?紅外材料元素級ZnS高溫性能研究

作為一種重要的中長波紅外窗口材料，元素級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ZnS紅外窗口的高溫性能研究。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，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》期刊上發(fā)表了以“元素級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工程師。

本文研究了不同溫度下元素級ZnS的高溫性能，結(jié)果表明，元素級ZnS的輻射率隨著波長增大而增加，且同一波長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。溫度對彎曲強(qiáng)度幾乎無影響，彈性模量隨溫度升高而降低，800 ℃時的彈性模量與室溫下的相比下降約30%。

實(shí)驗(yàn)過程

元素級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 ℃）比熱容測試分別采用美國PE公司的DSC8000差示掃描量熱儀和法國賽特拉姆公司的Setaram MHTC96高溫量熱儀，熱導(dǎo)率采用美國TA公司的DLF1600激光閃光儀進(jìn)行測試，熱膨脹系數(shù)采用德國NETSCH的TMA 402F3熱機(jī)械分析儀進(jìn)行測試，不同溫度下元素級ZnS的折射率采用美國Woolam公司的IR-VASE型橢偏儀測試，測量光譜范圍2 μm ~ 12 μm，測試原理可參考文獻(xiàn)。不同溫度下的輻射率測試采用日本JASCO公司生產(chǎn)的FTIR-6100型傅里葉光譜分析儀。不同溫度下的透過率測試采用美國NICOLET的Nexus 670型光譜分析儀。不同溫度下的彎曲強(qiáng)度測試采用三思泰捷的CMT5504高溫萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。

結(jié)果與討論

溫度對元素級ZnS中長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量不同溫度下元素級ZnS法向光譜輻射率來表征其中長波輻射率。圖1為不同溫度下元素級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，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

溫度對元素級ZnS透過率的影響

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

圖2 元素級ZnS在不同溫度下的透過率

溫度對元素級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)時需要補(bǔ)償?shù)牧浚诟叩蜏囟确秶鷥?nèi)，其變化越大，對光學(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ZnS折射率和熱光系數(shù)隨波長的變化關(guān)系曲線，從圖3(a)中可以看出，元素級ZnS的折射率隨著波長的增加而降低，同一波長下，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，隨著波長的增大，元素級ZnS的熱光系數(shù)dn / dt呈下降趨勢，在同一波長下，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 ℃時熱光系數(shù)相對較大，其值為53 × 10??℃?1。

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

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

圖4元素級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

溫度對元素級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)相對位移單位長度所需的拉伸應(yīng)力，彈性模量越大，所需的應(yīng)力越大，表明質(zhì)點(diǎn)間相對位移越難，材料剛度越大。對元素級ZnS進(jìn)行了室溫、400、800 ℃下的彈性模量測試，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ZnS的彈性模量明顯下降。溫度升高時，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。對元素級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)度測試樣品

結(jié)論

對于元素級ZnS而言，在500 ℃以下，用于3 μm ~ 5.5 μm波段的探測器紅外窗口時，溫度對其透過率和法向輻射率影響并不大，說明在此波段內(nèi)作為探測器窗口使用時，即使在較高溫度下對探測器成像性能影響也不大。作為7 μm ~ 10.5 μm波段的探測器紅外窗口時，溫度對9.5 μm之前波段的透過率和輻射率影響較小，但9.5 μm以后，其透過率明顯降低，輻射率明顯增大，溫度越高變化越明顯。元素級ZnS的折射率隨著波長的增加而降低，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ZnS的彎曲強(qiáng)度受溫度影響小沒有明顯變化。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。通過對元素級ZnS的高溫性能進(jìn)行研究，為其應(yīng)用于中長波探測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