一种提高硫系玻璃机械强度的制备方法及硫系玻璃

技术领域

本发明涉及玻璃技术领域，尤其涉及一种提高硫系玻璃机械强度的制备方法及硫系玻璃。

背景技术

红外热成像技术在当前国防军事领域具有不可替代的应用价值，它是红外警戒、跟踪、瞄准以及制导等现代战争全天候作战的关键。红外光学镜头作为红外热成像设备的“眼睛”，既要具有良好的透过率，又要满足在复杂环境使用时保持较好的机械性能。

硫系玻璃是以元素周期表中第VIA族元素中的硫、硒、碲三种元素和其它元素如砷、锑、锗等构成的非晶材料，具有较低的折射率温度系数、组成性能可调和可规模化精密模压成型等优势。硫系玻璃作为一种在红外范围内具有良好透过率的红外光学材料，在军事和民用温度自适应红外光学系统中已得到了应用。但是，硫系玻璃是以弱的二配位硫族元素之间的共价键构成的链状结构为主，辅之与三配位或四配位的Ⅳ族和Ⅴ族元素形成的交联网络结构，这种特性使得硫系玻璃与一般的红外材料相比具有较弱的机械性能，较低的硬度和较易断裂性限制了其应用。以此，许多学者一直致力于提高硫系玻璃机械性能的研究，以期扩大其应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何在保持原有红外透过率的同时，较好地提升硫系玻璃的机械强度，以扩大其应用范围。

为达到上述目的，本发明提供一种提高硫系玻璃机械强度的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、确定硫系玻璃组分和掺杂的晶体；

步骤二、在惰性气氛下将硫系玻璃初步粉碎，过筛得玻璃粗粉；

步骤三、在真空气氛下研磨玻璃粗粉，过筛得玻璃细粉，在惰性气氛下按照预定质量比将玻璃细粉与晶体混合均匀；

步骤四、将玻璃细粉和晶体的混合物转移至放电等离子烧结仪器中并抽真空，在预定温度和压力下进行烧结，得到玻璃粗品。

值得一提的是，在本发明中，玻璃的粉碎、研磨或原料的混合均需要在惰性气体的保护下或真空条件下进行的，以避免空气中的O和H等杂质的污染。

进一步地，在步骤一中，晶体的机械强度高于玻璃的机械强度，机械强度高的晶体与玻璃基体掺杂有助于提高玻璃的机械强度。

进一步地，在步骤一中，晶体和玻璃基体的折射率差小于10

进一步地，在步骤一中，晶体的粒度要小于工作波长的1/10，较小晶体的粒度能够减少晶体对基体玻璃光学性能的影响。

值得一提的是，在本发明中，晶体的选择是根据基质玻璃所需要提高的性能来进行选择的，在本发明中，不受限于晶体的种类，例如，GaAs晶体或ZnS晶体等。

进一步地，在步骤二中，硫系玻璃经过初步粉碎，过筛选出颗粒大小一致的玻璃粗粉有助于下一步球磨的进行，在本发明中，选用筛出的玻璃粗粉粒径在50-100μm之间的微粒进行球磨。

进一步地，在步骤三中，球磨得到的玻璃细粉粒径越小，掺杂晶体后越有助于提高玻璃的强度，在本发明中，选用筛出的硫系玻璃细粉的粒径在1-5μm之间的微粒进行玻璃的制备。

进一步地，在步骤四中，硫系玻璃的烧结温度高于玻璃转变温度并低于结晶温度。

本发明的另一方面提供一种硫系玻璃，此硫系玻璃是通过上述制备方法制得的。

本发明的有益效果：

1、本发明采用放电等离子烧结(SPS)仪器对玻璃粉末和晶体混合物进行烧结，放电等离子烧结的加热速率较快，较快的加热速率使烧结过程能够在较短时间和较低温度下完成，减少了由汽化、相变和晶粒生长等因素的影响。同时，放电等离子烧结的快速低温烧结的特性可以避免硫系玻璃基体和晶体之间发生反应，保证了晶体的完整性和硫系玻璃机械性能的提高，避免了由于热处理析晶方法存在的析晶有限性的问题。

2、本发明在保持原硫系玻璃透过率的同时能够大幅度地提升硫系玻璃的硬度，以扩大硫系玻璃的应用范围。

附图说明

图1示出了本发明硫系玻璃细粉和晶体混合物放入到放电等离子烧结仪器腔室时的状态示意图。

图2示出了由本发明提供的方法制得的硫系玻璃样品图。

图3示出了掺杂不同含量GaAs晶体后的Ge

图4示出了掺杂不同含量ZnS晶体后的As

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一：Ge

采用高纯(纯度≥99.9999％)的元素作为起始原料，按照预定的元素含量将高纯度的原料经过精密称量后放入石英瓿瓶中，对装有锗、砷、硒和碲混合原料的石英安瓿瓶进行真空热处理或化学处理，再利用乙炔和氧气的混合气体火焰枪进行封管，得到真空状态下的高纯锗、砷、硒和碲的混合原料，将真空的石英安瓿瓶放入摇摆炉中，在850℃下进行熔融摇摆，最后在350℃下放入冷水淬火后放入100℃的退火炉中进行12h的退火，得到高纯的Ge

值得一提的是，对装有锗、砷、硒和碲混合原料的石英安瓿瓶进行真空热处理或化学处理，是为了尽可能消除表面的O和H杂质对玻璃的影响。

实施例二：掺杂1％GaAs的Ge

步骤一、选用GaAs作为掺杂晶体，Ge

步骤二、在高纯氩气氛围下的手套箱内使用玛瑙材质的模具和研钵将Ge

步骤三、将真空研磨罐安装到球磨机上，对Ge

值得一提的是，在石墨模具中，模具内壁用石墨纸包裹，石墨纸与粉末之间利用垫片隔离，再用石墨柱状模具将混合粉末固定在垫片中以待使用。石墨纸能够防止粉末在烧结过程中溢出损害模具，垫片能够防止烧结过程中碳扩散对粉末造成影响，优选地，在本实施例中，垫片为钼片。图1示粉末在放电等离子烧结仪器腔室时的具体状态。

步骤四、将装有混合粉末的石墨模具安装到放电等离子烧结仪器的腔内，抽空腔内的空气，在温度为180℃，压力为25MPa下，热压烧结20分钟后，再冷却至室温，将模具取出，脱模后得到掺杂1％GaAs的Ge

实施例三：掺杂3％GaAs的Ge

在本实施例中，制备过程与实施例一相同，不同之处在于，在步骤四中，烧结温度为150℃，热压烧结时间为30分钟。

实施例四：掺杂5％GaAs的Ge

在本对比例中，制备过程与与实施例一相同，不同之处在于，在步骤四中，烧结温度为280℃，热压烧结时间为10分钟。对上述制得的玻璃样品进行维氏硬度的测试，测得的数据如下表所示：

通过上述数据可知，Ge

将上述制得的玻璃样品粗品进行研磨和双面抛光，均得到半径为5mm，厚度为2mm的玻璃样品，对上述玻璃样品进行红外光谱性能测试，由图3可知，掺杂了1％和3％GaAs的Ge

实施例五：As

采用高纯(纯度≥99.9999％)的元素作为起始原料，按照预定的元素含量将高纯度的原料经过精密称量后放入石英瓿瓶中，对装有砷和硫混合原料的石英安瓿瓶进行真空热处理或化学处理，再利用乙炔和氧气混合气体火焰枪进行封管，得到真空状态下的高纯砷和硫混合原料，将真空的石英安瓿瓶放入摇摆炉中，在650℃下进行熔融摇摆，最后在450℃下放入冷水淬火后放入120℃的退火炉中进行10h的退火，得到高纯的As

实施例六：掺杂1％ZnS的As

步骤一、选用ZnS作为掺杂晶体，As

步骤二、在高纯氩气氛围下的手套箱内使用玛瑙材质的模具和研钵将As

步骤三、将真空研磨罐安装到球磨机上，对As

步骤四、将装有混合粉末的石墨模具安装到放电等离子烧结仪器的腔内，抽空腔内的空气，在温度为230℃，压力为25MPa下，热压烧结20分钟后，再冷却至室温，将模具取出，脱模后得到掺杂1％ZnS的As

实施例七：掺杂3％ZnS的As

在本实施例中，制备步骤与实施例一相同，不同之处在于，在步骤四中，烧结温度为350℃，热压烧结时间为10分钟。

实施例八：掺杂5％ZnS的As

在本实施例中，制备步骤与实施例一相同，不同之处在于，在步骤四中，烧结温度为180℃，热压烧结时间为30分钟。对上述制得的玻璃样品进行维氏硬度的测试，测得的数据如下表所示：

通过上述数据可知，As

将上述制得的玻璃样品粗品进行研磨和双面抛光，均得到半径为5mm，厚度为2mm的玻璃样品，对上述玻璃样品进行红外光谱性能测试，由图4可知，掺杂了1％、3％和5％ZnS的As

最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。