[发明专利]一种低温制备高稳定性γ相纳米硫化镧粉体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低温制备高稳定性γ相纳米硫化镧粉体的方法，该方法所制备的γ相硫化镧粉体可在室温～1300℃范围下仍保持为γ相结构，具有很高的热力学稳定性，适合于为热压烧结制备立方硫化镧多晶材料提供原料。

背景技术

硫化镧化合物共存在3种晶相结构即：α相、β相和γ相，其中α-La₂S₃属于斜方晶系为常温稳定相；β-La₂S₃为四方结构，其热力学稳定范围为900℃～1300℃；γ-La₂S₃为体心立方结构(带有金属空穴的Th₃P₄结构)，其在温度高于1300℃时为稳定相。在实际的技术应用中，γ相硫化镧具有较α相和β相更为重要的应用背景，特别γ-La₂S₃晶体在中远红外波段具有优良的透过性质，可以作为8～14μm的红外透波材料，而此波段作为重要的大气窗口之一，是侦察、预警和军事防御等技术最关心的波段。同时γ-La₂S₃晶体具有高的熔点(2100-2150℃)、高的硬度、大的机械强度、良好的热学稳定性以及优秀的抗雨蚀砂蚀能力，其满足了高速飞行器的红外窗口和导流罩对材料提出的多重要求，因此γ-La₂S₃多晶在替代目前常用的硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)等中远红外窗口材料方面具有极大的优势，是下一代8～14μm的红外窗口的关键材料。由于硫化镧的高熔点及镧-氧原子高的亲和能，γ-La₂S₃单晶制备相当困难，其应用主要是基于γ-La₂S₃热压多晶的制备，这归因于γ-La₂S₃具有的立方Th₃P₄结构决定了其在形成热压多晶时不因为光学各向异性而引起红外光散射导致透过率下降或者失透。此外，作为优秀的高温热电材料的硫化镧多晶也要求其具备立方γ相结构。因此，制备硫化镧粉体并控制其相结构为γ相，特别是制备出具有高热力学稳定性的γ-La₂S₃粉体对该材料的实际应用发展具有重要意义。

目前报到的γ相硫化镧粉体的制备方法包括晶相转化法[V.V.Sokolov，Kamarzin A.A.，Trushnikova L.N.，et al，Optical materials containing rare earth Ln₂S₃sulfides，Journal of Alloys and Compounds，1995，225(1-2)：567-570]和前驱体硫化法[P.N.Kamta，S.H.Risbudt，Chemical process of rare earth chalcogenides，Progress Crystal Growth and Characteristics，22(1991)321～383，P.N.Kumta，S.H.Risbud，Low Temperature Synthesis of Cubic lanthanum Sulfide(La2S3)Powders，Material Science&Engineer，B，2(1989)281～286]。晶相转化法主要采用金属La和S单质粉体在石英管中混合后于600℃下反应获得α-La₂S₃，然后将α-La₂S₃于950℃下保温3天转化为β-La₂S₃，再将β-La₂S₃于1500℃和2150℃在真空封闭的钨坩埚中长时间热处理以转化为γ-La₂S₃。前驱体硫化法是将镧的氧化物La₂O₃或镧的醇盐与硫化剂H₂S进行长时间高温反应，最终获得稀土硫化物，这种方法的硫化温度通常要在1000～1300℃以上，而且此时前驱体并不能完全被硫化成γ-La₂S₃。显然这些方法对工艺设备和条件要求苛刻，硫化温度高、时间长、成本较高。更重要的缺陷是反应不完全，无法获得纯相产物，产物中含有不同程度的β相和硫氧化物。

发明内容