專利名稱：一種含鎘硒化物玻璃及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及含鎘硒化物玻璃，尤其涉及一種熱成像系統(tǒng)光學(xué)透鏡用含鎘硒化物玻璃。
背景技術(shù)：
硫系玻璃因?yàn)榫哂休^大的質(zhì)量和較弱的鍵強(qiáng)，較小的禁帶寬度(一般為1～3Ev)，屬于半導(dǎo)體，并且可以用傳統(tǒng)的熔體淬冷法制備，通常在一個(gè)較寬的化學(xué)計(jì)量或非化學(xué)計(jì)量組成范圍內(nèi)都能形成玻璃，因此具有性能連續(xù)可調(diào)的特點(diǎn)，從而在紅外、光電子、半導(dǎo)體材料等在許多方面具有重要的實(shí)際應(yīng)用。
由于硫系玻璃具有優(yōu)良的紅外透過(guò)能力，較好的成型能力，可以用作于熱成像系統(tǒng)的光學(xué)透鏡材料。硒化物玻璃是傳統(tǒng)的硫系玻璃中的一類(lèi)，其特點(diǎn)是禁帶寬度較窄，在近紅外和紅外區(qū)具有優(yōu)良的透過(guò)性，較之于硫化物玻璃具有更長(zhǎng)的紅外截止波長(zhǎng)。由于其在加熱過(guò)程中粘度隨溫度升高逐漸降低，因而可在合適的粘度范圍內(nèi)將玻璃按照模具提供的形狀通過(guò)壓制而精確成型，工藝簡(jiǎn)單易于操作，加工周期短，效率高，適合于規(guī)模化生產(chǎn)。近年來(lái)也已經(jīng)開(kāi)展了精密模壓法將硫系玻璃制作成非球面透鏡應(yīng)用于熱成像系統(tǒng)，取得了良好的效果。但是仍然存在著較多的問(wèn)題，比如硫系玻璃的機(jī)械性能、熱力學(xué)性能急需改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問(wèn)題之一是提供一種能夠應(yīng)用于熱成像系統(tǒng)光學(xué)透鏡的含鎘硒化物玻璃，以進(jìn)一步提高玻璃的機(jī)械性能和熱力學(xué)性能；本發(fā)明需要解決的技術(shù)問(wèn)題之二是公開(kāi)上述含鎘硒化物玻璃的制備方法。
本發(fā)明的含鎘硒化物玻璃的化學(xué)式為xGeSe2-yAs2Se3-zCdSe其中x為45～70％；y為5～30％；z為0～25％。
x，y和z為組分的摩爾含量。
上述鎘硒化物玻璃的制備方法包括如下步驟(1)將Ge、As和Se放入石英安瓿中，抽真空至10-3tor，烘烤石英安瓿，以除去原料中的水分，然后封接；(2)將封接好的石英安瓿在900～1000℃下熔制，保溫8～10小時(shí)，在加熱的過(guò)程中保持搖擺，使配合料反應(yīng)完全，玻璃液均化充分，然后將裝有玻璃液的石英安瓿冷卻至15～30℃，獲得GeAsSe玻璃；(3)將分別裝有GeAsSe玻璃和鎘的石英安瓿密封套接在蒸餾管的兩端，抽真空至10-3tor，烘烤石英安瓿，以除去原料中的水分，對(duì)裝有GeAsSe玻璃和鎘的兩端分別加熱至600～700℃和500℃，GeAsSe玻璃和鎘升華進(jìn)入蒸餾管中，然后封接；(4)將封接好的蒸餾管在900～1000℃下熔制，保溫8～10小時(shí)，在加熱的過(guò)程中保持搖擺，使配合料反應(yīng)完全，玻璃液均化充分，然后將裝有玻璃液的蒸餾管冷卻至15～30℃，然后放入預(yù)先升溫至250～300℃的環(huán)境中，保溫15～45分鐘，冷卻至15～30℃；(5)微晶化熱處理將冷卻后的玻璃加熱至300～350℃，保溫時(shí)間為3～10小時(shí)，冷卻至15～30℃，微晶化熱處理后玻璃中析出含鎘的納米晶體，即獲得本發(fā)明的玻璃。
按照本發(fā)明優(yōu)選的方案，Se和As先進(jìn)行純化，包括如下步驟將分別裝有Se和As的石英管抽真空加熱，升溫至300℃，Se和As的氧化物的蒸氣壓遠(yuǎn)大于其單質(zhì)的蒸氣壓，因而，其氧化物蒸餾出去，從而得到提純。
本發(fā)明的玻璃，玻璃的熱、學(xué)性能佳，透紅外性能不受影響，XRD譜不顯示析晶峰。
本發(fā)明的玻璃，較之于常規(guī)的硫化物玻璃，具有更大的質(zhì)量和更強(qiáng)的共價(jià)性，因而具有更長(zhǎng)的紅外截止波長(zhǎng)。砷的引入顯著改善了玻璃的熱穩(wěn)定性，通過(guò)調(diào)整玻璃組成，可以得到具有高熱穩(wěn)定性的玻璃，DSC測(cè)試表現(xiàn)為無(wú)析晶峰出現(xiàn)；將樣品析晶溫度下進(jìn)行熱處理，XRD證實(shí)其析出含鎘的晶體，表明鎘的引入可起到晶核劑的作用。
本發(fā)明的玻璃具有較大的玻璃形成區(qū)，較好的成玻能力。得到的玻璃樣品質(zhì)地均勻，外觀呈深黑色，表明不透可見(jiàn)光。該系統(tǒng)玻璃的密度為4.4-4.6g/cm3，顯微硬度為170-190kgf/mm2，玻璃轉(zhuǎn)變溫度為270～330℃，析晶溫度超過(guò)400℃。其在1～13μm的紅外區(qū)均具有優(yōu)良的透過(guò)能力，覆蓋了3～5μm和8～12μm兩個(gè)大氣窗口?？捎糜谥苽渫?～5μm和8～12μm兩個(gè)大氣窗口的紅外材料。


圖1為蒸餾管結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為玻璃形成區(qū)。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1表1 玻璃組成(摩爾％)

配合料配制分別采用高純度(＞99.999％，重量)單質(zhì)硒、鍺、砷和鎘為原料，按表1所示的組成進(jìn)行配方計(jì)算。
原料純化和干燥(1)將分別裝有Se和As的石英管放入高溫爐中，邊抽真空邊加熱，升溫至300℃，Se/As的氧化物蒸餾出去，原料得到提純。
(2)再將提純過(guò)的Ge、As和Se原料按照設(shè)計(jì)的組成的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行精確稱量，并混合配合料，抽真空抽真空至10-3tor，烘烤石英安瓿，以除去原料中的水分，然后封接；(3)將封接好的石英安瓿在900℃下熔制，保溫8小時(shí)，在加熱的過(guò)程中保持搖擺，使配合料反應(yīng)完全，玻璃液均化充分，然后將裝有玻璃液的石英安瓿冷卻至30℃，然后放入預(yù)先升溫至200℃的環(huán)境中，保溫30分鐘，冷卻至15℃，獲得GeAsSe玻璃；(4)將熔制好的GeAsSe玻璃與鎘分別裝于如圖1所示蒸餾管的兩端，抽真空至10-3tor，烘烤石英安瓿，以除去原料中的水分，加熱裝有GeAsSe玻璃和鎘的石英安瓿，GeAsSe玻璃和鎘升華進(jìn)入蒸餾管中，然后封接；圖1中，3為高溫區(qū)，4為低溫區(qū)；(5)將封接好的蒸餾管在900℃下熔制，保溫8小時(shí)，在加熱的過(guò)程中保持搖擺，使配合料反應(yīng)完全，玻璃液均化充分，然后將裝有玻璃液的蒸餾管冷卻至25℃，然后放入預(yù)先升溫至200℃的環(huán)境中，保溫45分鐘，冷卻至15℃；(6)微晶化熱處理將冷卻后的玻璃加熱至300℃，保溫時(shí)間為5小時(shí)，冷卻至20℃，微晶化熱處理后玻璃中析出含鎘的納米晶體，即獲得本發(fā)明的玻璃。
試驗(yàn)結(jié)果所得到的玻璃試樣做如下性能測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 實(shí)施例1玻璃的性能測(cè)試結(jié)果

玻璃形成區(qū)見(jiàn)圖2。圖中，1為玻璃，2為析晶。
實(shí)施例2～8在下述各實(shí)施例中，玻璃的制備方法同實(shí)施例1，所采用的不同玻璃組成和性能試驗(yàn)結(jié)果分別列于表3和表4。
表3 實(shí)施例2～6的玻璃組成(摩爾％)

表4 實(shí)施例2～8玻璃的性能試驗(yàn)結(jié)果

其中實(shí)施例2的步驟(5)的蒸餾管是在1000℃下熔制的。
實(shí)施例3的退火溫度為300℃。
實(shí)施例5的微晶化熱處理中，玻璃加熱至350℃，保溫時(shí)間為10小時(shí)。
權(quán)利要求
1.一種含鎘硒化物玻璃，其特征在于，化學(xué)式為xGeSe2-yAs2Se3-zCdSe其中x為45～70％；y為5～30％；z為0～25％。x，y和z為摩爾含量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎘硒化物玻璃的制備方法，其特征在于，包括如下步驟(1)將Ge、As和Se放入石英安瓿中，抽真空至10-3tor，烘烤石英安瓿除去水份，然后封接；(2)將封接好的石英安瓿在900～1000℃下熔制，保溫8～10小時(shí)，冷卻獲得GeAsSe玻璃；(3)將分別裝有GeAsSe玻璃和鎘的石英安瓿密封套接在蒸餾管的兩端，抽真空至10-3tor，烘烤石英安瓿，除去水份。對(duì)裝有GeAsSe玻璃和鎘的兩端分別加熱至600～700℃和500℃，GeAsSe玻璃和鎘升華進(jìn)入蒸餾管中，然后封接；(4)將封接好的蒸餾管在900～1000℃下熔制，保溫8～10小時(shí)，然后將裝有玻璃液的蒸餾管冷卻至15～30℃，然后放入預(yù)先升溫至250℃～300℃℃的環(huán)境中，保溫15～45分鐘，隨爐冷卻至室溫；(5)微晶化熱處理將冷卻后的玻璃加熱至300～350℃，保溫時(shí)間為3～10小時(shí)，隨爐冷卻，即獲得微晶化后的玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，步驟(2)在加熱的過(guò)程中保持搖擺。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，步驟(3)的蒸餾提純方法，即將GeAsSe玻璃和Cd分別進(jìn)行加熱蒸餾。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，步驟(4)在加熱的過(guò)程中保持搖擺。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，步驟(5)將制備的玻璃在300～350℃進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的熱處理，使得玻璃微晶化，在不影響其紅外透過(guò)性能的同時(shí)提高了玻璃的機(jī)械性能。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種含鎘硒化物玻璃及其制備方法。以硒、鍺、砷和鎘為主要成分，制備方法包括(a)石英安瓿的預(yù)處理，(b)玻璃配合料的純化處理，(c)真空封接，(d)玻璃熔制，(e)玻璃后處理等五個(gè)步驟。所得到的玻璃經(jīng)表面研磨、拋光處理后做紅外光譜、顯微硬度、密度、DSC和XRD等測(cè)試。結(jié)果顯示，該含鎘硒化物玻璃的成玻性能優(yōu)良，在較大的范圍內(nèi)均可形成均勻的玻璃，其在1～13μm的紅外區(qū)均具有優(yōu)良的透過(guò)能力，覆蓋了3～5μm和8～12μm兩個(gè)大氣窗口，熱力學(xué)性能優(yōu)良，通過(guò)調(diào)整玻璃組成，可以得到具有熱穩(wěn)定性高的玻璃，DSC測(cè)試無(wú)析晶峰出現(xiàn)。
文檔編號(hào)C03B32/00GK1736919SQ20051002859
公開(kāi)日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月8日
發(fā)明者趙東輝, 夏方, 王 華, 章向華, 楊云霞, 陳國(guó)榮 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué)