?紅外材料元素級(jí)ZnS高溫性能研究

作為一種重要的中長(zhǎng)波紅外窗口材料，元素級(jí)ZnS具有良好的光學(xué)性能和力學(xué)性能。目前，高超聲速飛行器的發(fā)展迫切需要開展元素級(jí)ZnS紅外窗口的高溫性能研究。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中材人工晶體研究院有限公司、北京中材人工晶體研究院有限公司和中國(guó)人民解放軍93160部隊(duì)組成的科研團(tuán)隊(duì)在《人工晶體學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“元素級(jí)ZnS高溫性能研究”為主題的文章。該文章第一作者為崔洪梅高級(jí)工程師。

本文研究了不同溫度下元素級(jí)ZnS的高溫性能，結(jié)果表明，元素級(jí)ZnS的輻射率隨著波長(zhǎng)增大而增加，且同一波長(zhǎng)下隨溫度的升高而增加。折射率、熱光系數(shù)和線膨脹系數(shù)隨溫度的升高而增大。溫度對(duì)彎曲強(qiáng)度幾乎無(wú)影響，彈性模量隨溫度升高而降低，800 ℃時(shí)的彈性模量與室溫下的相比下降約30%。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程

元素級(jí)CVD ZnS試驗(yàn)樣品由中材人工晶體研究院有限公司采用化學(xué)氣相沉積法制備得到。將制備的元素級(jí)ZnS根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行切割拋光得到ZnS晶片作為試樣。低溫段（室溫~ 200 ℃）和高溫段（200 ~600 ℃）比熱容測(cè)試分別采用美國(guó)PE公司的DSC8000差示掃描量熱儀和法國(guó)賽特拉姆公司的Setaram MHTC96高溫量熱儀，熱導(dǎo)率采用美國(guó)TA公司的DLF1600激光閃光儀進(jìn)行測(cè)試，熱膨脹系數(shù)采用德國(guó)NETSCH的TMA 402F3熱機(jī)械分析儀進(jìn)行測(cè)試，不同溫度下元素級(jí)ZnS的折射率采用美國(guó)Woolam公司的IR-VASE型橢偏儀測(cè)試，測(cè)量光譜范圍2 μm ~ 12 μm，測(cè)試原理可參考文獻(xiàn)。不同溫度下的輻射率測(cè)試采用日本JASCO公司生產(chǎn)的FTIR-6100型傅里葉光譜分析儀。不同溫度下的透過(guò)率測(cè)試采用美國(guó)NICOLET的Nexus 670型光譜分析儀。不同溫度下的彎曲強(qiáng)度測(cè)試采用三思泰捷的CMT5504高溫萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。

結(jié)果與討論

溫度對(duì)元素級(jí)ZnS中長(zhǎng)波法向光譜輻射率的影響

采用傅里葉紅外光譜分析儀基于能量法測(cè)量不同溫度下元素級(jí)ZnS法向光譜輻射率來(lái)表征其中長(zhǎng)波輻射率。圖1為不同溫度下元素級(jí)ZnS在3.0 μm ~5.5 μm、7.0 μm ~ 10.5 μm的法向光譜輻射率變化曲線，表1為元素級(jí)ZnS在200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃條件下，3.0 μm ~ 5.5 μm和7.0 μm ~ 10.5 μm波段的法向光譜輻射率，從圖中可以看出在3.0 μm ~ 5.5 μm和7.0 μm ~ 10.5 μm波段，同一波段其法向光譜輻射率均呈現(xiàn)隨溫度升高而增大的趨勢(shì)，4.25 μm左右的突出峰是由大氣中二氧化碳引起的。

圖1 不同溫度下元素級(jí)ZnS在3.0 μm ~ 5.5 μm (a)和7.0 μm ~ 10.5 μm (b)法向光譜輻射率

溫度對(duì)元素級(jí)ZnS透過(guò)率的影響

紅外光學(xué)材料的透射波長(zhǎng)范圍是由材料本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)決定的，長(zhǎng)波截止取決于晶體結(jié)構(gòu)和晶格熱振動(dòng)。元素級(jí)ZnS在常溫下有較高的透過(guò)率，本文對(duì)10 mm厚元素級(jí)ZnS進(jìn)行不同溫度下透過(guò)率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示，從圖中可以看出從室溫到500 ℃范圍內(nèi)，溫度對(duì)元素級(jí)ZnS 2.0 μm ~9.5 μm波段透過(guò)率影響并不大，對(duì)9.5 μm以后波段影響較大，也就是說(shuō)溫度對(duì)元素級(jí)ZnS截止波長(zhǎng)的透過(guò)率影響很大，隨著溫度的升高，透過(guò)率明顯降低，長(zhǎng)波截止限向左移動(dòng)。以10 μm透過(guò)率為例，透過(guò)率由常溫的72.85%下降到500 ℃的64.45%。這主要是溫度的升高使晶格振動(dòng)加劇，吸收增加，透過(guò)率降低。

圖2 元素級(jí)ZnS在不同溫度下的透過(guò)率

溫度對(duì)元素級(jí)ZnS折射率和熱光系數(shù)的影響

折射率隨著溫度變化的系數(shù)dn / dt稱為熱光系數(shù)，它是光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)需要補(bǔ)償?shù)牧?，在高低溫度范圍?nèi)，其變化越大，對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的難度越大。圖3為不同溫度條件下，元素級(jí)ZnS折射率和熱光系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系曲線，從圖3(a)中可以看出，元素級(jí)ZnS的折射率隨著波長(zhǎng)的增加而降低，同一波長(zhǎng)下，隨著溫度的升高，折射率線性增大。從圖3(b)中可以看出在同一溫度下，隨著波長(zhǎng)的增大，元素級(jí)ZnS的熱光系數(shù)dn / dt呈下降趨勢(shì)，在同一波長(zhǎng)下，隨著溫度的升高，熱光系數(shù)dn / dt增大，4 μm ~ 9 μm波段內(nèi)熱光系數(shù)dn / dt基本一致。在500 ℃時(shí)熱光系數(shù)相對(duì)較大，其值為53 × 10??℃?1。

圖3 不同溫度下，元素級(jí)ZnS樣品的折射率(a)和熱光系數(shù)(b)隨波長(zhǎng)的變化曲線

溫度對(duì)元素級(jí)ZnS比熱容、熱擴(kuò)散率、導(dǎo)熱系數(shù)的影響如圖4所示。溫度對(duì)元素級(jí)ZnS線膨脹系數(shù)的影響如圖5所示。

圖4元素級(jí)ZnS熱擴(kuò)散率(a)和導(dǎo)熱系數(shù)(b)隨溫度變化曲線

圖5 線膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系

溫度對(duì)元素級(jí)ZnS彈性模量、彎曲強(qiáng)度的影響彈性模量是物體內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)相對(duì)位移單位長(zhǎng)度所需的拉伸應(yīng)力，彈性模量越大，所需的應(yīng)力越大，表明質(zhì)點(diǎn)間相對(duì)位移越難，材料剛度越大。對(duì)元素級(jí)ZnS進(jìn)行了室溫、400、800 ℃下的彈性模量測(cè)試，室溫下彈性模量為79.6 GPa，400 ℃下彈性模量為67 GPa，800 ℃下彈性模量為53 GPa（相比室溫下的彈性模量下降約30%）。很明顯隨著溫度升高，元素級(jí)ZnS的彈性模量明顯下降。溫度升高時(shí)，材料由于熱膨脹，原子間距變大，結(jié)合能減小，因而彈性模量隨溫度上升而降低。對(duì)元素級(jí)ZnS進(jìn)行了不同溫度下的彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)樣品如圖6所示。

圖6 彎曲強(qiáng)度測(cè)試樣品

結(jié)論

對(duì)于元素級(jí)ZnS而言，在500 ℃以下，用于3 μm ~ 5.5 μm波段的探測(cè)器紅外窗口時(shí)，溫度對(duì)其透過(guò)率和法向輻射率影響并不大，說(shuō)明在此波段內(nèi)作為探測(cè)器窗口使用時(shí)，即使在較高溫度下對(duì)探測(cè)器成像性能影響也不大。作為7 μm ~ 10.5 μm波段的探測(cè)器紅外窗口時(shí)，溫度對(duì)9.5 μm之前波段的透過(guò)率和輻射率影響較小，但9.5 μm以后，其透過(guò)率明顯降低，輻射率明顯增大，溫度越高變化越明顯。元素級(jí)ZnS的折射率隨著波長(zhǎng)的增加而降低，同一波段隨著溫度的升高而略有增大，熱光系數(shù)隨著溫度的升高而增大。600 ℃以內(nèi)，元素級(jí)ZnS的彎曲強(qiáng)度受溫度影響小沒(méi)有明顯變化。線膨脹系數(shù)、比熱容隨著溫度上升而增大，導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散率、彈性模量隨著溫度上升而下降。通過(guò)對(duì)元素級(jí)ZnS的高溫性能進(jìn)行研究，為其應(yīng)用于中長(zhǎng)波探測(cè)器的紅外窗口提供了數(shù)據(jù)支持。

論文鏈接：

http://rgjtxb.jtxb.cn/CN/Y2023/V52/I12/2222

審核編輯：劉清