CN105800954A - 一种硫系玻璃及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硫系玻璃及其制备方法，涉及玻璃深加工领域，解决了硫系玻璃表面的类金刚石薄膜易破裂的技术问题。本发明的硫系玻璃包括硫系玻璃基体和沉积于硫系玻璃基体表面的镀膜层，所述镀膜层自所述硫系玻璃基体起依次包括碳化锗膜层和沉积于碳化锗膜层表面的类金刚石膜层。本发明的硫系玻璃在具有优秀的光学性能的同时，也具有较好的表面强度，本发明通过在硫系玻璃与类金刚石薄膜间引入碳化锗过渡层提高了硫系玻璃与类金刚石薄膜的附着力，避免了硫系玻璃表面的类金刚石薄膜易破裂的问题，增强了硫系玻璃的环境耐受性。

Description

一种硫系玻璃及其制备方法
技术领域
本发明涉及玻璃领域，尤其涉及一种硫系玻璃及其制备方法。
背景技术
硫系玻璃是一种具有优良的红外透过性能的特种玻璃材料。近年来，在众多红外光学材料中，长波红外硫系玻璃以其在光学方面的突出表现，受到广泛的关注。硫系玻璃具有热差系数低、透过范围宽、透过率高、光学均匀性好、化学性能稳定及抗酸性强等优点，并且在中、远红外波段的折射率色散特性与硒化锌晶体材料相当，温度特性要远小于单晶锗，应用于光学设计中可有效降低甚至消除系统的色差和热差，是一种很有前途的红外光学材料。上述刘硫系玻璃在军用肩扛枪瞄、战舰导弹以及民用车载夜视、星际生命探测以及其他高端红外光学领域等领域具有广阔的应用前景。
类金刚石(Diamond-likecarbonfilm，简称DLC)薄膜具有硬度高、透明区域较宽、抗摩擦磨损性能良好、可实现低温甚至室温沉积等优点，类金刚石薄膜作为硫系玻璃窗口膜层应用于热成像光学系统，可解决红外窗口的耐磨耐蚀和表面强化的问题。但是，在工程实际中，受硫系玻璃(12.6-14.7)×10-6K-1和DLC膜(2-5)×10-6K-1两者间热膨胀系数不匹配的影响，不可避免地会在硫系玻璃和DLC膜间产生残余应力。过大残余应力会严重影响膜层附着力和界面力学性能，使得DLC膜极易发生脆性破裂或剥离，极端情况下会导致层间开裂甚至裂纹贯穿扩展到基底上，为了较好的应用表面具有类金刚石薄膜的硫系玻璃，提高其环境耐受性能，迫切需要研究一种方法能够解决上述技术难题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种硫系玻璃及其制备方法，主要目的是解决硫系玻璃表面的类金刚石薄膜易破裂的问题。
为达到上述目的，本发明主要提供了如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供了一种硫系玻璃，所述硫系玻璃包括硫系玻璃基体和沉积于硫系玻璃基体表面的镀膜层，所述镀膜层自所述硫系玻璃基体起依次包括碳化锗膜层和沉积于碳化锗膜层表面的类金刚石膜层。
作为优选，所述类金刚石膜层的厚度为0.1μm-1μm。
作为优选，所述碳化锗膜层的厚度为0.1μm-6μm。
另一方面，本发明提供了上述硫系玻璃的制备方法，该方法包括以下步骤：
将硫系玻璃基体清洁干净后，采用磁控溅射法，选择纯锗靶材，以甲烷和氩气的混合气体为工作气体，向所述硫系玻璃基体的表面镀制碳化锗薄膜，形成所述硫系玻璃基体的碳化锗膜层；
采用等离子体化学气相沉积法，以甲烷气体为工作气体，向硫系玻璃基体表面的所述碳化锗膜层的表面镀制类金刚石薄膜，镀制结束后得到所述硫系玻璃。
作为优选，所述碳化锗薄膜的镀制过程为间歇式，每次的溅射时间为4min-6min，每次的间歇时间为13min-17min；在间歇式溅射过程中所述硫系玻璃基体的温度为20℃-100℃；
所述类金刚石薄膜的沉积过程为间歇式，每次的沉积时间为13min-17min，每次的间歇时间为13min-17min；在间歇式沉积过程中所述硫系玻璃基体的温度为20℃-100℃。
作为优选，采用等离子体化学气相沉积法镀制所述类金刚石薄膜时的甲烷气体流量为30sccm-40sccm，工作压力为1Pa-10Pa，沉积功率为100W-300W，自生负偏压为330V-640V，靶基距为8cm-14cm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过在硫系玻璃表面和类金刚石薄膜表面之间增加一层碳化锗过渡层，显著提升了类金刚石薄膜与硫系玻璃的附着力，较好的避免了硫系玻璃表面的类金刚石薄膜易破裂或易剥离的技术问题，增强了硫系玻璃的环境耐受性，
(2)本发明提供的一种硫系玻璃表面具有高附着性能的类金刚石膜的制备方法，可推广应用于异形硫系玻璃元件上类金刚石膜的制备；
(3)本发明提供的一种硫系玻璃的制备方法采用间歇式镀膜方式，克服了硫系玻璃膨胀系数较大，高温(≥150℃)易破裂的难题，制备得到类金刚石薄膜具有机械强度高，耐磨性能好，红外光学特性优良，适合于制造大面积的光学透镜等优点。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的硫系玻璃的结构示意图。
图2是本发明实施例2提供的硫系玻璃的结构示意图。
附图标记说明：1、硫系玻璃基体，2、碳化锗膜层，3、类金刚石膜层。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、技术方案、特征及其功效，详细说明如后。下述说明中的多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
实施例1
准备并清洁干净符合下述性能要求的国际通用牌号为IG5的硫系玻璃基体Ge28Sb12Se60：上述硫系玻璃基体1为平面片状，尺寸为30×30×4mm，透过范围为0.8μm-15μm，上述硫系玻璃基体在1μm-11μm的透过率≥64％，在12μm-14μm透过率≥60％，上述硫系玻璃基体的密度4.67g·cm-3，维氏硬度221±5gf/mm2，玻璃转变温度285±5℃；
将上述硫系玻璃基体Ge28Sb12Se60擦拭干净，将达到净化技术要求的硫系玻璃基片放置于磁控溅射设备的基片架上，安装好高纯锗靶材，将真空室压力抽至8.5×10-4Pa，向真空室充入高纯氩气至5×10-1Pa；将上述硫系玻璃基片加热至80℃并保温30min；接着打开射频电压至600V，通过高纯氩气轰击上述硫系玻璃基片对其表面清洗5min后，关闭射频电源及停止通入氩气，真空度到6.5×10-5Pa以上时，打开甲烷与氩气的混合气体的控制阀门(混合气体中氩气的体积百分含量为35％)，向真空室内通入上述混合气体，调至预定压力值，再次打开射频电源，通过电离甲烷和氩气的混合气体，轰击高纯锗靶，在硫系玻璃基体表面上开始沉积坚硬的过渡层碳化锗膜，向上述硫系玻璃基体进行第一次溅射的时间为5min，第一次溅射结束后停止15min，再进行第二次溅射，溅射时间为5min，第二次溅射结束后再停止15min，以此类推，采用上述的溅射时间为5min，间歇时间为15min的溅射工艺对上述硫系玻璃基体表面循环溅射，经过45min后溅射得到厚度为2.5μm的碳化锗薄膜，通过上述溅射得到上述硫系玻璃基体的碳化锗膜层2；
将上述镀制有碳化锗膜层2的硫系玻璃基体1快速转移至等离子体化学气相沉积(PECVD)设备中，抽真空至4.0×10-3Pa，向真空室中充入40sccm的高纯氩气，对上述镀制有碳化锗膜层2的硫系玻璃基体的表面进行清洗，清洗功率为110±5W，自身负偏压为210V±10V，清洗时间为3min；清洗结束后，停止通入氩气，向真空室内通入甲烷，设定甲烷流量为35sccm，压力为2Pa，功率为220W，自生负偏压为520V，靶基距为14cm，通过甲烷电离出的碳离子向上述硫系玻璃表面的碳化锗膜层的表面沉积薄膜，第一次沉积时间为15min，沉积结束后停止15min，再进行第二次沉积，通入甲烷后沉积15min，沉积结束后停止15min，采用上述沉积时间为15min，间歇时间为15min的工艺对上述硫系玻璃表满的碳化锗膜层的表面循环镀制，经过1h后得到厚度为1μm的类金刚石薄膜，通过上述工艺在上述硫系玻璃基体的碳化锗膜层的表面上沉积得到类金刚石膜层3，经过两次镀制，得到表面具有类金刚石薄膜的硫系玻璃。
实施例2
准备并清洁干净符合下述性能要求的国际通用牌号为IG2的硫系玻璃原始基体Ge12As33Se55：上述硫系玻璃原始基体为平面片状，其厚度在4mm时的透过范围为0.8μm-15μm，上述硫系玻璃基体在1μm-12μm的透过率≥64％，在12μm-14μm透过率≥50％，维氏硬度217±5gf/mm2；
将上述硫系玻璃原始基体Ge12As33Se55加工成厚度为1.0mm，外径为37.5mm的球面透镜，将上述球面透镜作为硫系玻璃基体1；上述硫系玻璃基体1的光洁度P＝Ⅲ～Ⅴ，光圈N＝3，△N＝0.5，平行度＝3′～5′；将上述硫系玻璃基体擦拭干净，哈气法检查达到净化技术要求后，将达到净化要求的上述硫系玻璃基体放入磁控溅射设备中，抽真空至8.5×10-4Pa，向真空室充入高纯氩气至7×10-1Pa；将上述硫系玻璃基片加热至75℃并保温30min；接着打开射频电压至600V，通过高纯氩气轰击上述硫系玻璃基片对其表面清洗5min后，关闭射频电源及停止通入氩气，真空度到6.5×10-5Pa以上时，打开甲烷与氩气的混合气体的控制阀门(混合气体中氩气的体积百分含量为50％)，向真空室内通入上述混合气体，调至预定压力值，开始沉积碳化锗膜，溅射功率为60W，溅射自生负偏压为127V-133V；向硫系玻璃基体1进行第一次溅射的时间为5min，第一次溅射结束后停止15min，再进行第二次溅射，溅射时间为5min，第二次溅射结束后再停止15min，以此类推，采用上述的溅射时间为5min，间歇时间为15min的溅射工艺对上述硫系玻璃基体表面循环溅射，经过45min后溅射得到厚度为1.2μm的碳化锗薄膜，通过上述溅射得到硫系玻璃基体1的碳化锗膜层2；
将上述镀制有碳化锗膜层2的硫系玻璃基体1快速转移至等离子体化学气相沉积(PECVD)设备中，抽真空至4.0×10-3Pa，向真空室中充入40sccm的高纯氩气，对上述镀制有碳化锗膜层的硫系玻璃基体的表面进行清洗，清洗功率为110±5W，自身负偏压为210±10V，清洗时间为3min；清洗结束后，停止通入氩气，向真空室内通入甲烷，设定甲烷流量为35sccm，压力为5Pa，功率为110±5W，自生负偏压为340±5V，靶基距为10cm，通过甲烷电离出的碳离子向上述硫系玻璃表面的碳化锗膜层的表面沉积薄膜，第一次沉积时间为15min，沉积结束后停止15min，再进行第二次沉积，通入甲烷后沉积15min，沉积结束后停止15min，采用上述沉积时间为15min，间歇时间为15min的工艺对上述硫系玻璃表满的碳化锗膜层的表面循环镀制，经过2h后得到厚度为800nm的类金刚石薄膜，通过上述工艺在上述球面透镜的硫系玻璃基体的碳化锗膜层的表面上沉积得到类金刚石膜层3，经过两次镀制，得到表面具有类金刚石薄膜的硫系玻璃。
在上述实施例中，通过采用间歇式镀膜方式，服了硫系玻璃膨胀系数较大，高温(≥150℃)易破裂的难题，制备得到类金刚石薄膜具有机械强度高，耐磨性能好，红外光学特性优良，适合于制造大面积的光学透镜等优点，可推广应用于异形硫系玻璃元件上类金刚石膜的制备。
在上述实施例中，通过在硫系玻璃表面和类金刚石薄膜表面之间镀制一层碳化锗过渡层，显著提升了类金刚石薄膜与硫系玻璃的附着力，较好的避免了硫系玻璃表面的类金刚石薄膜易破裂或易剥离的技术问题，增强了硫系玻璃的环境耐受性。
本发明实施例中未尽之处，本领域技术人员均可从现有技术中选用。
以上公开的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以上述权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种硫系玻璃，其特征在于，所述硫系玻璃包括硫系玻璃基体和沉积于硫系玻璃基体表面的镀膜层，所述镀膜层自所述硫系玻璃基体起依次包括碳化锗膜层和沉积于碳化锗膜层表面的类金刚石膜层。
2.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃，其特征在于，所述类金刚石膜层的厚度为0.1μm-1μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种硫系玻璃，其特征在于，所述碳化锗膜层的厚度为0.1μm-6μm。
4.权利要求1-3任一项所述的一种硫系玻璃的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将硫系玻璃基体清洁干净，采用磁控溅射法，选择纯锗靶材，以甲烷和氩气的混合气体为工作气体，向所述硫系玻璃基体的表面镀制碳化锗薄膜，形成所述硫系玻璃基体的碳化锗膜层；采用等离子体化学气相沉积法，以甲烷气体为工作气体，向硫系玻璃基体表面的所述碳化锗膜层的表面镀制类金刚石薄膜，镀制结束后得到所述硫系玻璃。
5.根据权利要求4所述的一种硫系玻璃的制备方法，其特征在于，所述碳化锗薄膜的镀制过程为间歇式，每次的溅射时间为4min-6min，每次的间歇时间为13min-17min；在间歇式溅射过程中所述硫系玻璃基体的温度为20℃-100℃；所述类金刚石薄膜的沉积过程为间歇式，每次的沉积时间为13min-17min，每次的间歇时间为13min-17min；在间歇式沉积过程中所述硫系玻璃基体的温度为20℃-100℃。
6.根据权利要求4所述的一种硫系玻璃的制备方法，其特征在于，采用等离子体化学气相沉积法镀制所述类金刚石薄膜时的甲烷气体流量为30sccm-40sccm，工作压力为1Pa-10Pa，沉积功率为100W-300W，自生负偏压为330V-640V，靶基距为8cm-14cm。
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