[发明专利]一种高纯低损耗硫系玻璃的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硫系玻璃的制备方法，特别是一种高纯低损耗硫系玻璃的制备方法。

背景技术

硫系玻璃是指以周期表VIA 族元素S、Se、Te为主引入一定量其它金属或非金属元素形成的非晶态材料。由于较高的原子质量和较弱的化学键强，硫系玻璃具有较低的振动声子能量，从而使它们在红外波段具有优异的透射性能。在硫系玻璃中，硫化物、硒化物和碲化物玻璃的典型透射范围分别是0.5-10μm,0.8-14μm, 1.5-20μm。由硫系玻璃制作的红外光学元件和拉制的光纤在热成像、红外激光传输、化学和生物传感、外太空探测等领域具有极其重要的应用背景和潜力。

尽管硫系玻璃通常采用高纯原料在真空环境下熔制，原料的表面、石英安瓿的内壁、实验环境等往往会引入一定量的碳、氢、氧等杂质，这些杂质在1-15μm具有强烈的吸收，并容易使玻璃中形成微小气泡或微米级的异质包裹体，对玻璃的红外透光性能产生严重的负面影响，甚至导致硫系玻璃光学元件或光纤无法使用。因此，获得高纯度低损耗的硫系玻璃是制备相关光学元件和拉制低损耗光纤的基础和关键。

高纯硫系玻璃通常采用在纯化反应气氛环境下制备或者通过加入纯化剂后进行玻璃蒸馏获得。前者操作复杂，安全保护措施要求较高，玻璃成分不易准确控制；后者操作相对简单，玻璃蒸馏前后成分变化较小，提纯过程较容易控制。目前，硫系玻璃中的氧杂质通常采用加入铝、镁或锆金属除氧剂后蒸馏玻璃有效去除，除氧剂与玻璃中氧杂质的反应生成物在蒸馏温度具有极低的蒸汽压，这种反应生成物会在蒸馏玻璃的过程中残留在蒸馏管中。对于玻璃中的C和H杂质，通常采用加入超干AlCl₃或者TeCl₄纯化剂后蒸馏玻璃有效去除。纯化剂与C和H杂质的反应生成物CCl₄和HCl在蒸馏温度具有很高的蒸汽压，在玻璃开口式的动态蒸馏过程中会被抽走，而具有适中蒸汽压的硫系玻璃会在蒸馏过程中液化并凝固在蒸馏管的冷端。然而，当以AlCl₃为纯化剂时，反应生成的含铝化合物或/和未参与反应的AlCl₃易部分进入蒸馏后的玻璃中，倾向于在最终获得的玻璃中形成异质包裹体，导致Mie散射，影响玻璃的红外透光性能。TeCl₄不存在上述问题，因为Te本身就是硫族元素，易溶于硫系玻璃，但超干的TeCl₄很难获得。因此，寻找容易获得的高效的玻璃纯化剂对制备具有高均匀性的高纯低损耗硫系玻璃至关重要。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种制备高纯低损耗硫系玻璃的方法，解决传统制备方法易在玻璃中引入微米级异质包裹体的问题。

本发明的目的是这样实现的：制备方法是向硫系玻璃系统中引入200-2000ppm摩尔比的超干氯化镓作为除氢和碳杂质的纯化剂，引入100-500ppm摩尔比的铝、镁或锆作为除氧剂，通过动态蒸馏的方法进行提纯，获得均匀的高纯硫系玻璃；具体步骤如下：

1、玻璃混合料的配制

以纯度≥99.999%的单质元素按对应玻璃形成区中的配比配制玻璃混合料，加入200-2000ppm的玻璃纯化剂和100-500ppm除氧剂；配料过程在干燥的惰性环境中进行，将混合料装入羟基含量低于1ppm的干净石英安瓿中；

2、抽真空封接

将由步骤1所得盛有混合料的石英安瓿抽真空，当安瓿内真空度≤10^–3Pa时，将安瓿放在100-150^oC的管式炉中烘烤1-4个小时，然后用氢氧焰封接安瓿；

3、玻璃熔制

将由步骤2所得封接好的装有玻璃混合料的石英安瓿放入摇摆炉中，缓慢升温至800~950 ^oC，保温10~20小时后取出冷却，然后在对应的玻璃转变温度附近退火2-5个小时；

4、玻璃的蒸馏