CN106587574B - 多工位快速硫系玻璃熔制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多工位快速硫系玻璃熔制方法，其所使用的多工位快速硫系玻璃熔制装置包括第一调速电机、摆动支架及至少两个炉体；第一调速电机通过第一转动轴与摆动支架连接，炉体通过第二转动轴可活动地固定在摆动支架上；炉体内具有独立的第一炉膛和第二炉膛，第一炉膛内设有第一蒸馏管，第二炉膛内设有第二蒸馏管；第一蒸馏管与第二蒸馏管通过连接管连通；第二转动轴的另一端连接有第二调速电机。通过分别调整第一调速电机和第二调速电机，可使得每一个炉体能在多个方向上摆动，通过调整两个炉膛间的温度差实现对所制备玻璃的提纯效果，这样也实现了仅需要一次熔制操作即可得到多份高纯度硫系玻璃的效果，从而大大提高了硫系玻璃的制备效率。
Description
技术领域
本发明涉及硫系玻璃制备领域，尤其涉及一种多工位快速硫系玻璃熔制方法。
背景技术
硫系玻璃是由S、Se、Te和Ge、As、Sb等元素根据所需要比例形成的二元或者三元化合物玻璃。与其他玻璃相比，硫系玻璃具有大的折射率(n＝2.1～2.5)、在宽波段(0.5μm～20μm)具有优异的红外透过率、化学稳定性和抗水、抗空气的腐蚀性较好，因此硫系玻璃在红外光学、光电子和半导体材料等领域已得到了实际的应用，尤其在红外热成像技术领域，硫系玻璃将会呈现广泛的应用前景。
然而，现有硫系玻璃的制备仍然存在一些不足之处：
首先，红外透过率由于受到玻璃内杂质的不利影响，以致于不同位置存在有各种硫系玻璃元素的氧化物吸收带及氢化物吸收带，这些吸收带严重地影响着红外区域的透过率；玻璃内的杂质主要来源于硫系玻璃原料、硫系玻璃原料的表面、石英安瓿以及封接过程，这导致所制备硫系玻璃的提纯成为硫系玻璃制备工艺中的一大技术问题；
其次，现有制备硫系玻璃的装置结构单一，工艺周期长，每次制备操作只能得到一份硫系玻璃产品，制备效率低，并且所得硫系玻璃产品的纯度比较低，这也成为影响硫系玻璃制备效率的又一技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种多工位快速硫系玻璃熔制方法。该多工位快速硫系玻璃熔制方法既能够有效地分离玻璃内的杂质，提高所得硫系玻璃产品的纯度，又能够利用单次制备操作缩短工艺过程，同时多工位能一次得到多份硫系玻璃产品，从而大大提高硫系玻璃制备的效率。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：多工位快速硫系玻璃熔制方法，其所使用的多工位快速硫系玻璃熔制装置包括第一调速电机、摆动支架以及至少两个炉体；所述第一调速电机通过第一转动轴与摆动支架连接，炉体通过第二转动轴可活动地固定在摆动支架上，以使炉体能够随摆动支架绕着第一转动轴的延长线摆动；所述炉体内具有独立的第一炉膛和第二炉膛，第一炉膛内设置有第一蒸馏管，第二炉膛内设置有第二蒸馏管；第一蒸馏管与第二蒸馏管通过连接管连通；所述第二转动轴的另一端连接有第二调速电机，以使炉体能够绕着第二转动轴摆动；所述第一蒸馏管与第一炉膛之间的空隙、以及第二蒸馏管与第二炉膛之间的空隙均填充有耐高温纤维；所述第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管均为石英玻璃制成；
其特征在于，所述多工位快速硫系玻璃熔制方法依次包括如下步骤1至步骤12：
步骤1，将第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管放入马弗炉，并将马弗炉升温到400℃后保温1小时；然后将马弗炉冷却至室温后取出第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管；
步骤2，将取出的第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管放入按照1:10的体积比例稀释的王水溶液中浸泡3小时，然后倒出其中的酸溶液，并用50℃的蒸馏水分别将第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管涮洗干净，以完成对第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管的清洁；
步骤3，将涮洗干净的第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管均放入温度可控的真空干燥箱，并维持真空干燥箱内的温度在150℃、压强在200Pa，持续烘烤3小时，然后分别将烘烤后的第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管均降温到室温，将第一蒸馏管、第二蒸馏管以及连接管在氢氧火焰下熔接为安瓿瓶备用；
步骤4，将制备硫系玻璃所需的纯度为99.999％的硫系玻璃原料按照预定的摩尔配比转换为质量百分数配比后，称取相应质量的各原料单质并装入第一蒸馏管中，并将除氧剂按照第一蒸馏管内硫系玻璃原料总质量的0.05w％的比例称取后放入到第一蒸馏管中；然后将步骤3处理后的安瓿瓶连接真空泵进行抽真空处理，同时利用温控电炉将安瓿瓶的温度控制在115℃～125℃的范围内，并保温1小时；当安瓿瓶内的压强降低到10-3Pa的时候用氢氧火焰封接，实现对硫系玻璃原料表面残余水以及空气的处理，以维持低氧低真空环境；
步骤5，调整摆动支架处于水平状态后，令第一炉膛和第二炉膛均垂直向下，第一炉膛和第二炉膛的上表面均处于水平位置；将装有硫系玻璃原料及除氧剂的第一蒸馏管放置在第一炉膛中，第二蒸馏管放入第二炉膛内；
步骤6，以2℃/min～4℃/min的升温速率分别将第一炉膛、第二炉膛均升温至250℃，并均分别保温1小时，以使硫系玻璃原料中熔点较低的原料单质与其他硫系玻璃原料单质反应，从而降低安瓿瓶内的蒸汽压力；再以2℃/min～4℃/min的升温速率分别将第一炉膛、第二炉膛均升温至700℃，以令硫系玻璃原料中未反应的原料单质开始熔化反应；第二炉膛维持700℃的温度不变，第一炉膛在保持700℃的温度1小时后升温到950℃；
步骤7，通过控制第二调速电机，使得第一炉膛、第二炉膛均绕第二转动轴的延长线产生摆动，以使第一炉膛、第二炉膛与水平面均保持夹角为30°，且令第二炉膛高于第一炉膛，并使第一炉膛、第二炉膛同时绕第一转动轴以3r/min的速率摇摆，且循环左右摇摆25°；
步骤8，对步骤7中的第一炉膛和第二炉膛均保温3小时，并将第一炉膛内的温度以2℃/min的速率升温至1050℃，将第二炉膛内的温度以2℃/min的速率升温至970℃；
步骤9，通过控制第二调速电机，以使第一炉膛、第二炉膛与水平面均保持夹角为60°，且第一炉膛高于第二炉膛，并使摆动支架以5r/min的摇摆速度左右循环摆动，同时对第一炉膛、第二炉膛均保温10小时；
步骤10，调整第一调速电机，使摆动支架处于水平停止状态，调整第二调速电机以使第一炉膛、第二炉膛均处于水平位置，并使安瓿瓶中的第一蒸馏管和第二蒸馏管处于竖直状态；保持安瓿瓶在当前状态下静止2小时，以排出第二蒸馏管内所产生的气泡；
步骤11，将第一炉膛以5℃/min的速率降温至750℃，将第二炉膛以5℃/min的速率降温至550℃，并对第一炉膛和第二炉膛均分别保温静止4小时；
步骤12，取出安瓿瓶，并对安瓿瓶进行淬冷处理，然后将淬冷处理的安瓿瓶放入退火装置中退火，从而在安瓿瓶中得到高纯硫系玻璃。
进一步地，所述除氧剂为镁条或铝条。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
首先，本发明中的多工位快速硫系玻璃熔制装置包括至少两个相同内部结构的炉体，每个炉体内均具有连通的第一蒸馏管和第二蒸馏管，各炉体均通过对应的第二转动轴可活动地固定在同一个摆动支架上，摆动支架通过第一转动轴连接着第一调速电机，同时，各炉体还通过对应的第二转动轴各自独立地连接着第二调速电机。这样，就形成了针对硫系玻璃熔制的多工位，实现了一次熔制过程便可以得到多份硫系玻璃产品，大大提高了硫系玻璃的熔制效率；
其次，通过调整第一调速电机，可以使得各炉体能够一起随着摆动支架绕着第一转动轴延长线摆动；通过调整第二调速电机，又可以使得每一个炉体绕着对应的第二转动轴摆动，从而实现了每个炉体在多个方向上的摆动，以对第一蒸馏管、第二蒸馏管内的物质分别作均匀的混合效果，以保证第一蒸馏管以及第二蒸馏管内物质的充分反应；
再次，利用本发明中的多工位快速硫系玻璃熔制装置制备硫系玻璃的过程中，将第一蒸馏管和第二蒸馏管分别固定在两个不同温度的炉膛内，第一蒸馏管、第二蒸馏管以及连通两个蒸馏管的连接管均经氢氧火焰下熔接为安瓿瓶，通过调整控制两个炉膛之间的温度差来实现对所制备玻璃的提纯效果，并且也实现了仅需要一次熔制操作缩短工艺过程，同时多工位能一次即可得到多份高纯度硫系玻璃的效果，大大提高了高纯硫系玻璃的纯度和制备效率。
附图说明
图1为本发明中多工位快速硫系玻璃熔制装置的结构示意图；
图2为图1所示多工位快速硫系玻璃熔制装置沿线A-A的剖视图；
图3为本发明中多工位快速硫系玻璃熔制方法的流程示意图。
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
如图1和图2所示，本实施例一中的多工位快速硫系玻璃熔制装置包括第一调速电机2、摆动支架3以及至少两个炉体1；第一调速电机2通过第一转动轴20与摆动支架3连接，摆动支架3可以在第一调速电机2的带动下绕着第一转动轴20摆动；炉体1通过第二转动轴4可活动地固定在摆动支架3上，以使炉体1能够随摆动支架3绕着第一转动轴20的延长线摆动，例如炉体1可以在第一转动轴20的延长线的两侧进行来回摆动；炉体1内具有独立的第一炉膛和第二炉膛，第一炉膛内设置有第一蒸馏管11，第二炉膛内设置有第二蒸馏管12；第一蒸馏管11与第二蒸馏管12通过连接管13连通，第一蒸馏管11在使用时用来放置硫系玻璃原料，第二蒸馏管12则用以作为提纯玻璃管使用；第一蒸馏管11、第二蒸馏管12以及连接管13经过熔接处理后称为安瓿瓶；第二转动轴4的另一端连接有第二调速电机5，以使炉体1能够绕着第二转动轴4摆动；每一个炉体1都独立地通过对应的第二转动轴4连接着第二调速电机5，这样使得每一个炉体1均能够在对应第二调速电机5的带动下绕着第二转动轴4摆动；第一蒸馏管11与第一炉膛之间的空隙、以及第二蒸馏管12与第二炉膛之间的空隙均填充有耐高温纤维；填充的耐高温纤维可以确保对应的第一蒸馏管11以及第二蒸馏管12不会被高温所损坏；第一蒸馏管11、第二蒸馏管12和连接管13均为石英玻璃制成。由于本实施例一中的硫系玻璃熔制装置包括了至少两个相同内部结构的炉体1，所以形成了针对硫系玻璃熔制的多工位，实现了一次熔制过程便可以得到多份硫系玻璃产品，大大提高了硫系玻璃的熔制效率；通过调整第一调速电机2，可以使得各炉体1能够一起随着摆动支架3绕着第一转动轴20延长线摆动；同时通过调整第二调速电机5，又可以使得每一个炉体1绕着对应的第二转动轴4摆动，从而实现了每个炉体在多个方向上的摆动，以对第一蒸馏管11、第二蒸馏管12内的物质分别作均匀的混合效果，以保证第一蒸馏管11以及第二蒸馏管12内物质的充分反应。
实施例二
使用实施例一中的多工位快速硫系玻璃熔制装置制备Ge30Sb10Se60玻璃。本实施例二中制备Ge30Sb10Se60玻璃的过程依次包括如下步骤1至步骤12：
步骤1，将第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管放入马弗炉，并将马弗炉升温到400℃后保温1小时，使第一蒸馏管表面、第二蒸馏管表面以及连接管表面上的有机物由于高温碳化或者由于高温产生二氧化碳等气体挥发；然后将马弗炉冷却至室温后取出第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管；
步骤2，将取出的第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管放入按照1:10的体积比例稀释的王水溶液中浸泡3小时，以分别去除第一蒸馏管表面、第二蒸馏管表面和连接管表面上残留的无机物，然后倒出其中的酸溶液，并用50℃的蒸馏水分别将第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管涮洗干净，以完成对第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管的清洁；
步骤3，将涮洗干净的第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管均放入温度可控的真空干燥箱，并维持真空干燥箱内的温度在150℃、压强在200Pa，持续烘烤3小时，然后分别将烘烤后的第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管均降温到室温，将第一蒸馏管、第二蒸馏管以及连接管在氢氧火焰下熔接为安瓿瓶备用；其中，真空干燥箱内150℃的高温以及200Pa的低压环境更有利于残留在第一蒸馏管表面、第二蒸馏管表面上的水以蒸汽的形式挥发掉；本发明中的安瓿瓶是指经氢氧火焰熔接处理后的第一蒸馏管、第二蒸馏管以及连接管；第一蒸馏管、连接管以及第二蒸馏管这三部分被熔接成了一个整体；
步骤4，将制备硫系玻璃所需的纯度为99.999％的锗、锑、硒原料按照预定的摩尔配比转换为30％、10％和60％的质量百分数配比100克后，称取相应的30克锗原料单质、10克锑原料单质和60克硒原料单质并装入第一蒸馏管中，并将除氧剂按照第一蒸馏管内硫系玻璃原料总质量100克的0.05w％的比例称取后放入到第一蒸馏管中，即将0.05克的除氧剂放入到第一蒸馏管中；然后将步骤3处理后的安瓿瓶连接真空泵进行抽真空处理，同时利用温控电炉将安瓿瓶的温度控制在115℃，并保温1小时；安瓿瓶的温度过高会导致熔沸点较低的硒原料单质汽化，安瓿瓶的温度较低则不利于水汽的挥发；当安瓿瓶内的压强降低到10-3Pa的时候用氢氧火焰封接，实现对硫系玻璃原料中锗原料表面、锑原料表面以及硒原料表面残余水的处理，以维持低氧低真空环境；其中，除氧剂可以选择采用镁条或者铝条等易于氧气发生反应且可以生成高熔点氧化物的活性物质；例如镁条和氧气反应后会生成氧化镁(MgO)，氧化镁具有非常高的熔点，熔点约为2852℃，沸点3600℃，因此利用镁条作为除氧剂可以有效地去除第一蒸馏管内的氧气，并且生成不易受高温加热影响的氧化镁；铝条与氧气反应后生成氧化铝(Al2O3)，氧化铝的熔点约为2000℃，可见利用铝条作为除氧剂可以有效地去除第一蒸馏管内的氧气，并且生成不易受高温加热影响的氧化铝；
步骤5，调整摆动支架处于水平状态后，令第一炉膛和第二炉膛均垂直向下，第一炉膛和第二炉膛的上表面均处于水平位置；将装有硫系玻璃原料及除氧剂的第一蒸馏管放置在第一炉膛中，第二蒸馏管放入第二炉膛内；
步骤6，以2℃/min的升温速率分别将第一炉膛、第二炉膛均升温至250℃，并均分别保温1小时，以使熔点较低的硒原料单质与锗原料单质、锑原料单质反应，从而降低安瓿瓶内的蒸汽压力；
再以2℃/min的升温速率分别将第一炉膛、第二炉膛均升温至700℃，以令硫系玻璃原料中未反应的硫系玻璃原料开始熔化反应；第二炉膛维持700℃的温度不变，第一炉膛在保持700℃的温度1小时后升温到950℃，此时第一炉膛和第二炉膛两者之间所形成的温差可以使参与反应的硒原料单质、锑原料单质、锗原料单质以蒸汽的形式进入第二蒸馏管中，蒸汽遇冷变成液体后停留在第二蒸馏管中；
步骤7，通过控制第二调速电机，使得第一炉膛、第二炉膛均绕第二转动轴的延长线产生摆动，以使第一炉膛、第二炉膛与水平面均保持夹角为30°，且令第二炉膛高于第一炉膛，并使第一炉膛、第二炉膛同时绕第一转动轴以3r/min的速率摇摆，且循环左右摇摆25°，以实现第一炉膛内的除氧剂与硫系玻璃原料中锗原料单质、锑原料单质、硒原料单质充分接触，硒原料单质、锑原料单质以及锗原料单质之间的充分接触反应；氧与除氧剂发生反应生成高温难熔化合物以固体形式残留在第一蒸馏管中，汽化温度较低的硫系玻璃原料则被蒸馏到位于第二炉膛的第二蒸馏管中，从而达到除氧的目的；其中，第二炉膛高于第一炉膛可以防止液态的各硫系玻璃原料通过连接管直接流入到第二蒸馏管中；
步骤8，对步骤7中的第一炉膛和第二炉膛均保温3小时，并将第一炉膛内的温度以2℃/min的速率升温至1050℃，将第二炉膛内的温度以2℃/min的速率升温至970℃；其中，第二炉膛温度较低可以防止原料蒸汽返回沉积在第一蒸馏管中，同时高温的原料蒸汽进入第一蒸馏管会继续和未反应的除氧剂反应，此时反应生成的固态氧化物会残留在第一蒸馏管中；
步骤9，通过控制第二调速电机，以使第一炉膛、第二炉膛与水平面均保持夹角为60°，且第一炉膛高于第二炉膛，并使摆动支架以5r/min的摇摆速度左右循环摆动，同时对第一炉膛、第二炉膛均保温10小时；其中，此时的第一炉膛高于第二炉膛设置可以防止液态的各硫系玻璃原料回流到第一蒸馏管中；
步骤10，调整第一调速电机，使摆动支架处于水平停止状态，调整第二调速电机以使第一炉膛、第二炉膛均处于水平位置，并使安瓿瓶中的第一蒸馏管和第二蒸馏管处于竖直状态；保持安瓿瓶在当前状态下静止2小时，以排出第二蒸馏管内所产生的气泡；
步骤11，将第一炉膛以5℃/min的速率降温至750℃，将第二炉膛以5℃/min的速率降温至550℃，并对第一炉膛和第二炉膛均分别保温静止4小时；相对于传统的硫系玻璃熔制方法，这样可以将混入硫系玻璃液态原料中的气泡通过利用气泡自身的浮力上浮到第二蒸馏管上部空间，以排除第二蒸馏管内部所产生气泡对硫系玻璃产品所带来的缺陷；这是因为一旦初步得到的硫系玻璃产品内部含有气泡时，会导致最终得到的硫系玻璃产品的强度降低、折射率下降，从而严重地影响硫系玻璃产品的整体质量；本实施例步骤11中所采取的措施则可以很好地消除第二蒸馏管内气泡对硫系玻璃产品质量的影响，提高了产品质量；
步骤12，取出安瓿瓶，并对安瓿瓶进行淬冷处理，然后将淬冷处理的安瓿瓶放入退火装置中退火，从而在安瓿瓶中得到高纯度的Ge30Sb10Se60玻璃。由于每个炉体内均设置有相同的炉体内部结构，从而实现了仅需要一次熔制操作即可得到多份高纯度Ge30Sb10Se60玻璃的效果，大大提高了高纯硫系玻璃的制备效率和硫系玻璃的纯度。
实施例三
使用实施例一中的多工位快速硫系玻璃熔制装置制备Ge20Ga5Se75玻璃。本实施例三中制备Ge20Ga5Se75玻璃的过程依次包括如下步骤1至步骤12：
步骤1，将第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管放入马弗炉，并将马弗炉升温到400℃后保温1小时，使第一蒸馏管表面、第二蒸馏管表面以及连接管表面上的有机物由于高温碳化或者由于高温产生二氧化碳等气体挥发；然后将马弗炉冷却至室温后取出第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管；
步骤2，将取出的第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管放入按照1:10的体积比例稀释的王水溶液中浸泡3小时，以分别去除第一蒸馏管表面、第二蒸馏管表面和连接管表面上残留的无机物，然后倒出其中的酸溶液，并用50℃的蒸馏水分别将第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管涮洗干净，以完成对第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管的清洁；
步骤3，将涮洗干净的第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管均放入温度可控的真空干燥箱，并维持真空干燥箱内的温度在150℃、压强在200Pa，持续烘烤3小时，然后分别将烘烤后的第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管均降温到室温，将第一蒸馏管、第二蒸馏管以及连接管在氢氧火焰下熔接为安瓿瓶备用；其中，真空干燥箱内150℃的高温以及200Pa的低压环境更有利于残留在第一蒸馏管表面、第二蒸馏管表面上的水以蒸汽的形式挥发掉；
步骤4，将制备硫系玻璃所需的纯度为99.999％的锗、镓、硒原料按照预定的摩尔配比转换为20％、5％和75％的质量百分数配比50克后，称取相应的10克锗原料单质、2.5克镓原料单质和37.5克硒原料单质并装入第一蒸馏管中，并将除氧剂按照第一蒸馏管内硫系玻璃原料总质量50克的0.05w％的比例称取后放入到第一蒸馏管中，即将0.025克的除氧剂放入到第一蒸馏管中；然后将步骤3处理后的安瓿瓶连接真空泵进行抽真空处理，同时利用温控电炉将安瓿瓶的温度控制在120℃，并保温1小时；安瓿瓶的温度过高会导致熔沸点较低的硒原料单质汽化，安瓿瓶的温度较低则不利于水汽的挥发；当安瓿瓶内的压强降低到10-3Pa的时候用氢氧火焰封接，实现对硫系玻璃原料中锗原料表面、镓原料表面以及硒原料表面残余水的处理，以维持低氧低真空环境；其中，除氧剂可以选择采用镁条或者铝条等易于氧气发生反应且可以生成高熔点氧化物的活性物质；
步骤5，调整摆动支架处于水平状态后，令第一炉膛和第二炉膛均垂直向下，第一炉膛和第二炉膛的上表面均处于水平位置；将装有硫系玻璃原料及除氧剂的第一蒸馏管放置在第一炉膛中，第二蒸馏管放入第二炉膛内；
步骤6，以3℃/min的升温速率分别将第一炉膛、第二炉膛均升温至250℃，并均分别保温1小时，以使熔点较低的硒原料单质与锗原料单质、镓原料单质反应，从而降低安瓿瓶内的蒸汽压力；
再以3℃/min的升温速率分别将第一炉膛、第二炉膛均升温至700℃，以令硫系玻璃原料中未反应的硫系玻璃原料开始熔化反应；第二炉膛维持700℃的温度不变，第一炉膛在保持700℃的温度1小时后升温到950℃，此时第一炉膛和第二炉膛两者之间所形成的温差可以使参与反应的硒原料单质、锗原料单质、镓原料单质以蒸汽的形式进入第二蒸馏管中，蒸汽遇冷变成液体后停留在第二蒸馏管中；
步骤7，通过控制第二调速电机，使得第一炉膛、第二炉膛均绕第二转动轴的延长线产生摆动，以使第一炉膛、第二炉膛与水平面均保持夹角为30°，且令第二炉膛高于第一炉膛，并使第一炉膛、第二炉膛同时绕第一转动轴以3r/min的速率摇摆，且循环左右摇摆25°，以实现第一炉膛内的除氧剂与硫系玻璃原料中的锗原料单质、镓原料单质、硒原料单质充分接触，锗原料单质、镓原料单质以及硒原料单质之间的充分接触反应；氧与除氧剂发生反应生成高温难熔化合物以固体形式残留在第一蒸馏管中，汽化温度较低的硫系玻璃原料则被蒸馏到位于第二炉膛的第二蒸馏管中，从而达到除氧的目的；其中，第二炉膛高于第一炉膛可以防止液态的各硫系玻璃原料通过连接管直接流入到第二蒸馏管中；
步骤8，对步骤7中的第一炉膛和第二炉膛均保温3小时，并将第一炉膛内的温度以2℃/min的速率升温至1050℃，将第二炉膛内的温度以2℃/min的速率升温至970℃；其中，第二炉膛温度较低可以防止原料蒸汽返回沉积在第一蒸馏管中，同时高温的原料蒸汽进入第一蒸馏管会继续和未反应的除氧剂反应，此时反应生成的固态氧化物会残留在第一蒸馏管中；
步骤9，通过控制第二调速电机，以使第一炉膛、第二炉膛与水平面均保持夹角为60°，且第一炉膛高于第二炉膛，并使摆动支架以5r/min的摇摆速度左右循环摆动，同时对第一炉膛、第二炉膛均保温10小时；其中，此时的第一炉膛高于第二炉膛设置可以防止液态的各硫系玻璃原料回流到第一蒸馏管中；
步骤10，调整第一调速电机，使摆动支架处于水平停止状态，调整第二调速电机以使第一炉膛、第二炉膛均处于水平位置，并使安瓿瓶中的第一蒸馏管和第二蒸馏管处于竖直状态；保持安瓿瓶在当前状态下静止2小时，以排出第二蒸馏管内所产生的气泡；
步骤11，将第一炉膛以5℃/min的速率降温至750℃，将第二炉膛以5℃/min的速率降温至550℃，并对第一炉膛和第二炉膛均分别保温静止4小时；这样可以将混入硫系玻璃液态原料中的气泡通过利用气泡自身的浮力上浮到第二蒸馏管上部空间，以排除第二蒸馏管内部所产生气泡对硫系玻璃产品所带来的缺陷；
步骤12，取出安瓿瓶，并对安瓿瓶进行淬冷处理，然后将淬冷处理的安瓿瓶放入退火装置中退火，从而在安瓿瓶中得到高纯度的Ge20Ga5Se75玻璃。由于每个炉体内均设置有相同的炉体内部结构，从而实现了仅需要一次熔制操作即可得到多份高纯度Ge20Ga5Se75玻璃的效果，大大提高了高纯硫系玻璃的制备效率和硫系玻璃的纯度。
实施例四
使用实施例一中的多工位快速硫系玻璃熔制装置制备Ge25Ga15Se60玻璃。本实施例四中制备Ge25Ga15Se60玻璃的过程依次包括如下步骤1至步骤12：
步骤1，将第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管放入马弗炉，并将马弗炉升温到400℃后保温1小时，使第一蒸馏管表面、第二蒸馏管表面以及连接管表面上的有机物由于高温碳化或者由于高温产生二氧化碳等气体挥发；然后将马弗炉冷却至室温后取出第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管；
步骤2，将取出的第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管放入按照1:10的体积比例稀释的王水溶液中浸泡3小时，以分别去除第一蒸馏管表面、第二蒸馏管表面和连接管表面上残留的无机物，然后倒出其中的酸溶液，并用50℃的蒸馏水分别将第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管涮洗干净，以完成对第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管的清洁；
步骤3，将涮洗干净的第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管均放入温度可控的真空干燥箱，并维持真空干燥箱内的温度在150℃、压强在200Pa，持续烘烤3小时，然后分别将烘烤后的第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管均降温到室温，将第一蒸馏管、第二蒸馏管以及连接管在氢氧火焰下熔接为安瓿瓶备用；其中，真空干燥箱内150℃的高温以及200Pa的低压环境更有利于残留在第一蒸馏管表面、第二蒸馏管表面上的水以蒸汽的形式挥发掉；
步骤4，将制备硫系玻璃所需的纯度为99.999％的锗、镓、硒原料按照预定的摩尔配比转换为25％、15％和60％的质量百分数配比200克后，称取相应的50克锗原料单质、30克镓原料单质和120克硒原料单质并装入第一蒸馏管中，并将除氧剂按照第一蒸馏管内硫系玻璃原料总质量200克的0.05w％的比例称取后放入到第一蒸馏管中，即将0.1克的除氧剂放入到第一蒸馏管中；然后将步骤3处理后的安瓿瓶连接真空泵进行抽真空处理，同时利用温控电炉将安瓿瓶的温度控制在125℃，并保温1小时；安瓿瓶的温度过高会导致熔沸点较低的硒原料单质汽化，安瓿瓶的温度较低则不利于水汽的挥发；当安瓿瓶内的压强降低到10-3Pa的时候用氢氧火焰封接，实现对硫系玻璃原料中锗原料表面、镓原料表面以及硒原料表面残余水的处理，以维持低氧低真空环境；其中，除氧剂可以选择采用镁条或者铝条等易于氧气发生反应且可以生成高熔点氧化物的活性物质；
步骤5，调整摆动支架处于水平状态后，令第一炉膛和第二炉膛均垂直向下，第一炉膛和第二炉膛的上表面均处于水平位置；将装有硫系玻璃原料及除氧剂的第一蒸馏管放置在第一炉膛中，第二蒸馏管放入第二炉膛内；
步骤6，以4℃/min的升温速率分别将第一炉膛、第二炉膛均升温至250℃，并均分别保温1小时，以使熔点较低的硒原料单质与锗原料单质、镓原料单质反应，从而降低安瓿瓶内的蒸汽压力；
再以4℃/min的升温速率分别将第一炉膛、第二炉膛均升温至700℃，以令硫系玻璃原料中未反应的硫系玻璃原料开始熔化反应；第二炉膛维持700℃的温度不变，第一炉膛在保持700℃的温度1小时后升温到950℃，此时第一炉膛和第二炉膛两者之间所形成的温差可以使参与反应的硒原料单质、锗原料单质、镓原料单质以蒸汽的形式进入第二蒸馏管中，蒸汽遇冷变成液体后停留在第二蒸馏管中；
步骤7，通过控制第二调速电机，使得第一炉膛、第二炉膛均绕第二转动轴的延长线产生摆动，以使第一炉膛、第二炉膛与水平面均保持夹角为30°，且令第二炉膛高于第一炉膛，并使第一炉膛、第二炉膛同时绕第一转动轴以3r/min的速率摇摆，且循环左右摇摆25°，以实现第一炉膛内的除氧剂与硫系玻璃原料中锗原料单质、镓原料单、硒原料单充分接触，锗原料单质、镓原料单质以及硒原料单质之间的充分接触反应；氧与除氧剂发生反应生成高温难熔化合物以固体形式残留在第一蒸馏管中，汽化温度较低的硫系玻璃原料则被蒸馏到位于第二炉膛的第二蒸馏管中，从而达到除氧的目的；其中，第二炉膛高于第一炉膛可以防止液态的各硫系玻璃原料通过连接管直接流入到第二蒸馏管中；
步骤8，对步骤7中的第一炉膛和第二炉膛均保温3小时，并将第一炉膛内的温度以2℃/min的速率升温至1050℃，将第二炉膛内的温度以2℃/min的速率升温至970℃；其中，第二炉膛温度较低可以防止原料蒸汽返回沉积在第一蒸馏管中，同时高温的原料蒸汽进入第一蒸馏管会继续和未反应的除氧剂反应，此时反应生成的固态氧化物会残留在第一蒸馏管中；
步骤9，通过控制第二调速电机，以使第一炉膛、第二炉膛与水平面均保持夹角为60°，且第一炉膛高于第二炉膛，并使摆动支架以5r/min的摇摆速度左右循环摆动，同时对第一炉膛、第二炉膛均保温10小时；其中，此时的第一炉膛高于第二炉膛设置可以防止液态的各硫系玻璃原料回流到第一蒸馏管中；
步骤10，调整第一调速电机，使摆动支架处于水平停止状态，调整第二调速电机以使第一炉膛、第二炉膛均处于水平位置，并使安瓿瓶中的第一蒸馏管和第二蒸馏管处于竖直状态；保持安瓿瓶在当前状态下静止2小时，以排出第二蒸馏管内所产生的气泡；
步骤11，将第一炉膛以5℃/min的速率降温至750℃，将第二炉膛以5℃/min的速率降温至550℃，并对第一炉膛和第二炉膛均分别保温静止4小时；这样可以将混入硫系玻璃液态原料中的气泡通过利用气泡自身的浮力上浮到第二蒸馏管上部空间，以排除第二蒸馏管内部所产生气泡对硫系玻璃产品所带来的缺陷；
步骤12，取出安瓿瓶，并对安瓿瓶进行淬冷处理，然后将淬冷处理的安瓿瓶放入退火装置中退火，从而在安瓿瓶中得到高纯度的Ge25Ga15Se60玻璃。由于每个炉体内均设置有相同的炉体内部结构，从而实现了仅需要一次熔制操作即可得到多份高纯度Ge25Ga15Se60玻璃的效果，大大提高了高纯硫系玻璃的制备效率和硫系玻璃的纯度。
Claims (2)
1.多工位快速硫系玻璃熔制方法，其所使用的多工位快速硫系玻璃熔制装置包括第一调速电机(2)、摆动支架(3)以及至少两个炉体(1)；所述第一调速电机(2)通过第一转动轴(20)与摆动支架(3)连接，炉体(1)通过第二转动轴(4)可活动地固定在摆动支架(3)上，以使炉体(1)能够随摆动支架(3)绕着第一转动轴(20)的延长线摆动；所述炉体(1)内具有独立的第一炉膛和第二炉膛，第一炉膛内设置有第一蒸馏管(11)，第二炉膛内设置有第二蒸馏管(12)；第一蒸馏管(11)与第二蒸馏管(12)通过连接管(13)连通；所述第二转动轴(4)的另一端连接有第二调速电机(5)，以使炉体(1)能够绕着第二转动轴(4)摆动；所述第一蒸馏管(11)与第一炉膛之间的空隙、以及第二蒸馏管(12)与第二炉膛之间的空隙均填充有耐高温纤维；所述第一蒸馏管(11)、第二蒸馏管(12)和连接管(13)均为石英玻璃制成；
其特征在于，所述多工位快速硫系玻璃熔制方法依次包括如下步骤1至步骤12：
步骤1，将第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管放入马弗炉，并将马弗炉升温到400℃后保温1小时；然后将马弗炉冷却至室温后取出第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管；
步骤2，将取出的第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管放入按照1:10的体积比例稀释的王水溶液中浸泡3小时，然后倒出其中的酸溶液，并用50℃的蒸馏水分别将第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管涮洗干净，以完成对第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管的清洁；
步骤3，将涮洗干净的第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管均放入温度可控的真空干燥箱，并维持真空干燥箱内的温度在150℃、压强在200Pa，持续烘烤3小时，然后分别将烘烤后的第一蒸馏管、第二蒸馏管和连接管均降温到室温，将第一蒸馏管、第二蒸馏管以及连接管在氢氧火焰下熔接为安瓿瓶备用；
步骤4，将制备硫系玻璃所需的纯度为99.999％的硫系玻璃原料按照预定的摩尔配比转换为质量百分数配比后，称取相应质量的各原料单质并装入第一蒸馏管中，并将除氧剂按照第一蒸馏管内硫系玻璃原料总质量的0.05w％的比例称取后放入到第一蒸馏管中；然后将步骤3处理后的安瓿瓶连接真空泵进行抽真空处理，同时利用温控电炉将安瓿瓶的温度控制在115℃～125℃的范围内，并保温1小时；当安瓿瓶内的压强降低到10-3Pa的时候用氢氧火焰封接，实现对硫系玻璃原料表面残余水以及空气的处理，以维持低氧低真空环境；
步骤5，调整摆动支架处于水平状态后，令第一炉膛和第二炉膛均垂直向下，第一炉膛和第二炉膛的上表面均处于水平位置；将装有硫系玻璃原料及除氧剂的第一蒸馏管放置在第一炉膛中，第二蒸馏管放入第二炉膛内；
步骤6，以2℃/min～4℃/min的升温速率分别将第一炉膛、第二炉膛均升温至250℃，并均分别保温1小时，以使硫系玻璃原料中熔点较低的原料单质与其他硫系玻璃原料单质反应，从而降低安瓿瓶内的蒸汽压力；再以2℃/min～4℃/min的升温速率分别将第一炉膛、第二炉膛均升温至700℃，以令硫系玻璃原料中未反应的原料单质开始熔化反应；第二炉膛维持700℃的温度不变，第一炉膛在保持700℃的温度1小时后升温到950℃；
步骤7，通过控制第二调速电机，使得第一炉膛、第二炉膛均绕第二转动轴的延长线产生摆动，以使第一炉膛、第二炉膛与水平面均保持夹角为30°，且令第二炉膛高于第一炉膛，并使第一炉膛、第二炉膛同时绕第一转动轴以3r/min的速率摇摆，且循环左右摇摆25°；
步骤8，对步骤7中的第一炉膛和第二炉膛均保温3小时，并将第一炉膛内的温度以2℃/min的速率升温至1050℃，将第二炉膛内的温度以2℃/min的速率升温至970℃；
步骤9，通过控制第二调速电机，以使第一炉膛、第二炉膛与水平面均保持夹角为60°，且第一炉膛高于第二炉膛，并使摆动支架以5r/min的摇摆速度左右循环摆动，同时对第一炉膛、第二炉膛均保温10小时；
步骤10，调整第一调速电机，使摆动支架处于水平停止状态，调整第二调速电机以使第一炉膛、第二炉膛均处于水平位置，并使安瓿瓶中的第一蒸馏管和第二蒸馏管处于竖直状态；保持安瓿瓶在当前状态下静止2小时，以排出第二蒸馏管内所产生的气泡；
步骤11，将第一炉膛以5℃/min的速率降温至750℃，将第二炉膛以5℃/min的速率降温至550℃，并对第一炉膛和第二炉膛均分别保温静止4小时；
步骤12，取出安瓿瓶，并对安瓿瓶进行淬冷处理，然后将淬冷处理的安瓿瓶放入退火装置中退火，从而在安瓿瓶中得到高纯硫系玻璃。
2.根据权利要求1所述的多工位快速硫系玻璃熔制方法，其特征在于，所述除氧剂为镁条或铝条。
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