CN108002426A - 一种提高热压硫化锌透过率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高热压硫化锌透过率的方法，在热压前首先通入H₂S和H₂对ZnS进行还原处理，还原后进行热压，具体为：S1、将一定规格的硫化锌均匀装填至模具内；S2、将模具置于热压炉中，以2m³/min速率通入H₂S与H₂的混合气体，同时以2℃/min的速率升温至450℃，并持续保温1h；S3、在450℃恒温条件下抽真空至≤10Pa后，加压至25‑35Mpa，恒温恒压保持1‑1.5h；S4、以5‑8℃/min速率升温至800‑900℃，并加压至55‑75MPa，恒温恒压保持3‑5h；S5、样品随炉冷却退火至200℃以下，取出，脱模，经本申请改性后，平均透过率提高2个百分点。

Description

一种提高热压硫化锌透过率的方法

技术领域

本发明涉及提高提高热压硫化锌透过率的方法。

背景技术

随着航天事业突飞猛进的发展，具有耐高温、高压，抗风蚀、雨蚀，多个波段具有高透过性能的材料受到广泛关注。理想的红外材料应具备从室温到 1000℃具有以下性能：在使用波段具有高透过率、低辐射、低散射、高强度、高热导系数、低膨胀系数、抗风蚀、雨蚀、抗冲击性能较强，耐超声波辐射等。 3-12μm范围内由于硫化锌无明显吸收峰，平均透过率大于70％，采用特殊措施处理成多光谱ZnS后，透光范围扩大为0.37μm-14μm。硫化锌(ZnS)经后期加工镀膜后，透过率可达95.5％以上，且因其具有较小的热膨胀系数、较高的热导率、良好的机械性能使其成为航天领域优异的窗口材料。

目前，ZnS的制备方法有热压(HP)，化学气相沉积法(CVD)，物理气相沉积法(PVD)等方法，较CVD ZnS而言，HP ZnS，具有更小的晶粒尺寸，更强的表面硬度及断裂模量，更因为热压方法较CVD法工艺设备简单、造价低而使其广泛应用具有优势。中国航天科工集团8358研究所发明了HP ZnS的制备方法(CN1064666687A)，将热压后的ZnS经热等静压而制得多光谱ZnS，拓展光谱范围并提高其透过率，随着多晶材料在热等静压过程中结晶趋于完善，透过率明显提升，但材料的硬度、弹性模量、断裂模量等力学性能明显降低，限制了材料在高速飞行设备上的使用。

同时，由于温度、热压过程压力过高，使成型材料与模具粘结不易脱落。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足而提供提高热压硫化锌透过率的方法，解决了透过率不高及模具不易脱落的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种提高热压硫化锌透过率的方法，在热压前首先通入H₂S和H₂对ZnS 进行还原处理，还原后进行热压，具体为：

S1、将一定规格的硫化锌均匀装填至模具内；

S2、将模具置于热压炉中，以2m³/min速率通入H₂S与H₂的混合气体，同时以2℃/min的速率升温至450℃，并持续保温1h；

S3、在450℃恒温条件下抽真空至≤10Pa后，加压至25-35Mpa，恒温恒压保持1-1.5h；

S4、以5-8℃/min速率升温至800-900℃，并加压至55-75MPa，恒温恒压保持3-5h；

S5、样品随炉冷却退火至200℃以下，取出，脱模。

作为本发明所述的提高热压硫化锌透过率的方法的一种优选方案，所述的热压原料硫化锌纯度为4N以上，通过提高ZnS粉末的纯度减少结晶过程中缺陷的形成，进而提高透过率。

普通玻璃在白光波段具有较高的透过率，在红外波段由于其结构特性对光子强烈的吸收、反射、散射等作用而失透。对非金属晶体材料而言，规则有序的原子排布、适宜的禁带宽度使一定波长的光波透过成为可能。ZnS的禁带宽度Eg＝3.65eV，较宽的禁带宽度使光通带截止波段截止至0.4μm，常规工作波段红外波段光波较长能量较小，不足以激发反斯托克斯效应，也不会随着斯托克斯效应而产生荧光。当光波照射晶体时，除了晶体表面的折射、散射、反射、穿过晶体的光波会被部分吸收，能量小于禁带宽度的红外光，主要会被电子、空穴、缺陷、晶格振动(声子)等吸收，ZnS的阴阳离子质数比较大，其化学键较长，振动频率低，晶格震动较弱，声子吸收较小；ZnS中，电子是载流子，半导体晶体体相光吸收电子是主导。晶体的晶面、界面、缺陷部位会成为能量吸收的富集区，一方面是由于晶面、界面强烈的反射和散射作用，另一反面是由于缺陷部位由于存在失配电子而形成电子聚集区，进而成为光能吸收区。若 ZnS原料中存在杂质(ZnO等)、游离氧(OH^-、O^-、O^2-)则中形在结晶过程成缺陷，在禁带中形成杂质浅能级而使吸收波红移，同时降低透过率，因此可以减少结晶缺陷从而提高透过率。

作为本发明所述的提高热压硫化锌透过率的方法的一种优选方案，所述的步骤S2中通入的混合气体中H₂S：H₂为3-5:1。

附图说明

图1是HP热压硫化锌透过率谱线。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

一种提高热压硫化锌透过率的方法的制备方法，在热压前首先通入H₂S和 H₂对ZnS进行还原处理，还原后进行热压，具体为：

S1、将一定规格的硫化锌均匀装填至模具内；

S2、将模具置于热压炉中，以2m³/min速率通入H₂S与H₂的混合气体，同时以2℃/min的速率升温至450℃，并持续保温1h；

S3、在450℃恒温条件下抽真空至≤10Pa后，加压至25-35Mpa，恒温恒压保持1-1.5h；

S4、以5-8℃/min速率升温至800-900℃，并加压至55-75MPa，恒温恒压保持3-5h；

S5、样品随炉冷却退火至200℃以下，取出，脱模，并测其透过率；

S6、热压模具实现清洁。

上述步骤中，热压原料硫化锌的纯度为4N以上。

涉及的化学反应为：

ZnO+H₂S＝ZnS+H₂O

O^2-+H₂＝H₂O

2OH^-+H₂＝2H₂O

实施例1

本实施例的制备方法具体过程为：

将一定规格的4N硫化锌均匀装填至模具内，将模具置于热压炉中，以 2m³/min速率通入H₂S与H₂的混合气体，其中H₂S：H₂为4:1，同时以2℃/min 的速率升温至450℃，并持续保温1h，在450℃恒温条件下抽真空至≤10Pa后，加压至25Mpa，恒温恒压保持1-1.5h，以5-8℃/min速率升温至800℃，并加压至55MPa，恒温恒压保持3-5h，样品随炉冷却退火至200℃以下，取出，脱模，进行光学加工和测试。

实施例2

将一定规格的4N硫化锌均匀装填至模具内，将模具置于热压炉中，以 2m³/min速率通入H₂S与H₂的混合气体，其中H₂S：H₂为3:1，同时以2℃/min 的速率升温至450℃，并持续保温1h，在450℃恒温条件下抽真空至≤10Pa后，加压至35Mpa，恒温恒压保持1-1.5h，以5-8℃/min速率升温至900℃，并加压至75MPa，恒温恒压保持3-5h，样品随炉冷却退火至200℃以下，取出，脱模，进行光学加工和测试。

实施例3

将一定规格的4N硫化锌均匀装填至模具内，将模具置于热压炉中，以 2m³/min速率通入H₂S与H₂的混合气体，其中H₂S：H₂为5:1，同时以2℃/min 的速率升温至450℃，并持续保温1h，在450℃恒温条件下抽真空至≤10Pa后，加压至30Mpa，恒温恒压保持1-1.5h，以5-8℃/min速率升温至850℃，并加压至60MPa，恒温恒压保持3-5h，样品随炉冷却退火至200℃以下，取出，脱模，进行光学加工和测试。

如图1所示，为HP热压硫化锌透过率谱线，其中一条为根据实施例3制备经还原处理的硫化锌透过率，其中另一条为未经还原处理、同等条件下制备的硫化锌透过率，由图中可以看出，经本申请改性后，平均透过率提高2个百分点。

虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种提高热压硫化锌透过率的方法，其特征在于，在热压前首先通入H₂S和H₂对ZnS进行还原处理，还原后进行热压，具体为：

S1、将一定规格的热压原料硫化锌均匀装填至模具内；

S2、将模具置于热压炉中，以2m³/min速率通入H₂S与H₂的混合气体，同时以2℃/min的速率升温至450℃，并持续保温1h；

S3、在450℃恒温条件下抽真空至≤10Pa后，加压至25-35Mpa，恒温恒压保持1-1.5h；

S4、以5-8℃/min速率升温至800-900℃，并加压至55-75MPa，恒温恒压保持3-5h；

S5、样品随炉冷却退火至200℃以下，取出，脱模。

2.根据权利要求1所述的提高热压硫化锌透过率的方法，其特征在于，所述的热压原料硫化锌的纯度为4N以上。

3.根据权利要求3所述的提高热压硫化锌透过率的方法，其特征在于，所述的步骤S2中通入的混合气体中H₂S：H₂为3-5:1。