一种高压原位合成技术制备硫系玻璃制造技术

本公开提供一种块体硫系玻璃的制备方法，制备了As2Se3、As2S3和Ge

【技术实现步骤摘要】
一种高压原位合成技术制备硫系玻璃


[0001]本公开涉及红外玻璃制备
，特别涉及一种硫系玻璃制备方法。

技术介绍

[0002]红外光作为电磁波的一种，是介于可见光与微波之间的非可见光，其波长范围在0.75～1 000μm之间。当红外光照到物体表面时，会发生吸收、反射、透射、折射和散射等现象，因此，随着科技的发展和社会的进步，像红外摄影、红外光谱、红外热成像等有关红外技术的应用，如雨后春笋般涌了出来。
[0003]早在上个世纪50年代，红外技术在军事领域就得到广泛的应用和推广，成为了现代战争保家卫国的重要战术手段。然而，我国对红外技术的研究起步较晚，随着近年来红外技术在军事以及民用领域的普及，掌握先进的红外技术已经成为国家发展和人民生活的重要需求。因此，研发具有自主知识产权的硫系玻璃材料就显得尤为重要。
[0004]硫系玻璃是目前发现用来替代传统红外材料较为理想的候选材料之一，它是指含有一种或多种除氧之外的氧族元素如S、Se、Te等，同时加入As、Ge、Si、Sb等电负性较弱的元素中的一种或多种后而形成的非晶态光学材料。目前，相比于红外晶体材料只能采用单点金刚石车削的非球面加工，硫系玻璃有晶体材料所不具备的精密模压成型的优势，在进行大批量模压生产时可大幅度降低加工成本。硫系玻璃最早于上世纪50年代被开发出来，经过大半个世纪的发展，如今硫系玻璃种类已经非常繁多，它具有超宽的红外透过范围(可达20μm以上)、较低的声子能量(小于350cm
‑1)、非线性光学系数高[n2＝(2～20)
×
10
‑
18
m2/W)]、易光纤化等特点，在生物传感、中红外光子集成、光纤光源、相变材料等领域都将得到极大的关注和广泛的应用。
[0005]硫系玻璃的制备可分为块体制备、光纤加工和薄膜制备。熔融
‑
淬冷法是最为古老也是使用最广泛的硫系玻璃制备方法，该法一般用于制备块体硫系玻璃。利用硫系玻璃材料制备的硫系玻璃光纤，不仅保留着传统光纤体积小、柔韧性好等特点，而且兼备硫系玻璃的特质，如在较长的红外波段内具有优异的传输性能。目前光纤制备方法主要包括双坩埚法、挤压法、管内浇注法。采用硫系玻璃制备硫系玻璃薄膜，大多都是以块体硫系玻璃为原材料，通过一定的技术手段将其制备成薄膜材料。常用的制备方法有热蒸发法、磁控溅射法以及脉冲激光沉积法等。
[0006]近年来，学者们对硫系玻璃制备的研究也是层出不穷。
[0007]如申请号为CN 201510945081.7的专利基于硫系玻璃调控模型和玻璃结构动力学研究，公开了一种Ge
‑
Sn
‑
S硫系玻璃及其制备方法，合成步骤如下：首先，按照比例称取Ge、Sn、S原料并混合均匀，将混合均匀后的原料封装于石英管中，随之，将石英管抽真空到10
‑4～10
‑6Pa；然后，将封装有原料的石英管放入加热炉中进行高温熔融，加热温度为800～1250℃，加热时间为12～60h，加热结束后在石英管内获得熔融物，接着将石英管浸入
‑
5～45℃的蒸馏水中对封装的熔融物进行淬冷，待脱壁后马上取出，即在石英管内得到Ge
‑
Sn
‑
S硫系玻璃的半成品；最后将Ge
‑
Sn
‑
S硫系玻璃的半成品连同石英管一起进行退火，退火温度为
200～280℃，退火时间为1～6h，退火结束后将石英管和Ge
‑
Sn
‑
S硫系玻璃的半成品以1～20℃/h的速率降温至室温，打开石英管即得到Ge
‑
Sn
‑
S硫系玻璃。本专利采用熔融
‑
淬冷的方法制备出Ge
‑
Sb
‑
Se硫系玻璃，该硫系玻璃成玻较好，具有良好的中远红外透过能力和近红外透过特性，但是，反应时间过长势必会造成效率低、能耗大等问题。
[0008]如申请号为202011642926.2的专利提供了一种Ge
24
Te
x
Se
(76
‑
x)
硫系玻璃及其制备方法，其制备过程如下：步骤一：装料，在手套箱内，将原料Ge、Te、Se按组分配比称量好装入准备好的容器内，添加除氧剂(镁条或铝条)和除氢剂(氯化铝)在容器的上部，原料在容器的下部；步骤二：真空处理，在氮气保护下对容器进行抽真空处理，之后将容器封口；步骤三：熔制，将容器装入摇摆炉中，升温至850～960℃，边熔制边摇摆25～30h；步骤四：淬冷，将摇摆炉降温至500～600℃，取出容器用压缩空气进行淬冷，得到半成品；步骤五：退火，将淬冷完成的容器以及硫系玻璃半成品进行退火，在温度为170～200℃下保温5～10h，保温结束后缓慢均匀的降至室温，锯开容器即得到具有优异透过率的Ge
24
Te
x
Se
(76
‑
x)
硫系玻璃。然而，该公开提供的制备方法要对氧气浓度进行极其严苛的控制(容器中若存在氧气，原料会与氧气发生反应，产生与氧相关的吸收键，进而降低透射率)，所以，除了对容器进行抽真空等操作外，还需使用镁条或者铝条做除氧剂，而镁条和铝条都是较为活泼的金属，使用时存在一定的安全隐患。此外，该方法制备出的硫系玻璃,针对其机械性能的好坏还未进行相关的研究。
[0009]综上所述，针对现有技术存在的不足，尤其是硫系玻璃制备过程中反应时间长、操作繁琐和成品的机械性能差的问题：反应时间过长会导致效率低、能耗大等问题，不利于进行批量化的大规模生产；成品硫系玻璃的机械性能差，使其在复杂多变的环境中的应用受到很大的限制。因此，针对更高效的且物理机械性能较好的硫系玻璃的制备方法亟待开发。

技术实现思路

[0010]本公开提供一种成本低、工艺简单、生产效率高的制备硫系玻璃块体材料的方法——高压原位合成法，来解决现有技术效率低、能耗大和机械性能差的问题。
[0011]本公开以硫系单质(硫(S)、硒(Se)、碲(Te))和非硫系单质(镓(Ga)、锗(Ge)、砷(As))为原料，经混合、预压、组装、高温高压合成、冷却等工艺过程制备出块体硫系玻璃材料。
[0012]本公开的构思之一是使用硫系单质(硫(S)、硒(Se)、碲(Te))粉末和非硫系单质(镓(Ga)、锗(Ge)、砷(As))粉末为原料直接进行混合，无需对原料进行预处理，操作简便。
[0013]进一步的，本公开的另一构思在于，将混合后的粉末状原料进行预压，使混合粉体按照合成腔体的大小冷压成块状，预压的目的是使粉末状原料变为块状。
[0014]进一步的，本公开的另一构思在于，将预压后的块状原料采用旁热式组装方式进行组装。
[0015]所述的旁热式组装的反应物料和石墨管发热体之间被一层绝缘管隔开，组装结构相对稳定，如此一来，使得腔体内温度的均匀性和稳定性得到保证，同时也使得温度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硫系玻璃的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1)组装：将块状原料装入高压腔体中；2)高温高压合成：高温合成温度为800
‑
1400K、高压合成压力为1.0
‑
6.0GPa；3)冷却：上述步骤完成后，以大于100K/min小于300K/min的冷却速率降至室温，即得到硫系玻璃。2.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃的制备方法，其特征在于：所述的最佳高温合成温度为800
‑
1100K，最佳高压合成压力为2.0
‑
5.0GPa。3.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃的制备方法，其特征在于：所述的最佳的冷却速率范围为120
‑
250K/min。4.根据权利要求1所述的一种硫系玻璃的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾光，顾杰荣，沈祥，夏克伦，仵苗苗，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：