CN103864297A

CN103864297A - 一种精密模压成型用中红外光学玻璃

Info

Publication number: CN103864297A
Application number: CN201410116052.5A
Authority: CN
Inventors: 汪国年; 季平
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2014-06-18

Abstract

本发明公开了一种精密模压成型用中红外光学玻璃，其组分按摩尔比计包括：GeS₂:40~80%、Ga₂S₃:5~40%、La₂S₃:1~15%、Sb₂S₃:1~20%，本发明的中红外光学玻璃具有较宽的红外透过范围，玻璃成玻性能好，制备工艺简单，具有高折射率和较高的机械强度，玻璃转化温度低，提高了模具的使用寿命，不含铅、砷、氟、铬等对环境和模具不利的成分。

Description

一种精密模压成型用中红外光学玻璃

技术领域

本发明涉及红外光学玻璃材料技术领域，具体说是一种作用于中红外波段范围的精密模压成型用光学玻璃。

背景技术

红外光学透镜在通讯、激光、医疗、电力、冶金、化工、测试、消防以及国防等领域具有非常广泛的应用。非球面镜由于使光学系统具有成像质量好、体积小、重量轻、结构简单等优点，从而受到了广泛的应用。

玻璃透镜精密模压成型技术是一种高精度光学元件加工技术，它是把玻璃预形体放入高精度的模具中，在加温加压和无氧的条件下，一次性直接模压成型出满足使用要求的光学零件。精密模压技术能够大批量直接模压成型精密的非球面或球面等光学零件，并且改善了光学系统的性能，提高了光学成像的质量，从而使得该技术现已成为国际上最先进的光学零件制造技术方法之一。

硫系玻璃具有良好的化学稳定性、成玻性能好以及对杂质的敏感性低等优点，是理想的中长波红外光学材料。本专利发明人曾申请了一种精密模压成型用红外光学玻璃（CN201110322140.7），该专利公开了一种适合于精密压型的以TeO₂组份为主的氧化物玻璃及其制备方法，该玻璃的特点是折射率和硬度较高，热转变温度较低，红外透过范围超过5微米，非常适合于3-5微米波段中波红外光学器件的应用；但是，该体系玻璃最大红外截止波长仅为6.5微米，其使用范围仅局限于中波红外，不适用于8-12微米长波红外的应用。与氧化物玻璃相比，硫系玻璃具有更宽的红外截止波长、更高的折射率、更低的玻璃转变温度，因此更适用于制作中长波红外光学元器件。而且，由于硫系元素在高温下的易氧化性，其玻璃制备工艺完全不同于氧化物玻璃，因此，硫系玻璃在同时包括中波红外和长波红外的中红外领域具有极大的应用潜力。近几年国内外已经公开了一些硫系玻璃配方及制作工艺方面的专利，如：CN200810202691.8公开了一种掺镝的硫系玻璃及其制备方法；CN200810236542.3公开了一种硫系玻璃及其制备方法。但是现公开的硫系玻璃配方或者是掺杂稀土元素，用来制作激光材料，或者原料中含有As、Cd等有毒元素，或者玻璃配方需急冷成型，这些配方并不适合用于精密模压成型透镜材料，真正适合于精密模压成型的硫系玻璃配方并不多见。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中的不足，提供一种具有适用于中长波红外波段范围的、可通过精密模压成型的新型中红外光学玻璃配方及其制备工艺。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

精密模压成型用中红外光学玻璃，其组分按摩尔比计（如下同）包括：GeS₂: 40~80%、Ga₂S₃: 5~40%、La₂S₃: 1~15%、Sb₂S₃: 1~20%。

GeS₂是构成玻璃骨架的主要成分，具有很强的玻璃形成能力。同时GeS₂还具有较低的声子能量，使得其在红外波段的吸收较低，其红外透过波长可达12μm。GeS₂含量的增加有利于提高玻璃的形成能力，但含量过高（如摩尔比高于80%）时，容易造成玻璃分相，使得玻璃的耐失透能力降低。本发明中GeS₂含量为40~80%，优选含量为40～60%。

Ga₂S₃是实现玻璃高折射率和高分散性、低的热转化温度的光学特性成分。Ga₂S₃不仅可以改善玻璃的形成能力，还可以提高玻璃的透明度，降低玻璃的着色度。本发明中过多的Ga₂S₃会降低玻璃的抗析晶能力，因此本发明中Ga₂S₃含量为5~40%，进一步优选含量为20～30%。

La₂S₃是能够抑制玻璃透射率下降并提高折射率的成分，同时在一定程度上La₂S₃可以改善玻璃的机械强度，提高玻璃的热稳定性。但由于容易析出失透物，因此优选不大量含有，本发明La₂S₃的含量为1~15%，进一步优选含量为5～10%。

Sb₂S₃具有很好的热稳定性，可用来改善玻璃的成玻特性。当Sb₂S₃含量低于5%时，其改善光学常数的作用较小。Sb₂S₃含量过高会提高玻璃的热转化温度，不利于玻璃的模压成型。本发明中Sb₂S₃的含量为1~20%，进一步优选含量为5～15%。

本发明具有以下突出的有益效果：

本发明的精密模压成型用中红外光学玻璃具有以下性能：（1）透过范围宽（0.5～12微米）；（2）玻璃成玻性能好，制备工艺简单，易于加工；（3）高折射率；（4）抗析晶能力强，热稳定性好，机械强度高；（5）玻璃转化温度低，避免与模具发生反应，提高了模具的使用寿命；（6）不含铅、砷、氟、镉等对环境和模具不利的成分；因此非常适合用于中红外光学元件的精密模压成型。

附图说明

图1是本发明实施例1的精密模压成型用中红外光学玻璃（样品厚度2mm）的红外透过曲线。本发明玻璃的红外透过曲线均相似，故本发明附图仅给出了实施例1的透过曲线作为示例。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明:

制备方法实例：

本发明的精密模压成型用中红外光学玻璃采用真空密封熔融的方法制备，其具体制备及性质测试方法如下：

（1）按照配比将干燥高纯的Ge、Ga、La、Sb和S放入预处理的石英管里；

（2）用高真空分子泵将石英管抽真空至低于10-3Pa，然后封接石英管；

（3）将石英管放入高温摇摆炉中，将温度逐渐升高到900～1000℃，保温12-24小时进行熔制；

（4）逐渐降温到550℃，取出石英管，并放入水中淬冷15～30秒钟，然后放入330～460℃的退火炉中，保温2-4小时，并逐渐降至室温后取出，即获得本发明的精密模压成型用中红外光学玻璃。本发明玻璃的形状和尺寸根据石英管容器的形状而定，最大体积可达1立升。

（5）玻璃性质测定：（a）折射率测试由变角度光谱椭圆偏振仪获得，光源入射角为60°和65°，测试波长范围为500~1000nm；（b）玻璃转变温度的测定通过DTA曲线，采用热分析仪，参照样为Al2O3，测试在N2气氛保护下进行，测试范围为室温到600℃；（c）IR测试采用傅立叶变换红外光谱仪，扫描范围400~4000cm-1，待测样品为双面平行且抛光的玻璃片，厚度为2 mm；（d）玻璃硬度采用维氏硬度方法测定；（e）热膨胀系数采用热膨胀率仪测定。

表1为本发明7个具体实施例配方及按上述制备方法实例制备的光学玻璃的相关特性测试结果。根据本发明的配方，通过上述制备工艺获得的玻璃满足以下全部要求：（1）具有较宽的红外透过范围（见图1）；（2）玻璃成玻性能好，制备工艺简单，易于加工；（3）高折射率；（4）较高的机械强度；（4）玻璃转化温度低，避免与模具发生反应，提高了模具的使用寿命；（5）不含铅、砷、氟、铬等对环境和模具不利的成分。

表1

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种精密模压成型用中红外光学玻璃，其特征在于，该光学玻璃中的各组分摩尔百分比为：GeS₂: 40~80%、Ga₂S₃: 5~40%、La₂S₃: 1~15%、Sb₂S₃: 1~20%。

2.根据权利要求1所述的精密模压成型用中红外光学玻璃，其特征在于，所述光学玻璃组分的摩尔百分比为：GeS₂: 40~60%、Ga₂S₃: 20～30%、La₂S₃: 5～10%、Sb₂S₃: 5～15%。

3.根据权利要求1或2所述的精密模压成型用中红外光学玻璃，其特征在于，所述光学玻璃红外波段透过范围为0.5～12μm，热转变温度T_g范围为350～480℃，折射率n_d为2.4～2.68，热膨胀系数为18.5～21.8ppm/℃，维氏硬度为2.03~2.78GPa。