Ge-Sb-Se-Te四元硫系玻璃制备工艺及性能研究

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硫系玻璃最早于上世纪五十年代作为透红外传输介质被开发出来,因其具备声子能量低、折射率高,在较宽的红外波段范围内有优异的透过性能,在红外热成像领域受到广泛关注,被认为是前景光明的红外材料。但是目前可供使用的硫系玻璃大多还是二元或三元硫系玻璃,种类偏少,相变温度低,部分性能不稳定,且许多工艺有待改善。本文将以Ge30-xSb10Se60Tex(x=0、3、6、9、12、15、18、21)和Ge20-xSb10Se70Tex(x=0、1、3、5、7、9)四元硫系玻璃为研究对象,研究各种工艺对所得硫系玻璃试样完整性的影响,分析通过增加Te元素取代贵重的Ge元素,对玻璃密度和硬度的影响。通过X射线衍射和拉曼光谱研究玻璃试样的结构;通过热机械分析仪,研究Te元素对玻璃热膨胀系数的影响;通过差式扫描量热仪,分析玻璃的热力学性能和动力学性能;通过傅立叶变换红外光谱仪、XRD、EDS等表征方法,测定玻璃透红外性能,检验Ti作为除杂剂对除杂效果的影响,研究除杂后Ti丝表面的成分。主要研究结论如下:(1)水冷、空冷、盐浴三种淬冷方式中,由冰水激冷得到的试样布满裂纹,无法使用。由空冷法可得到形貌完整的棒状玻璃试样,但玻璃存在较大内应力,在后续加工过程中易碎。采用熔盐作为冷却介质,在玻璃Tg点以下20~40℃进行盐浴冷却,可改善试样应力分布不均匀问题,试样完整性最佳。随着Te元素逐渐取代Ge元素,Ge-Sb-Se-Te硫系玻璃的密度逐渐增大,硬度逐渐减小,在波长为3μm与10μm处的近似折射率依次增大。(2)空冷法和盐浴冷却均能得到非晶态玻璃试样,其拉曼光谱显示,随着Te元素逐渐取代Ge元素,共顶点Ge Se4/2四面体结构与Ge-Ge键减少,而GeTe4-nGen(n=1,2)共顶点结构、GeTe4共顶点结构、Te-Te键、GeTe4共边结构以及Sb2Te3三角锥结构含量可能在逐渐增多。Ge30-xSb10Se60Tex(x=9、12、15、18)硫系玻璃的热膨胀系数随Te元素含量增加,由1.90×10-5K-1增至2.38×10-5K-1。(3)随着Te元素含量的增加,Ge30-xSb10Se60Tex与Ge20-xSb10Se70Tex硫系玻璃的特征温度减小。Ge30-xSb10Se60Tex硫系玻璃的动力学理想玻璃化转变温度T0依次减小;玻璃化转变活化能Eg由185.574 KJ/mol增至358.723 KJ/mol;析晶活化能Ec随Te元素含量的增加,整体变化趋势增大,热稳定性提升;脆性参数m随Te元素含量增加由17.667增至46.279,其中Ge30-xSb10Se60Tex(x=3、6、9、12)硫系玻璃属于刚性液体,Ge30-xSb10Se60Tex(x=15、18、21)硫系玻璃属于中强度过冷液体。(4)Ge30-xSb10Se60Tex硫系玻璃的短波截止波长随Te元素含量的增加整体变化趋势向长波方向移动,2~16μm波长范围内平均红外透过率在37%~60%之间;Ge20-xSb10Se70Tex硫系玻璃的短波截止波长随Te元素含量增加逐渐向长波方向迁移,2~16μm波长范围内平均红外透过率在50%~70%之间,红外截止波长最远达到17.85μm,Te元素的引入使得红外截止边整体变化趋势向长波方向移动,使其在远红外区域的性能得到提升。(5)H(氢)元素和O(氧)元素是Ge-Sb-Se-Te硫系玻璃中的主要杂质元素,采用Ti丝作为除杂剂,能有效消除O元素和部分H元素,熔炼后Ti丝表面附着物的成分主要为挥发的原料Se以及TiO2、Ti2O3、Ti4O7和Ti7O13
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