專利名稱：制備含鍺紅外玻璃材料的設(shè)備及其工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熔體淬冷法制備含鍺紅外玻璃材料的設(shè)備及其工藝方法， 屬于無機塊體材料制備的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
含鍺紅外玻璃有兩元系和三元系，是一種性能優(yōu)良的紅外光學(xué)材料，它的 透射波段覆蓋了近紅外、中紅外和遠紅外，并且具備良好的光學(xué)和熱學(xué)性能， 被廣泛的用作紅外探測、成像裝置的窗口和透鏡。采用熔體淬冷工藝制備的含 鍺紅外玻璃材料具有均勻性好、純度高和光學(xué)透過性能好(接近理論透過率) 等優(yōu)點，因而國際上普遍采用熔體淬冷工藝制備含鍺紅外玻璃。
常用熔體淬冷工藝是將材料在高溫爐里熔化后，放入冷水急冷成型。主要 設(shè)備是普通高溫爐以及密閉容器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種采用熔體淬冷工藝制備含鍺紅外玻璃材料的設(shè) 備及其工藝方法，使所制得的含鍺紅外玻璃材料具有良好的熱力學(xué)性能和光學(xué) 質(zhì)量均勻性。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案-
一種制備含鍺紅外玻璃材料的設(shè)備，該設(shè)備包括有石英反應(yīng)器、搖擺回轉(zhuǎn) 爐，所述的石英反應(yīng)器為由大小端組成的凸形的密閉容器，并固定在搖擺回轉(zhuǎn) 爐的爐膛內(nèi)，石英反應(yīng)器的大端內(nèi)壁均布設(shè)有若干塊擋片；所述的搖擺回轉(zhuǎn)爐 的爐體內(nèi)設(shè)有保溫層、加熱體，該加熱體采用兩段加熱，并將搖擺回轉(zhuǎn)爐的爐 膛分為兩個加熱區(qū)化合區(qū)和熔鑄區(qū)，石英反應(yīng)器的小端置于搖擺回轉(zhuǎn)爐的化 合區(qū)，其大端置于搖擺回轉(zhuǎn)爐的熔鑄區(qū)；搖擺回轉(zhuǎn)爐設(shè)有將轉(zhuǎn)動變?yōu)閾u擺運動 的搖擺傳動機構(gòu)及其搖擺控制電機；所述的搖擺控制電機通過所述的搖擺傳動 機構(gòu)連接支架，支架通過其上的搖擺軸與固定支座轉(zhuǎn)動連接，在支架上固接滑 動軸瓦，滑動軸瓦支撐搖擺回轉(zhuǎn)爐的爐體，并與搖擺回轉(zhuǎn)爐的爐體的圓周面滑 動配合，在支架上設(shè)有回轉(zhuǎn)控制電機，該回轉(zhuǎn)控制電機通過回轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)連接 搖擺回轉(zhuǎn)爐的爐體端面上的中心軸。
其中，將轉(zhuǎn)動變?yōu)閾u擺運動的搖擺傳動機構(gòu)可以是四連桿傳動機構(gòu)；回轉(zhuǎn) 傳動機構(gòu)可以是皮帶傳動機構(gòu)、鏈傳動機構(gòu)、齒輪傳動機構(gòu)。
所述的石英反應(yīng)器大端內(nèi)壁的若干塊擋片的長度、高度、寬度都分別相同。 所述的石英反應(yīng)器大端內(nèi)壁的擋片為四塊。
本發(fā)明的制備含鍺紅外玻璃材料的密閉容器是采用高純石英反應(yīng)器，設(shè)計
在石英反應(yīng)器大端內(nèi)壁均布焊接有4個相同長度和相同高度的擋片，以使攪拌 時熔體液流紊亂，混合更均勻。搖擺回轉(zhuǎn)爐采用兩段加熱分別稱為化合區(qū)和熔 鑄區(qū)，采用回轉(zhuǎn)和搖擺同時進行來對熔體進行攪拌，所以稱此為搖擺回轉(zhuǎn)爐。 化合區(qū)溫度和熔鑄區(qū)溫度分別由獨立的一組溫控設(shè)備分別控制，所以對化合區(qū) 和熔鑄區(qū)沒有特定限制，可任選搖擺回轉(zhuǎn)爐的一側(cè)作為化合區(qū)，另一側(cè)作為熔 鑄區(qū)。將石英反應(yīng)器小端置于化合區(qū)，大端置于熔鑄區(qū)。為了混合均勻，除了 上述兩點外，還應(yīng)注意熔體體積和石英反應(yīng)器空間比例以及搖擺回轉(zhuǎn)的速度。
本發(fā)明還有一個關(guān)鍵之點在于熔體體積和石英反應(yīng)器空間的比例為1: 4 1: 10;搖擺回轉(zhuǎn)爐的兩溫區(qū)的設(shè)計以及回轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)和搖擺傳動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和速 度控制。
一種采用本發(fā)明的設(shè)備的工藝方法包括組分配比混合、真空脫氧熔封、 高溫攪拌化合、冷卻、淬冷、粗退火、精退火等步驟。 該工藝方法包括下述具體步驟
(1) 、按含鍺紅外玻璃材料的組分配比稱取原料混合，裝入石英反應(yīng)器
中；
(2) 、將石英反應(yīng)器抽真空至真空度低于10'3Pa，并熔封石英反應(yīng)器；
(3) 、將石英反應(yīng)器裝入搖擺回轉(zhuǎn)爐中，將石英反應(yīng)器的小端置于搖擺
回轉(zhuǎn)爐的化合區(qū)，其大端置于搖擺回轉(zhuǎn)爐的熔鑄區(qū)，并固定在搖擺回轉(zhuǎn)爐的爐
膛內(nèi)；
(4) 、將搖擺回轉(zhuǎn)爐的化合區(qū)和熔鑄區(qū)的溫度升至850-950°C，升溫時間 3~4小時，然后恒溫，恒溫1 3小時后，啟動搖擺傳動機構(gòu)和回轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)， 并調(diào)整搖擺速度為10-30次/分，回轉(zhuǎn)速度為5-10圈/分，持續(xù)10~20小時進 行高溫攪拌化合；
(5) 、在高溫攪拌化合后，先將搖擺回轉(zhuǎn)爐的熔鑄區(qū)降溫，降溫速率在 4-10°C/min， 10~20分鐘后，將搖擺回轉(zhuǎn)爐的化合區(qū)降溫，速率控制在4-l(TC /min，并保持化合區(qū)和熔鑄區(qū)溫差在50-IOO'C;
(6) 、在熔鑄區(qū)溫度為400-550°C，化合區(qū)為450-60(TC時，取出石英反 應(yīng)器，在水中進行淬冷；
(7) 、淬冷5-20秒后，將石英反應(yīng)器放入粗退火爐中進行粗退火，以l-5°C/rain速度升至250-35(TC之間，恒溫10~20小時之后降溫，降溫速率在0. 5-5 。C/min之間；
(8)、粗退火后，從石英反應(yīng)器中取出玻璃材料，擦拭干凈后放入石墨 處理盒中，然后將石墨處理盒及其中的玻璃材料一起放入精退火爐進行精退 火，退火溫度在350-450'C之間，恒溫30~50小時后降溫，速率控制在0. 01-1 。C/min之間，將至室溫，即得到含鍺紅外玻璃材料。
在所述的步驟(1)之前先進行步驟(1)'，即對石英反應(yīng)器進行預(yù)處理 和烘烤，所述的預(yù)處理是用分析純HF將石英反應(yīng)器在50 7(TC條件下浸泡 3min，然后用去離子水清洗3 5次，再用無水乙醇清洗2~3次；所述的烘烤是 在清洗之后，將石英反應(yīng)器在500 60(TC烘烤30 60分鐘。
在所述的步驟(1)中，在按含鍺紅外玻璃材料的組分配比稱取原料時， 將所需元素質(zhì)量精確到10—3g，并在石英反應(yīng)器中，再加入10 50PPM的Al。
在所述的步驟(1)中，在將原料裝入石英反應(yīng)器中，原料的體積和石英 反應(yīng)器空間的比例為l: 4 1: 10。
在所述的步驟(3)中，在裝爐前，在密閉的石英反應(yīng)器小端頭部穿入一 根鉬絲。其主要目的是，在高溫攪拌化合、降溫之后，為了將石英反應(yīng)器順利 出爐。
在所述的步驟(3)中，采用硅酸鋁纖維將石英反應(yīng)器塞緊固定在爐膛內(nèi)。 在上述的工藝方法中，所述的原料均采用純度為99.9995%的高純元素單質(zhì)。
發(fā)明的效果-
本發(fā)明采用石英反應(yīng)器和搖擺回轉(zhuǎn)爐，結(jié)合本發(fā)明的工藝路線，有效的解 決了組分均勻性和均勻玻璃化等光學(xué)質(zhì)量均勻性以及紅外吸收問題。最終完成 了熱力學(xué)性能良好，光學(xué)性能優(yōu)異的含鍺紅外玻璃。本發(fā)明的設(shè)備結(jié)構(gòu)、工藝 參數(shù)和工藝過程完全可以應(yīng)用于大規(guī)模含鍺紅外玻璃材料的生產(chǎn)中。


圖1為本發(fā)明的搖擺回轉(zhuǎn)爐示意圖。 圖2為圖1的側(cè)視圖。
圖3為本發(fā)明的裝有石英反應(yīng)器的搖擺回轉(zhuǎn)爐的爐體的器示意圖。
具體實施例方式
如圖l、圖2、圖3所示，為本發(fā)明的制備含鍺紅外玻璃材料的設(shè)備，該設(shè) 備包括有石英反應(yīng)器6、搖擺回轉(zhuǎn)爐。石英反應(yīng)器6為由大小端組成的凸形的
密閉容器，其大端內(nèi)壁均布設(shè)有4個相同長度和相同高度的擋片20。搖擺回轉(zhuǎn) 爐的爐體15設(shè)有爐門(圖中未示)，在搖擺回轉(zhuǎn)爐的爐體15內(nèi)設(shè)有保溫層2、 加熱體3，該加熱體3采用兩段加熱，將搖擺回轉(zhuǎn)爐的爐膛4分為兩個加熱區(qū) 化合區(qū)和熔鑄區(qū)。石英反應(yīng)器6的小端置于搖擺回轉(zhuǎn)爐的化合區(qū)，其大端置于 搖擺回轉(zhuǎn)爐的熔鑄區(qū)，并采用硅酸鋁纖維1將石英反應(yīng)器6塞緊固定在爐膛4 內(nèi)(圖3中所示的硅酸鋁纖維1為示意圖，硅酸鋁纖維l應(yīng)將石英反應(yīng)器6塞 緊)。在爐膛4內(nèi)設(shè)有熱電偶5。搖擺回轉(zhuǎn)爐設(shè)有將轉(zhuǎn)動變?yōu)閾u擺運動的搖擺 傳動機構(gòu)、及回轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)。搖擺傳動機構(gòu)是采用四連桿傳動機構(gòu)8，是由搖 擺控制電機9連接四連桿傳動機構(gòu)8，四連桿傳動機構(gòu)8的另一端連接支架7， 支架7截面為U字型，是由底架和兩個側(cè)架組成，在兩個側(cè)架上的距左右兩端 的中心線上分別對稱連接搖擺軸16，兩個搖擺軸16分別通過軸承17轉(zhuǎn)動連接 固定支座11，四連桿傳動機構(gòu)8的另一端是連接支架7的其中的一個側(cè)架上， 并且連接在該側(cè)架上的距搖擺軸16的左右兩側(cè)的一側(cè)上，支架7的底架上固 接滑動軸瓦13，滑動軸瓦13支撐搖擺回轉(zhuǎn)爐的爐體15，并與搖擺回轉(zhuǎn)爐的爐 體15的圓周面滑動配合，在滑動軸瓦13上可以使?fàn)t體15轉(zhuǎn)動。啟動搖擺控 制電機9，帶動四連桿傳動機構(gòu)8工作，四連桿傳動機構(gòu)8帶動支架7以搖擺 軸16為軸心作搖擺動作，從而帶動爐體15作搖擺動作。搖擺控制電機9、固 定支座11分別安裝在底座10上。在支架7上安裝回轉(zhuǎn)控制電機19，回轉(zhuǎn)傳動 機構(gòu)采用皮帶傳動機構(gòu)，回轉(zhuǎn)控制電機19通過其皮帶輪18、皮帶12連接搖擺 回轉(zhuǎn)爐的爐體15的端面上的中心軸的皮帶輪14;啟動回轉(zhuǎn)控制電機19，帶動 皮帶輪18、皮帶12、皮帶輪14工作，從而帶動爐體15在滑動軸瓦13轉(zhuǎn)動。 這樣，同時啟動搖擺控制電機9、回轉(zhuǎn)控制電機19，可以采用回轉(zhuǎn)和搖擺同時 對石英反應(yīng)器6內(nèi)的熔體進行攪拌，有效的解決了組分均勻性和均勻玻璃化等 光學(xué)質(zhì)量均勻性以及紅外吸收問題，最終完成了熱力學(xué)性能良好，光學(xué)性能優(yōu) 異的含鍺紅外玻璃。 實施例
(1) 對石英反應(yīng)器進行預(yù)處理，用分析純HF在6(TC條件下浸泡3min， 然后用去離子水清洗4次，再用無水乙醇清洗3次。
(2) 石英反應(yīng)器在55(TC條件下烘烤50分鐘。
(3) 在稱料間進行組分配比，將所需元素質(zhì)量精確到l(T3g，裝入石英反 應(yīng)器中，再加入40PPM的A1。
(4) 將石英反應(yīng)器連接到真空機組，進行真空脫氧，真空度低于l(T3Pa
時，用氫氧焰熔封石英反應(yīng)器。
(5) 將密閉的石英反應(yīng)器小端頭部小孔穿過一根鉬絲，裝入搖擺回轉(zhuǎn)爐 內(nèi)，用硅酸鋁纖維將石英反應(yīng)器塞緊固定在爐膛內(nèi)，并關(guān)緊爐門。
(6) 將化合區(qū)和熔鑄區(qū)的溫度升至90(TC，升溫時間約3.5小時，然后恒 溫3小時。
(7) 恒溫3小時后，啟動搖擺傳動機構(gòu)和回轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)，調(diào)整搖擺速度 在20次/分，回轉(zhuǎn)速度在8圈/分，持續(xù)15小時。
(8) 在高溫攪拌化合后，先將熔鑄區(qū)降溫，降溫速率在8'C/min， 15分 鐘后，將化合區(qū)降溫，速率控制在8'C/min左右，保持化合區(qū)和熔鑄區(qū)溫差在 50-100。C。
(9) 等待熔鑄區(qū)溫度在400_550°C，化合區(qū)在450—600°C，取出石英反 應(yīng)器，在水中進行淬冷。
(10) 淬冷IO秒，將石英反應(yīng)器放入粗退火爐，以3。C/min速度升至300 °C，恒溫15小時之后降溫，降溫速率在3°C/min。
(11) 從石英反應(yīng)器中取出玻璃材料，將底部處理干凈后放入石墨處理盒， 然后石墨處理盒及其中的玻璃材料一起放入精退火爐進行精退火，退火溫度在 400°C，恒溫40小時后降溫，速率控制在0. rC/min，將至室溫，即得到含鍺 紅外玻璃材料。
權(quán)利要求
1、一種制備含鍺紅外玻璃材料的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括有石英反應(yīng)器、搖擺回轉(zhuǎn)爐，所述的石英反應(yīng)器為由大小端組成的凸形的密閉容器，并固定在搖擺回轉(zhuǎn)爐的爐膛內(nèi)，石英反應(yīng)器的大端內(nèi)壁均布設(shè)有若干塊擋片；所述的搖擺回轉(zhuǎn)爐的爐體內(nèi)設(shè)有保溫層、加熱體，該加熱體采用兩段加熱，并將搖擺回轉(zhuǎn)爐的爐膛分為兩個加熱區(qū)化合區(qū)和熔鑄區(qū)，石英反應(yīng)器的小端置于搖擺回轉(zhuǎn)爐的化合區(qū)，其大端置于搖擺回轉(zhuǎn)爐的熔鑄區(qū)；搖擺回轉(zhuǎn)爐設(shè)有將轉(zhuǎn)動變?yōu)閾u擺運動的搖擺傳動機構(gòu)及其搖擺控制電機；所述的搖擺控制電機通過所述的搖擺傳動機構(gòu)連接支架，支架通過其上的搖擺軸與固定支座轉(zhuǎn)動連接，在支架上固接滑動軸瓦，滑動軸瓦支撐搖擺回轉(zhuǎn)爐的爐體，并與搖擺回轉(zhuǎn)爐的爐體的圓周面滑動配合，在支架上設(shè)有回轉(zhuǎn)控制電機，該回轉(zhuǎn)控制電機通過回轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)連接搖擺回轉(zhuǎn)爐的爐體端面上的中心軸。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的所述的制備含鍺紅外玻璃材料的設(shè)備，其特征在于， 所述的石英反應(yīng)器大端內(nèi)壁的若干塊擋片的長度、高度、寬度都分別相同。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2的所述的制備含鍺紅外玻璃材料的設(shè)備，其特征 在于，所述的石英反應(yīng)器大端內(nèi)壁的擋片為四塊。
4、 一種使用權(quán)利要求1的設(shè)備制備含鍺紅外玻璃材料的工藝方法，其特 征在于，該工藝方法包括下述步驟(1) 、按含鍺紅外玻璃材料的組分配比稱取原料混合，裝入石英反應(yīng)器中；(2) 、將石英反應(yīng)器抽真空至真空度低于10'3Pa，并熔封石英反應(yīng)器；(3) 、將石英反應(yīng)器裝入搖擺回轉(zhuǎn)爐中，將石英反應(yīng)器的小端置于搖擺 回轉(zhuǎn)爐的化合區(qū)，其大端置于搖擺回轉(zhuǎn)爐的熔鑄區(qū)，并固定在搖擺回轉(zhuǎn)爐的爐 膛內(nèi)；(4) 、將搖擺回轉(zhuǎn)爐的化合區(qū)和熔鑄區(qū)的溫度升至850-95(TC，升溫時間 3~4小時，然后恒溫，恒溫1 3小時后，啟動搖擺傳動機構(gòu)和回轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)， 并調(diào)整搖擺速度為10-30次/分，回轉(zhuǎn)速度為5-10圈/分，持續(xù)10 20小時進 行高溫攪拌化合；(5) 、在高溫攪拌化合后，先將搖擺回轉(zhuǎn)爐的熔鑄區(qū)降溫，降溫速率在 4-l(TC/min， 10~20分鐘后，將搖擺回轉(zhuǎn)爐的化合區(qū)降溫，速率控制在4-10'C /min，并保持化合區(qū)和熔鑄區(qū)溫差在50-100°C;(6) 、在熔鑄區(qū)溫度為400-550°C，化合區(qū)為450-600'C時，取出石英反 應(yīng)器，在水中進行淬冷；(7) 、淬冷5-20秒后，將石英反應(yīng)器放入粗退火爐中進行粗退火，以1-5 °C/min速度升至250-35(TC之間，恒溫10~20小時之后降溫，降溫速率在0. 5-5 °C/min之間；(8) 、粗退火后，從石英反應(yīng)器中取出玻璃材料，擦拭干凈后放入石墨 處理盒中，然后將石墨處理盒及其中的玻璃材料一起放入精退火爐進行精退 火，退火溫度在350-45(TC之間，恒溫30 50小時后降溫，速率控制在0. 01-1 'C/min之間，將至室溫，即得到含鍺紅外玻璃材料。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4的所述的制備含鍺紅外玻璃材料的工藝方法，其特征 在于，在所述的步驟(1)之前先進行步驟(1)'，即對石英反應(yīng)器進行預(yù)處 理和烘烤，所述的預(yù)處理是用分析純HF將石英反應(yīng)器在50 70'C條件下浸泡 3min，然后用去離子水清洗3 5次，再用無水乙醇清洗2~3次；所述的烘烤是 在清洗之后，將石英反應(yīng)器在500 60(TC烘烤30 60分鐘。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4或5的所述的制備含鍺紅外玻璃材料的工藝方法，其 特征在于，在所述的步驟(1)中，在按含鍺紅外玻璃材料的組分配比稱取原 料時，將所需元素質(zhì)量精確到10'3g，并在石英反應(yīng)器中，再加入10 50PPM的 Al。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6的所述的制備含鍺紅外玻璃材料的工藝方法，其特征 在于，在所述的步驟(1)中，在將原料裝入石英反應(yīng)器中，原料的體積和石英反應(yīng)器空間的比例為l: 4 1: 10。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7的所述的制備含鍺紅外玻璃材料的工藝方法，其特征 在于，在所述的步驟(3)中，在裝爐前，在密閉的石英反應(yīng)器小端頭部穿入 一根鉬絲。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8的所述的制備含鍺紅外玻璃材料的工藝方法，其特征 在于，在所述的步驟(3)中，是采用硅酸鋁纖維將石英反應(yīng)器塞緊固定在爐 膛內(nèi)。
全文摘要
一種制備含鍺紅外玻璃材料的設(shè)備及其工藝方法。該設(shè)備包括有石英反應(yīng)器、搖擺回轉(zhuǎn)爐。石英反應(yīng)器為由大小端組成的凸形的密閉容器。將原料密封在石英反應(yīng)器內(nèi)，固定在搖擺回轉(zhuǎn)爐內(nèi)，在搖擺回轉(zhuǎn)爐內(nèi)化合、冷卻成型，再經(jīng)過退火處理。該方法包括組分配比混合、真空脫氧熔封、高溫攪拌化合、冷卻、淬冷、粗退火、精退火等步驟。其中，真空脫氧熔封時真空度低于10^-3Pa；高溫攪拌化合控制為850-950℃；冷卻時降溫速率控制為4-10℃/min；淬冷溫度控為400-550℃；粗退火溫度為250-350℃，降溫速率為0.5-5℃/min；精退火溫度為350-450℃，降溫速率為0.01-1℃/min。有效地解決了熔體淬冷制備含鍺紅外玻璃工藝中紅外吸收和光學(xué)質(zhì)量均勻性問題。
文檔編號C03B5/00GK101353220SQ20071011966
公開日2009年1月28日 申請日期2007年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月27日
發(fā)明者海 楊, 石紅春, 蘇小平, 趙永田 申請人:北京有色金屬研究總院;北京國晶輝紅外光學(xué)科技有限公司