[发明专利]一种硫化铜掺杂的立方晶型硫化锌材料及其制备方法

说明书

所属领域

本发明涉及一种硫化铜掺杂的立方晶型硫化锌材料及其制备方法，该材料是一种高效红外透过材料。

背景技术

红外透过材料主要作为红外探测器和飞行器的窗口、头罩和整流罩等材料，该材料在要求的工作波段具有高红外线透过率的材料，保证红外设备能够得到足够的目标红外辐射信息，准确可靠的获取目标信息，进而确保探测的准确性；同时，还能保护红外设备不受外界高温、化学烟雾、风沙雨雪等恶劣环境的损伤。硫化锌ZnS是一种优良的红外透过材料，在3～5μm（3333～2000cm^-1）和8～12μm（1250～833cm^-1）波段具有高的红外透过率及出色的机械热学等综合性能，是最佳的飞行器双波段红外观察窗口和整流罩材料。国外已采用ZnS作为战斗机携带的夜间低空导航、红外瞄准系统的吊舱窗口以及Learjel飞机的窗口等。国内也选用镀膜处理ZnS作为飞机机载成像探测系统的吊舱窗口。

在红外透过材料中普遍应用的ZnS材料分为两种：单晶ZnS红外透过材料和多晶ZnS红外透过材料。单晶ZnS红外透过材料由于生长周期长、加工工艺复杂和材料利用率低等缺点，只适用于制作小尺寸的光学元件。多晶ZnS红外透过材料中应用广泛的是热压多晶ZnS红外透过材料，相对于单晶材料，其制备过程简单、材料利用率高且适用于制备大尺寸的光学元件。热压多晶ZnS材料的性能和原材料（及用于热压工艺的ZnS粉体材料）有紧密的关系，例如，多晶ZnS材料的化学稳定性由原材料的化学性质决定，多晶ZnS材料的红外透过性能受原材料红外透过性能的影响，多晶ZnS材料的晶粒尺寸很大程度由原材料颗粒大小决定。

ZnS有两种晶型：立方晶型（β-ZnS，称为闪锌矿）和六方晶型（α-ZnS，称为纤锌矿）。自然界中稳定存在且用作红外透过材料的是立方相的β-ZnS，但是立方相的β-ZnS会在1020℃变成由β-ZnS的多晶相构成的α-ZnS，在低温下很难得到α-ZnS。ZnS的相变温度随粉体粒径的减小而减小，例如当ZnS颗粒尺寸为2.8nm时，由立方相转变为六方相的相变温度为400℃，远远小于1020℃。因此，在热压过程中（温度范围是770～960℃）ZnS原材料常会出现晶型转变，导致得到的热压多晶ZnS材料中含有少量的六方相ZnS杂质，这些杂质常会成为散射的中心，降低材料的红外透过率，影响材料的红外性能。

文献[1]Heng Zhi Zeng,Ke Qiang Qiu,Yuan Yuan Du,Wen Zhang Li，A new way to synthesize ZnS nanoparticles,Chinese Chemical Letters.2007,18,483-486中采用ZnO和Na₂S为反应原料，通过固-液化学反应法得到了立方相的ZnS，平均颗粒尺寸为50nm，在400～4000cm^-1范围平均红外透过率大于85%。

文献[2]Taodao Sugimoto,Sixin Wu,Hiroyuki Itoh,Takashi Kojima，Well-defined fluorescentparticles of ZnS:Cu-Preparation and effects of annealing,J.Colloid Interface Sci.2003,257,47-55中采用溶胶-凝胶技术，以Zn-NTA螯合物和硫代乙酰胺分别作为硫源和锌源，添加Cu²⁺离子为掺杂剂，制备出具有优良荧光性能的ZnS:Cu纳米颗粒，其在600℃焙烧后依然保持立方相。

ZnS原材料的性能和粉体颗粒尺寸由原材料的制备工艺决定，不同的制备工艺得到的ZnS材料在光学物理等诸多性能和颗粒尺寸存在着一定差异。因此，寻找一种能够制备具有良好的光学性能、较高的晶型稳定性和适宜的颗粒尺寸的原材料的合成方法逐渐成为近年来研究的热点。可见，探索能够制备出满足应用要求的原材料同时还能提高原材料性能的制备方法具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种硫化铜掺杂的立方晶型硫化锌材料，本发明的另一个目的是提供该材料的制备方法，本方法的特点是能在高温条件下控制ZnS晶型。硫化铜掺杂的立方晶型硫化锌材料是一种高效红外透过材料。

本发明所提供的硫化铜掺杂的立方晶型硫化锌材料，简写为ZnS/Cu，是在ZnS中掺杂少量的CuS，其中CuS均匀分散在ZnS颗粒内，CuS的质量百分含量0.02～1.0%。