CN104355538B - 一种硫化物红外玻璃及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硫化物红外玻璃及制备方法，其化学式为GaxSbyS1‑x‑y，其中，0.04≤x≤0.10，0.28≤y≤0.36；其制备方法包括：(1)以单质镓、单质锑和单质硫为原料配制玻璃混合料；(2)将玻璃混合料置于密封真空容器中，在850～950℃保温24～48小时进行熔炼，然后取出淬冷形成玻璃；(3)将形成的玻璃在220～250℃保温3～5小时进行退火处理，最后以0.1～0.5℃/min的速率冷却至室温。本发明硫化物玻璃在8～12μm波段具有较高的透过率(>55％)，玻璃的机械强度高、硬度大、成本低，且环境友好，可用于红外热成像技术领域。

Description

一种硫化物红外玻璃及制备方法
技术领域
本发明涉及一种红外光学玻璃材料，特别涉及一种硫化物红外玻璃及制备方法。
背景技术
随着夜视、工业控制、医药检测等领域对热成像设备需求的快速增长，热成像系统所需红外光学材料备受关注。户外使用的热成像设备主要基于8～12μm大气窗口设计，因为8～12μm波段的红外光在大气中传输时损耗极小，并且物体在户外温度下辐射的红外线强度峰值在此波段内。目前市场上用于红外热成像系统的光学材料主要有锗单晶、硒化锌晶体和硫系玻璃，其中硫系玻璃具有优异的红外透射性能、较低的折射率温度系数、良好的折射率色散特性、原料和加工成本较低等优点，逐渐取代部分昂贵的红外晶体材料成为应用于热成像仪系统的理想光学材料。
硫系玻璃是指以硫族元素硫(S)、硒(Se)、碲(Te)为主引入一定量其它金属或非金属元素形成的非晶态材料，包括硫化物玻璃、硒化物玻璃和碲化物玻璃，他们的典型透光范围分别为0.6～10μm、1～14μm和2～20μm，目前市场上用于热成像系统的硫系玻璃主要是硒化物玻璃。然而，由于化学键较弱，硒化物玻璃的硬度和机械强度较低，相应红外光学元件的抗机械振动和冲击的能力差。相比而言，硫化物玻璃的硬度和机械强度较高，但现有硫化物玻璃透光范围只能达到10μm，无法完全覆盖8～12μm波段。若能研制开发出可覆盖8～12μm波段的硫化物玻璃，将使用于热成像系统的硫系玻璃机械性能显著提高，从而巩固和拓展硫系玻璃在热成像领域的实际应用。
发明内容
针对现有技术中存在的硫化物玻璃透光范围不能完全覆盖8～12μm大气窗口的问题的，本发明提供了一种透光范围可覆盖8～12μm波段的硫化物红外玻璃及制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种硫化物红外玻璃，其化学式为GaxSbyS1-x-y，其中，0.04≤x≤0.10，0.28≤y≤0.36。
上述硫化物红外玻璃采用真空熔炼法合成，包括步骤：
(1)以单质镓、单质锑和单质硫为原料按化学式配制玻璃混合料；
(2)将玻璃混合料装入石英安瓿中，抽真空，用氢氧焰封接石英安瓿；
(3)将封接好的装有玻璃混合料的石英安瓿放入摇摆炉中，升温至850～950℃，保温24～48小时后取出淬冷，然后在220～250℃保温3～5小时进行退火处理，最后以0.1～0.5℃/min的速率冷却至室温，即得本发明所述硫化物红外玻璃。
作为优选，采用的单质镓、单质锑和单质硫的纯度均大于99.999％。
作为优选，石英安瓿的羟基含量小于10ppm。
作为优选，石英安瓿内真空度小于10-2Pa。
本发明硫化物红外玻璃是一种可应用于热成像领域的机械性能较好的红外材料，在8～12μm波段具有较高的透过率(>55％)，密度为3.9～4.2g/cm3，玻璃转变温度为220～250℃，显微硬度为136～160kg/mm2，在10μm波长的折射率为2.60～2.72。
与现有技术相比，本发明能产生如下有益效果：
(1)与传统硫化物玻璃相比，扩大了透光波段范围，使本发明硫化物红外玻璃可用于8-12μm热成像领域；
(2)与夜视仪所用的传统硒化物玻璃相比，本发明硫化物红外玻璃机械强度高、硬度大、成本低。
(3)本发明硫化物红外玻璃不含有毒元素，环境友好。
附图说明
图1是采用工作波长为7.5～13μm的红外相机拍摄的实施例1所制备玻璃的照片；
图2是实施例1所制备玻璃的红外透射光谱。
具体实施方式
下面将通过实施例进一步说明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明并非仅限于所举之例。
实施例1
Ga8Sb32S60硫化物红外玻璃制备
将纯度≥99.999％的Ga、Sb和S按比例混合获得玻璃混合料，将玻璃混合料装入羟基含量小于10ppm的干净石英安瓿中，抽真空至真空度小于10-2Pa，用氢氧焰封接石英安瓿。将装有玻璃混合料的密封石英安瓿放入摇摆炉中，升温至900℃并保温24小时，取出在水中淬冷；然后于240℃保温3小时进行退火处理；最后，以0.2℃/min的速率冷却至室温，即得到Ga8Sb32S60硫化物红外玻璃。图1是采用工作波长为7.5～13μm的红外相机拍摄的本实施例玻璃照片，透过本实施例玻璃可清楚看到置于玻璃后方的网络状物体。
采用Bruker Tensor27傅立叶变换红外光谱仪测试3mm厚玻璃片的红外透射光谱；采用阿基米德法测试玻璃密度；采用TAQ2000差式扫描量热仪测试玻璃的玻璃化转变温度，升温速率为10℃/min；采用INSTRON Wilson-Wolpert Tukon2100B硬度仪测试双面抛光玻璃片的显微硬度，荷载和时间分别为100g和5s；采用J.A.Woollam红外椭偏仪测量单面抛光玻璃片的折射率；
本实施例玻璃的检测结果：玻璃在8～12μm波段的透过率大于58％(见图2)，密度为4.03g/cm3，玻璃化转变温度为239℃，显微硬度为145kg/mm2，在10μm波长的折射率为2.6273。
实施例2
Ga4Sb36S60硫化物红外玻璃制备
将纯度≥99.999％的Ga、Sb和S按比例混合获得玻璃混合料，将玻璃混合料装入羟基含量小于10ppm的干净石英安瓿中，抽真空至真空度小于10-2Pa，用氢氧焰封接石英安瓿。将装有玻璃混合料的密封石英安瓿放入摇摆炉中，升温至850℃并保温36小时，取出在水中淬冷；然后于230℃保温4小时进行退火处理；最后，以0.5℃/min的速率冷却至室温，即得到Ga4Sb36S60硫化物红外玻璃。
采用Bruker Tensor27傅立叶变换红外光谱仪测试3mm厚玻璃片的红外透射光谱；采用阿基米德法测试玻璃密度；采用TAQ2000差式扫描量热仪测试玻璃的玻璃化转变温度，升温速率为10℃/min；采用INSTRON Wilson-Wolpert Tukon2100B硬度仪测试双面抛光玻璃片的显微硬度，荷载和时间分别为100g和5s；采用J.A.Woollam红外椭偏仪测量单面抛光玻璃片的折射率。
本实施例玻璃的检测结果：玻璃在8～12μm波段的透过率大于55％；密度为4.15g/cm3，玻璃化转变温度为229℃，显微硬度为138kg/mm2，在10μm波长的折射率为2.7097。
实施例3
Ga10Sb28S62硫化物红外玻璃制备
将纯度≥99.999％的Ga、Sb和S按比例混合获得玻璃混合料，将玻璃混合料装入羟基含量小于10ppm的干净石英安瓿中，抽真空至真空度小于10-2Pa，用氢氧焰封接石英安瓿。将装有玻璃混合料的密封石英安瓿放入摇摆炉中，升温至950℃并保温48小时，取出在水中淬冷；然后于245℃保温5小时进行退火处理；最后，以0.1℃/min的速率冷却至室温，即得到Ga10Sb28S62硫化物红外玻璃。
采用Bruker Tensor27傅立叶变换红外光谱仪测试3mm厚玻璃片的红外透射光谱；采用阿基米德法测试玻璃密度；采用TAQ2000差式扫描量热仪测试玻璃的玻璃化转变温度，升温速率为10℃/min；采用INSTRON Wilson-Wolpert Tukon2100B硬度仪测试双面抛光玻璃片的显微硬度，荷载和时间分别为100g和5s；采用J.A.Woollam红外椭偏仪测量单面抛光玻璃片的折射率。
本实施例玻璃的检测结果：玻璃在8～12μm波段的透过率大于60％，密度为3.92g/cm3，玻璃化转变温度为242℃，显微硬度为154kg/mm2，在10μm波长的折射率为2.6012。

Claims (5)

1.一种硫化物红外玻璃，其特征在于：
化学式为GaxSbyS1-x-y，其中，0.04≤x≤0.10，0.28≤y≤0.36。
2.权利要求1所述的一种硫化物红外玻璃的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)以单质镓、单质锑和单质硫为原料按化学式配制玻璃混合料；
(2)将玻璃混合料装入石英安瓿中，抽真空，用氢氧焰封接石英安瓿；
(3)将封接好的装有玻璃混合料的石英安瓿放入摇摆炉中，升温至850～950℃，保温24～48小时后取出淬冷，然后在220～250℃保温3～5小时进行退火处理，最后以0.1～0.5℃/min的速率冷却至室温，即得本发明所述硫化物红外玻璃。
3.如权利要求2所述的硫化物红外玻璃的制备方法，其特征在于：
所述的单质镓、单质锑和单质硫的纯度均大于99.999％。
4.如权利要求2所述的硫化物红外玻璃的制备方法，其特征在于：
所述的石英安瓿的羟基含量小于10ppm。
5.如权利要求2所述的硫化物红外玻璃的制备方法，其特征在于：
所述的石英安瓿内真空度小于10-2Pa。
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