專利名稱：一種低成本全波段光窗玻璃材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低成本全波段光窗玻璃材料及其制備方法，屬于玻璃和光窗材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
除可見光窗口以外，大氣還有1～3μm，3～5μm和8～14μm三個(gè)重要紅外窗口，它們?cè)诩t外探測(cè)、紅外制導(dǎo)、紅外瞄準(zhǔn)和熱成像等方面具有極其重要的應(yīng)用背景。絕大多數(shù)在紅外窗口(特別是8～14μm窗口)具有優(yōu)異透光性能的材料不透可見光，這使得目前大部分工作在紅外波段的光學(xué)儀器和工作在可見光波段的光學(xué)設(shè)備難以結(jié)合，即它們各有一套完整獨(dú)立的工作系統(tǒng)。如果一種材料在大氣的三個(gè)紅外窗口和可見光區(qū)域均有較好的透過性能(即全波段光窗材料)，它就可能使獨(dú)立的紅外系統(tǒng)和可見光系統(tǒng)聯(lián)合，大大簡化系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)改善紅外系統(tǒng)的圖像質(zhì)量控制。
目前，商用的全波段光窗材料極少，主要是CVD ZnSe多晶，它的透光范圍為0.5～22μm。然而，CVD ZnSe質(zhì)地軟、成型難，并且價(jià)格昂貴。這些缺點(diǎn)限制了其許多方面的應(yīng)用。
玻璃具有易制備、易成型、成分可調(diào)、易消除色散、透光性好等優(yōu)點(diǎn)，一直都是比較理想的光窗材料。我們最近研制的新型全波段光窗玻璃材料GeSe2-Ga2Se3-CsI(Br)玻璃(中國專利申請(qǐng)?zhí)?00610024707.1)在0.6-14μm波段內(nèi)均具有優(yōu)異的透光性，有望滿足使用要求，然而，合成這種玻璃需要價(jià)格昂貴的CsI或CsBr。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種較低成本的全波段光窗玻璃材料。
硒化物硫系玻璃在大氣的三個(gè)紅外窗口均具有較佳的透光性，最近，法國RENNES1大學(xué)和Umicore公司制造的Ge-As-Te-Se等硫系玻璃(牌號(hào)GASIR1和GASIR2)紅外夜視儀鏡頭已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用。然而，硒化物硫系玻璃的短波吸收限波長大于0.8μm，不透可見光。鹵化物的引入有利于硫系玻璃的短波吸收限波長向可見光方向位移，并且鹵化物在硫系玻璃中具有較大的溶解度。如果選擇合適的硒化物玻璃系統(tǒng)，引入較大量的鹵化物后(即硫系鹵化物玻璃)可能使玻璃的短波吸收限波長移至可見光。我們最近合成的GeSe2-Ga2Se3-CsI(Br)玻璃證實(shí)了這一點(diǎn)，但CsI和CsBr的價(jià)格昂貴，使這種全波段光窗材料成本較高。其它堿金屬鹵化物KI、KBr、KCl、NaI、NaBr和NaCl的價(jià)格要便宜得多。盡管它們的化學(xué)鍵的離子性較強(qiáng)，也有可能通過引入適量這些便宜的堿金屬鹵化物到Ge-Ga-Se玻璃中使其短波吸收限波長移至可見光。
本發(fā)明是向Ge-Ga-Se硫系玻璃系統(tǒng)中引入了適量的MX(M＝K，Na；X＝I，Br，Cl) 而形成的一類新型硫系鹵化物玻璃。此系統(tǒng)玻璃的組成設(shè)計(jì)兼顧了玻璃的形成能力、透光性及熱機(jī)械性能。
本發(fā)明所指的硫系鹵化物玻璃的化學(xué)組成為(100-x-y-z)Ge-xGa-ySe-zMX(M＝K，Na；X＝I，Br，Cl)，其中，5≤x≤30，45≤y≤65，5≤z≤20。
上述玻璃的顏色為淺紅色～深紅色，具有較好的透可見光性質(zhì)。短波吸收限波長為550nm～680nm，長波截至波長為～15.8μm；玻璃轉(zhuǎn)變溫度為290～350℃；顯微硬度為100～160kg/mm2。是一種有希望滿足應(yīng)用要求的成本較低的全波段光窗玻璃材料。
該玻璃的制備方法是以高純(≥99.99％)單質(zhì)Ge、Ga、Se和純度≥99.9％的化合物KI(經(jīng)除水處理)為原料按照上述組成進(jìn)行玻璃混合料配制；將配合料裝入經(jīng)脫羥基處理的石英安瓿中抽真空封接；將封接好的裝有玻璃混合料的石英安瓿放入搖擺爐中，緩慢升溫至900～1000℃，保溫2～24h后取出在空氣中冷卻；將剛冷卻后的石英安瓿移至300～500℃的退火爐中保溫1～4h進(jìn)行退火處理，之后使石英安瓿隨爐緩慢冷卻至室溫。


圖1是玻璃組成為20.37Ge-11.11Ga-57.41Se-11.11KI樣品的可見-近紅外透過光譜(玻璃的厚度為2.5mm)，表明該玻璃在此波段具有較好的透光性，其短波吸收限波長為～615nm。
圖2是玻璃組成為20.37Ge-11.11Ga-57.41Se-11.11KI樣品的紅外透過光譜(玻璃的厚度為2.5mm)，表明該玻璃在此波段具有較好的透光性，其長波截至波長為～16μm。
具體實(shí)施例方式
下面將通過實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，但本發(fā)明并非局限于所舉之例。
實(shí)施例1玻璃組成為20.37Ge-11.11Ga-57.41Se-11.11KI以高純(≥99.999％)單質(zhì)Ge、Ga、Se和純度≥99.9％的化合物KI(經(jīng)除水處理)為原料按照上述組成進(jìn)行玻璃混合料配制；將配合料裝入經(jīng)脫羥基處理的石英安瓿中抽真空(≤10-2Pa)封接；將封接好的裝有玻璃混合料的石英安瓿放入搖擺爐中，緩慢升溫至950℃，保溫12h后取出在空氣中冷卻；將剛冷卻后的石英安瓿移至320℃的爐子中保溫2h進(jìn)行退火處理，之后使石英安瓿隨爐緩慢冷卻至室溫。將樣品從石英安瓿中取出，切割、研磨和雙面拋光后進(jìn)行性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示玻璃的轉(zhuǎn)變溫度Tg為298℃(升溫速率為10℃/min)，玻璃的析晶起始溫度Tx為401℃；顯微硬度為～115kg/mm2(50g力，加載10s)；在1.0μm波長處的折射率為2.168；短波吸收限波長為～615nm，長波截至波長為～16μm，透光性能可參考附圖1和2。
實(shí)施例2
玻璃組成為14.29Ge-17.85Ga-55.36Se-12.5KBr玻璃的制備方法同實(shí)施例1，測(cè)試結(jié)果顯示玻璃的轉(zhuǎn)變溫度Tg為301℃，玻璃的析晶起始溫度Tx為400℃；顯微硬度為～120kg/mm2；在1.0μm波長處的折射率為2.116；短波吸收限波長為～590nm，長波截至波長為～16μm。
權(quán)利要求
1.一種低成本全波段光窗玻璃材料，其化學(xué)式為(100-x-y-z)Ge-xGa-ySe-zMX(M＝K，Na；X＝I，Br，Cl)，其中，5≤x≤30，45≤y≤65，5≤z≤20。
2.一種按權(quán)利要求1所述的一種低成本全波段光窗玻璃材料的制備方法，其特征在于以高純單質(zhì)Ge、Ga、Se和化合物KI為原料按照化學(xué)式進(jìn)行玻璃混合料配制；將配合料裝入經(jīng)脫羥基處理的石英安瓿中抽真空封接；將封接好的裝有玻璃混合料的石英安瓿放入搖擺爐中，緩慢升溫至900～1000℃，保溫2～24h后取出在空氣中冷卻；將剛冷卻后的石英安瓿移至退火爐進(jìn)行退火處理，之后使石英安瓿隨爐緩慢冷卻至室溫。
3.按權(quán)利要求2所述的一種低成本全波段光窗玻璃材料的制備方法，其特征在于所述高純單質(zhì)Ge、Ga、Se純度≥99.99％。
4.按權(quán)利要求2所述的一種低成本全波段光窗玻璃材料的制備方法，其特征在于化合物KI的純度≥99.9％并經(jīng)除水處理。
5.按權(quán)利要求2或3或4所述的一種低成本全波段光窗玻璃材料的制備方法，其特征在于退火處理?xiàng)l件為300～500℃的退火爐中保溫1～4h。
6.按權(quán)利要求1所述的一種低成本全波段光窗玻璃材料用于可見光到中遠(yuǎn)紅外14μm全波段光傳輸領(lǐng)域。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低成本全波段光窗玻璃材料及其制備方法，屬于玻璃和光窗材料領(lǐng)域。本發(fā)明玻璃的組成為(100－x－y－z)Ge－xGa－ySe－zMX(M＝K，Na；X＝I，Br，Cl)，其中，5≤x≤30，45≤y≤65，5≤z≤20；采用傳統(tǒng)玻璃制備工藝合成。本發(fā)明合成的硫鹵玻璃的透光范圍為0.6－14μm，涵蓋了可見光及大氣的三個(gè)紅外窗口，轉(zhuǎn)變溫度T
文檔編號(hào)C03C3/32GK101016193SQ20061011943
公開日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2006年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月11日
發(fā)明者楊志勇, 陳瑋, 羅瀾, 唐高 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所