冷却方式对硫系玻璃性能的影响

冷却方式对硫系玻璃性能的影响

常芳娥;朱仲飞;许军锋;朱满;坚增运

【摘要】T he effect of cooling methods on the microstructure ,thermal stability ,optical and mechanical proper‐ties of 99 7.5Ge23 Se67 Sb10‐0 2.5RbI glass were studied by DSC ,XRD ,SEM ,FT‐IR and Vickers hardness test in this study .The results indicated that ,for air cooled glass ,the infrared transmittance at wavelength of 8‐12 μm was above 70% ,which was higher than that of water cooled glass (64% ) .However ,due to the slow cooling rate of air cooled ,the solid solubility of hydrogen in selenium increases ,thus the absorption of impurities was also stronger than that of water cooled glass .For the thermal‐treatment samples ,the diffraction peaks of Sb2 Se3 and GeSe2 crystals can be found at 280 ℃/20 h for the glass cool ed by air ,but at 300 ℃/20 h for the glass cooled by water .After thermal treat‐ment ,the fracture toughness of water cooled glass can reach to 0 4.14 MPa・m1/2 ,increased 26% compared with that without thermal treatment ,and it was higher than the maximum KIC (0 3.68 MPa・m1/2 ) of air cooled glass .Conse‐quently ,water cooled chalcogenide glass has a higher stability and a better fracture toughness ,thus it was more suitable for preparing micro‐crystallizing chalcogenide glass .%通过DSC、XRD、SEM、FT‐IR和显微硬度测试等分析手段，研究了冷却方式对99．75Ge23 Se67 Sb10‐02．5RbI玻璃组织、热稳定性以及光学和力学等性能的影响。结果表明，采用空冷制得的试样在8～12μm 波段红外透过率达70％以上，高于水冷试样（64％），但由于空冷冷速慢，氢在硒中的固溶度大，导致杂质吸收也大于水冷

试样；空冷试样在280℃热处理20 h可从XRD检测发现明显Sb2 Se3和GeSe2的结晶峰，而水冷试样在300℃热处理20 h后才能检测到结晶峰；经过热处理，水冷试样的最大 K IC值可达到04．14 M Pa・m1／2，较未热处理值提高了26％，且高于空冷试样的最大 K IC （0．368 M Pa・ m1／2），因此，水冷试样高温稳定性好，断裂韧性较大，更适合用作微晶化硫系红外玻璃。

【期刊名称】《功能材料》

【年(卷),期】2015(000)017

【总页数】5页(P17092-17096)

【关键词】硫系玻璃;冷却方式;微晶化;力学性能

【作者】常芳娥;朱仲飞;许军锋;朱满;坚增运

【作者单位】西安工业大学光电功能材料与器件省级重点实验室，西安710021;西安工业大学光电功能材料与器件省级重点实验室，西安710021;西安工业大学光电功能材料与器件省级重点实验室，西安710021;西安工业大学光电功能材料与器件省级重点实验室，西安710021;西安工业大学光电功能材料与器件省级重点实验室，西安710021

【正文语种】中文

【中图分类】TB213

1 引言

硫系玻璃以性能连续可调，物理化学性能稳定，红外透过范围广等特点而引起广泛关注［1－4］，这种材料可通过精密模压成型直接加工出任意形状的红外光学透

镜，可替代高成本的单晶锗用于热成像光学系统。此外，硫系玻璃作为非线性光学材料、光电子和半导体材料，广泛应用于安全生产、定位导航、安全驾驶、国防军事等领域［5］。然而，硫系玻璃的力学性能相对较差限制了其应用范围，这也成为近年来开发人员的研究重点。章向华等发现［6－7］通过热处理工艺获得硫系玻璃陶瓷材料，不仅红外透过率降低少，而且力学性能也显著提高；L.Calvez等发现RbI和CsCl掺杂的硫系玻璃［8－13］，通过晶化处理获得玻璃相和晶体相混合的复合材料，可以提高玻璃力学性能。本团队前期研究RbI的加入量对于玻璃性能的影响［14］，结果发现99.75Ge23 Se67 Sb10－0.25RbI成分的玻璃综合性能较好。虽然关于熔融淬冷法制备硫系玻璃的报道较多，但冷却方式对其组织和性能影响的研究很少见，究竟何种冷却方式才能获得较好的力学性能还不明确。空冷与水冷的冷速相差至少20倍以上，冷速差异会导致一定的性能差异，为此，本文采用空冷和水冷两种方式制备硫系玻璃，揭示冷却方式对硫系玻璃性能和微晶化工艺的影响，对开发性能优异的硫系玻璃产品具有重要指导意义。

2 实验

2.1 玻璃试样的制备

实验选用原料为5 N纯度的Ge、Se、Sb以及3 N纯度的 RbI，玻璃试样组成为99.75Ge23 Se67 Sb10－0.25 RbI。首先，将所有原料按化学计量比精确称取，装入清洗干净的石英安瓿并置于真空干燥箱中干燥12 h，依次采用机械泵、分子泵抽真空至10－4 Pa后用氢氧焰熔封；然后，在摇摆炉中通过智能温控系统缓慢升温至920℃并保温12 h，2 h内将温度降至780℃，之后迅速将石英安瓿从摇摆炉中取出放入空气中或冷水中淬冷获得棒状玻璃；最后，采用内圆切割机将玻璃切成厚度为2 mm的片状，双面抛光待用。

2.2 试样的性能测试及表征

采用 Mattler DSC823e型差示扫描量热分析仪（DSC）测定试样的特征温度，并