杂质由于熔点较高会留在玻璃原料管内，从而获得低杂质含量的含镓硫系玻璃。

Description

一种含镓的高熔沸点硫系玻璃的制备装置及制备方法

技术领域

本发明涉及一种高熔沸点硫系玻璃的制备装置及制备方法，尤其是涉及一种含镓的高熔沸点硫系玻璃的制备装置及制备方法。

背景技术

硫系玻璃是一种非氧化物玻璃，具有良好的化学稳定性，折射率高以及非常宽的红外透过窗口。利用其优良的远红外透过能力，硫系玻璃可应用于红外生物化学传感技术、红外探索技术以及红外能量传输等领域。

但是硫系玻璃的红外透过率易受玻璃内部杂质的影响，在6 μm 波长以上存在多种金属或硫族玻璃元素的氧化物吸收带，尤其是含镓的硫系玻璃在15-20 μm波长处存在较大的Ga-O吸收峰，这些氧化物吸收带是影响玻璃远红外区域透过率的最大问题。玻璃内的杂质主要来自于原料内部杂志、原料表面氧化、石英管碎片以及封接过程中引入等。另外，初始原料中的杂质碳、金属杂质、石英管中的Si0₂颗粒会增加光的散射损耗，从而降低玻璃的透过率。

目前的硫系玻璃提纯技术中，有公开号为CN 101492235A，名称为一种高纯度硫系玻璃的制备装置及制备方法，利用传统的电阻加热式炉膛升温气化方法，将将易于气化的硫系玻璃组分原料混合并缓慢加热至1050 ^oC，使他们形成低熔沸点的化学组分，从而在该温度下气化和冷却冷凝来提纯硫系玻璃原料。该种提纯工艺主要是针对低熔沸点组分的硫系玻璃的制备，如As₂S₃玻璃，其所含S的沸点为445 ^oC，As虽然熔点为817 ^oC，但是加热到613 ^oC时便可不经液态直接升华。而含有高熔沸点硫系玻璃一般具有金属组分，如Ge熔点937.4℃，沸点为2830℃，Ga沸点2403℃，且Ga蒸气压参数值偏低，在1050℃约为1.2×10^-4Pa，用于盛放玻璃原料的石英玻璃管（容器）的石英玻璃的玻璃转化点软化点虽然有1730^oC，但能长期有效工作的温度上限为1100 ^oC，如果长时间（>1小时）暴露在高温下（1050-1750^oC），会因为粘度过小而产生压力形变或压力破裂，而传统的提纯工艺需要至少一天的时间，所以这些金属组分一般很难采用传统的在石英玻璃容器内进行加热气化方法进行分离，此外，目前国际上也没有有效的针对含镓的高熔沸点硫系玻璃的制备装置及制备方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够将玻璃内的杂质有效分离的含镓的高熔沸点硫系玻璃制备装置及制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种含镓的高熔沸点硫系玻璃的制备装置，包括电加热炉、快速升温炉和H型石英安瓿，所述的电加热炉具有温控装置，所述的H型石英安瓿包括玻璃原料管和提纯玻璃管，所述的玻璃原料管和提纯玻璃管通过连接管相通，所述的玻璃原料管的上端开口，玻璃原料管的上端接真空泵，所述的电加热炉用于加热玻璃原料管，快速升温炉用于同时加热玻璃原料管和连接管。

一种制备含镓的高熔沸点硫系玻璃的方法，包括如下步骤：1）对H型石英安瓿的玻璃原料管进行脱羟基预处理，将含镓的高熔沸点硫系玻璃原料按照组分称量并放入玻璃原料管中，按质量百分比放入0.03 wt%～0.1 wt%的铝条或镁条作为除氧剂，按质量百分比放入0.04 wt%～0.06 wt%的TeCl₄作为除氢剂；

2）对H型石英安瓿抽真空，同时用电加热炉将玻璃原料管加热至110 ^oC～130 ^oC，除去原料和H型石英安瓿中附着的水分子，当H型石英安瓿中的真空度达到2×10^-3 Pa以下时，用氢氧火焰封接玻璃原料管的上端；

3）利用快速升温炉对玻璃原料管和连接管同时进行加热，在10秒内升温到1400 ^oC，并保持18～25分钟，使玻璃原料管内的原料通过连接管完全蒸馏至提纯玻璃管内，同时对提纯玻璃管进行低温冷凝至29 ^oC以下，使提纯玻璃管内的气体原料迅速凝固，蒸馏完毕后，用氢氧火焰封接靠近提纯玻璃管一侧的连接管；

4）经过步骤3）提纯后的提纯玻璃管放入摇摆炉中，缓慢升温至800～950℃，摇摆熔制12～18 小时后取出，迅速放到水中淬冷，然后进行退火处理即得到高纯度的含镓的高熔沸点硫系玻璃。

与现有技术相比，本发明的优点是加热炉瞬间（10秒内）将玻璃原料管和连接管升温至1400 ^oC，使热玻璃原料管内的玻璃原料迅速气化，气化的玻璃原料会经过连接管蒸馏到提纯玻璃管。同时玻璃原料内的杂质SiO₂的熔点为1750 ^oC ，Al₂O₃的熔点为2050 ^oC ，Ga₂O₃的熔点为1900 ^oC，这些杂质由于熔点较高会留在玻璃原料管内，从而获得低杂质含量的含镓硫系玻璃。

附图说明

图1为本发明提纯装置的简易示意图；

图2为经本发明方法制备的高纯度含镓的高熔沸点硫系玻璃的为红外透过谱和现有传统技术的结果数据的比较。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：一种含镓的高熔沸点硫系玻璃的制备装置，包括电加热炉2、快速升温炉3和H型石英安瓿，电加热炉2具有温控装置，H型石英安瓿包括玻璃原料管A和提纯玻璃管B，玻璃原料管A和提纯玻璃管B通过连接管C相通，玻璃原料管A的上端开口，玻璃原料管A的上端接真空泵，电加热炉2用于加热玻璃原料A管，快速升温炉3用于同时加热玻璃原料管A和连接管C。

制备高纯度的Ge₁₅Te₇₅Ga₁₀硫系玻璃，具体步骤如下：

1）原料按照锗、碲、镓单质分别以15mol%、75mol%、10mol%配比20g，同时按照质量百分比0.025wt%放入铝条0.005克，按照质量百分比0.025wt%放入TeCl₄0.005克，装入经预脱羟处理的玻璃原料管A；

2）将玻璃原料管A的管口与真空泵连接抽真空，同时用电加热炉2加热玻璃原料至120 ^oC，以除去玻璃原料和H型石英安瓿中的水分子，当H型石英安瓿中的真空度达到2×10^-3 Pa以下时，用氢氧火焰在玻璃原料管A的位置1处封接；见图1中的（a）。

3）利用快速升温炉3对玻璃原料管A和连接管C同时进行加热，在10秒内升温到1400 ^oC，并保持25分钟，使玻璃原料管A内的原料通过连接管C完全蒸馏至提纯玻璃管B内，同时对提纯玻璃管B进行低温冷凝至29 ^oC以下，使提纯玻璃管B内的气体原料迅速凝固，防止提纯玻璃管B因气压过高爆炸，当原料完全蒸馏至提纯玻璃管B后，用氢氧火焰在连接管C的位置4处封断；见图1中的（b）（c）。

4）将经过步骤3）提纯后的提纯玻璃管B放入摇摆炉中，缓慢升温至850℃，摇摆熔制16小时后取出，迅速放到水中淬冷，然后进行退火处理即得到高纯度的含镓的高熔沸点硫系玻璃。将玻璃样品从提纯玻璃管B中取出，切割至厚度不大于1.4mm，再经研磨和双面抛光后得到高纯度硫系玻璃样本。对该硫系玻璃样本进行红外光谱性能测试，测试结果图2所示的上一条曲线。

对比例：

玻璃混合料中未加铝条和TeCl₄，也不经过双管加热蒸馏提纯，混合料直接在摇摆炉中熔制得到红外玻璃，将得到玻璃进行红外光谱性能测试，测试结果如图2所示的下一条曲线；从图2中可以看出实施例1制得的玻璃相对具有更高的透光率，杂质吸收峰明显减少，其长波吸收截至波长达到25 μm。

实施例2：

    制备高纯度的Ge₂₃Se₆₅Ga₁₂硫系玻璃，具体步骤如下：

1）原料按照锗、硒、镓单质分别以23mol%、65mol%、12mol%配比20g，同时按照质量百分比0.025wt%放入镁条0.005克，按照质量百分比0.025wt%放入TeCl₄0.005克，装入经预脱羟处理的玻璃原料管A；

2）将玻璃原料管A的管口与真空泵封接抽真空，同时用电加热炉2加热玻璃原料至110 ^oC，以除去玻璃原料和H型石英安瓿中的水分子，当H型石英安瓿中的真空度达到2×10^-3 Pa以下时，用氢氧火焰在玻璃原料管A的位置1处封接；

3）利用快速升温炉3对玻璃原料管A和连接管C同时进行加热，在10秒内升温到1400 ^oC，并保持19分钟，使玻璃原料管A内的原料通过连接管C完全蒸馏至提纯玻璃管B内，同时对提纯玻璃管B进行低温冷凝至29 ^oC以下，使提纯玻璃管B内的气体原料迅速凝固，防止提纯玻璃管B因气压过高爆炸。当原料完全蒸馏至提纯玻璃管B后，用氢氧火焰在连接管C的位置4处封断；

4）将经过步骤3）提纯后的提纯玻璃管B放入摇摆炉中，缓慢升温至900℃，摇摆熔制18小时后取出冷却，然后进行退火处理即得到光学质量均匀，红外透过率好的高纯度Ge₂₃Se₆₅Ga₁₂硫系玻璃。

实施例3：

    制备高纯度的Ge₁₅ Ga₁₀Te₇₂Se₃硫系玻璃，具体步骤如下：

1）原料按照锗、镓、碲、硒单质分别以15mol%、10mol%、72mol%、3mol%配比20g，同时按照质量百分比0.025wt%放入镁条0.005克，按照质量百分比0.025wt%放入TeCl₄0.005克，装入经预脱羟处理的玻璃原料管A；

2）将玻璃原料管A的管口与真空泵封接抽真空，同时用电加热炉2加热玻璃原料至130 ^oC，以除去玻璃原料和H型石英安瓿中的水分子，当H型石英安瓿中的真空度达到2×10^-3 Pa以下时，用氢氧火焰在玻璃原料管A的位置1处封接；

3）利用快速升温炉3对玻璃原料管A和连接管C同时进行加热，在10秒内升温到1400 ^oC，并保持22分钟，使玻璃原料管A内的原料通过连接管C完全蒸馏至提纯玻璃管B内，同时对提纯玻璃管B进行低温冷凝至29^oC以下，使提纯玻璃管B内的气体原料迅速凝固，防止提纯玻璃管B因气压过高爆炸。当原料完全蒸馏至提纯玻璃管B后，用氢氧火焰在连接管C的位置处封断；

4）将经过步骤3）提纯后的提纯玻璃管B放入摇摆炉中，缓慢升温至900℃，摇摆熔制15小时后取出冷却，然后进行退火处理即得到光学质量均匀，红外透过率好的高纯度Ge₁₅ Ga₁₀Te₇₂Se₃硫系玻璃。

Claims (2)

1.一种含镓的高熔沸点硫系玻璃的制备装置，其特征在于包括电加热炉、快速升温炉和H型石英安瓿，所述的电加热炉具有温控装置，所述的H型石英安瓿包括玻璃原料管和提纯玻璃管，所述的玻璃原料管和提纯玻璃管通过连接管相通，所述的玻璃原料管的上端开口，玻璃原料管的上端接真空泵，所述的电加热炉用于加热玻璃原料管，快速升温炉用于同时加热玻璃原料管和连接管。

2.一种权利要求1所述的制备装置制备含镓的高熔沸点硫系玻璃的方法，其特征在于包括如下步骤：1）对H型石英安瓿的玻璃原料管进行脱羟基预处理，将含镓的高熔沸点硫系玻璃原料按照组分称量并放入玻璃原料管中，按质量百分比放入0.03 wt%～0.1 wt%的铝条或镁条作为除氧剂，按质量百分比放入0.04 wt%～0.06 wt%的TeCl₄作为除氢剂；

2）对H型石英安瓿抽真空，同时用电加热炉对玻璃原料管加热至110 ^oC～130 ^oC，当H型石英安瓿中的真空度达到2×10^-3 Pa以下时，用氢氧火焰封接玻璃原料管的上端；

3）利用快速升温炉对玻璃原料管和连接管同时进行加热，在10秒内升温到1400 ^oC，并保持18～22分钟，使玻璃原料管内的原料通过连接管完全蒸馏至提纯玻璃管内，同时对提纯玻璃管进行低温冷凝至29 ^oC以下，使提纯玻璃管内的气体原料迅速凝固，蒸馏完毕后，用氢氧火焰封接靠近提纯玻璃管一侧的连接管；

4）经过步骤3）提纯后的提纯玻璃管放入摇摆炉中，缓慢升温至800～950℃，摇摆熔制12～18 小时后取出，迅速放到水中淬冷，然后进行退火处理即得到高纯度的含镓的高熔沸点硫系玻璃。

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