制备含锗红外玻璃材料的设备及其工艺方法

专利名称：制备含锗红外玻璃材料的设备及其工艺方法
技术领域：
本发明涉及一种熔体淬冷法制备含锗红外玻璃材料的设备及其工艺方法， 属于无机块体材料制备的领域。
背景技术：
含锗红外玻璃有两元系和三元系，是一种性能优良的红外光学材料，它的 透射波段覆盖了近红外、中红外和远红外，并且具备良好的光学和热学性能， 被广泛的用作红外探测、成像装置的窗口和透镜。采用熔体淬冷工艺制备的含 锗红外玻璃材料具有均匀性好、纯度高和光学透过性能好(接近理论透过率) 等优点，因而国际上普遍采用熔体淬冷工艺制备含锗红外玻璃。
常用熔体淬冷工艺是将材料在高温炉里熔化后，放入冷水急冷成型。主要 设备是普通高温炉以及密闭容器。

发明内容
本发明的目的是提供一种采用熔体淬冷工艺制备含锗红外玻璃材料的设 备及其工艺方法，使所制得的含锗红外玻璃材料具有良好的热力学性能和光学 质量均匀性。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案-
一种制备含锗红外玻璃材料的设备，该设备包括有石英反应器、摇摆回转 炉，所述的石英反应器为由大小端组成的凸形的密闭容器，并固定在摇摆回转 炉的炉膛内，石英反应器的大端内壁均布设有若干块挡片；所述的摇摆回转炉 的炉体内设有保温层、加热体，该加热体采用两段加热，并将摇摆回转炉的炉 膛分为两个加热区化合区和熔铸区，石英反应器的小端置于摇摆回转炉的化 合区，其大端置于摇摆回转炉的熔铸区；摇摆回转炉设有将转动变为摇摆运动 的摇摆传动机构及其摇摆控制电机；所述的摇摆控制电机通过所述的摇摆传动 机构连接支架，支架通过其上的摇摆轴与固定支座转动连接，在支架上固接滑 动轴瓦，滑动轴瓦支撑摇摆回转炉的炉体，并与摇摆回转炉的炉体的圆周面滑 动配合，在支架上设有回转控制电机，该回转控制电机通过回转传动机构连接 摇摆回转炉的炉体端面上的中心轴。
其中，将转动变为摇摆运动的摇摆传动机构可以是四连杆传动机构；回转 传动机构可以是皮带传动机构、链传动机构、齿轮传动机构。
所述的石英反应器大端内壁的若干块挡片的长度、高度、宽度都分别相同。 所述的石英反应器大端内壁的挡片为四块。
本发明的制备含锗红外玻璃材料的密闭容器是采用高纯石英反应器，设计
在石英反应器大端内壁均布焊接有4个相同长度和相同高度的挡片，以使搅拌 时熔体液流紊乱，混合更均匀。摇摆回转炉采用两段加热分别称为化合区和熔 铸区，采用回转和摇摆同时进行来对熔体进行搅拌，所以称此为摇摆回转炉。 化合区温度和熔铸区温度分别由独立的一组温控设备分别控制，所以对化合区 和熔铸区没有特定限制，可任选摇摆回转炉的一侧作为化合区，另一侧作为熔 铸区。将石英反应器小端置于化合区，大端置于熔铸区。为了混合均匀，除了 上述两点外，还应注意熔体体积和石英反应器空间比例以及摇摆回转的速度。
本发明还有一个关键之点在于熔体体积和石英反应器空间的比例为1: 4 1: 10;摇摆回转炉的两温区的设计以及回转传动机构和摇摆传动机构的结构和速 度控制。
一种采用本发明的设备的工艺方法包括组分配比混合、真空脱氧熔封、 高温搅拌化合、冷却、淬冷、粗退火、精退火等步骤。 该工艺方法包括下述具体步骤
(1) 、按含锗红外玻璃材料的组分配比称取原料混合，装入石英反应器
中；
(2) 、将石英反应器抽真空至真空度低于10'3Pa，并熔封石英反应器；
(3) 、将石英反应器装入摇摆回转炉中，将石英反应器的小端置于摇摆
回转炉的化合区，其大端置于摇摆回转炉的熔铸区，并固定在摇摆回转炉的炉
膛内；
(4) 、将摇摆回转炉的化合区和熔铸区的温度升至850-950°C，升温时间 3~4小时，然后恒温，恒温1 3小时后，启动摇摆传动机构和回转传动机构， 并调整摇摆速度为10-30次/分，回转速度为5-10圈/分，持续10~20小时进 行高温搅拌化合；
(5) 、在高温搅拌化合后，先将摇摆回转炉的熔铸区降温，降温速率在 4-10°C/min， 10~20分钟后，将摇摆回转炉的化合区降温，速率控制在4-l(TC /min，并保持化合区和熔铸区温差在50-IOO'C;
(6) 、在熔铸区温度为400-550°C，化合区为450-60(TC时，取出石英反 应器，在水中进行淬冷；
(7) 、淬冷5-20秒后，将石英反应器放入粗退火炉中进行粗退火，以l-5°C/rain速度升至250-35(TC之间，恒温10~20小时之后降温，降温速率在0. 5-5 。C/min之间；
(8)、粗退火后，从石英反应器中取出玻璃材料，擦拭干净后放入石墨 处理盒中，然后将石墨处理盒及其中的玻璃材料一起放入精退火炉进行精退 火，退火温度在350-450'C之间，恒温30~50小时后降温，速率控制在0. 01-1 。C/min之间，将至室温，即得到含锗红外玻璃材料。
在所述的步骤(1)之前先进行步骤(1)'，即对石英反应器进行预处理 和烘烤，所述的预处理是用分析纯HF将石英反应器在50 7(TC条件下浸泡 3min，然后用去离子水清洗3 5次，再用无水乙醇清洗2~3次；所述的烘烤是 在清洗之后，将石英反应器在500 60(TC烘烤30 60分钟。
在所述的步骤(1)中，在按含锗红外玻璃材料的组分配比称取原料时， 将所需元素质量精确到10—3g，并在石英反应器中，再加入10 50PPM的Al。
在所述的步骤(1)中，在将原料装入石英反应器中，原料的体积和石英 反应器空间的比例为l: 4 1: 10。
在所述的步骤(3)中，在装炉前，在密闭的石英反应器小端头部穿入一 根钼丝。其主要目的是，在高温搅拌化合、降温之后，为了将石英反应器顺利 出炉。
在所述的步骤(3)中，采用硅酸铝纤维将石英反应器塞紧固定在炉膛内。 在上述的工艺方法中，所述的原料均采用纯度为99.9995%的高纯元素单质。
发明的效果-
本发明采用石英反应器和摇摆回转炉，结合本发明的工艺路线，有效的解 决了组分均匀性和均匀玻璃化等光学质量均匀性以及红外吸收问题。最终完成 了热力学性能良好，光学性能优异的含锗红外玻璃。本发明的设备结构、工艺 参数和工艺过程完全可以应用于大规模含锗红外玻璃材料的生产中。


图1为本发明的摇摆回转炉示意图。 图2为图1的侧视图。
图3为本发明的装有石英反应器的摇摆回转炉的炉体的器示意图。
具体实施例方式
如图l、图2、图3所示，为本发明的制备含锗红外玻璃材料的设备，该设 备包括有石英反应器6、摇摆回转炉。石英反应器6为由大小端组成的凸形的
密闭容器，其大端内壁均布设有4个相同长度和相同高度的挡片20。摇摆回转 炉的炉体15设有炉门(图中未示)，在摇摆回转炉的炉体15内设有保温层2、 加热体3，该加热体3采用两段加热，将摇摆回转炉的炉膛4分为两个加热区 化合区和熔铸区。石英反应器6的小端置于摇摆回转炉的化合区，其大端置于 摇摆回转炉的熔铸区，并采用硅酸铝纤维1将石英反应器6塞紧固定在炉膛4 内(图3中所示的硅酸铝纤维1为示意图，硅酸铝纤维l应将石英反应器6塞 紧)。在炉膛4内设有热电偶5。摇摆回转炉设有将转动变为摇摆运动的摇摆 传动机构、及回转传动机构。摇摆传动机构是采用四连杆传动机构8，是由摇 摆控制电机9连接四连杆传动机构8，四连杆传动机构8的另一端连接支架7， 支架7截面为U字型，是由底架和两个侧架组成，在两个侧架上的距左右两端 的中心线上分别对称连接摇摆轴16，两个摇摆轴16分别通过轴承17转动连接 固定支座11，四连杆传动机构8的另一端是连接支架7的其中的一个侧架上， 并且连接在该侧架上的距摇摆轴16的左右两侧的一侧上，支架7的底架上固 接滑动轴瓦13，滑动轴瓦13支撑摇摆回转炉的炉体15，并与摇摆回转炉的炉 体15的圆周面滑动配合，在滑动轴瓦13上可以使炉体15转动。启动摇摆控 制电机9，带动四连杆传动机构8工作，四连杆传动机构8带动支架7以摇摆 轴16为轴心作摇摆动作，从而带动炉体15作摇摆动作。摇摆控制电机9、固 定支座11分别安装在底座10上。在支架7上安装回转控制电机19，回转传动 机构采用皮带传动机构，回转控制电机19通过其皮带轮18、皮带12连接摇摆 回转炉的炉体15的端面上的中心轴的皮带轮14;启动回转控制电机19，带动 皮带轮18、皮带12、皮带轮14工作，从而带动炉体15在滑动轴瓦13转动。 这样，同时启动摇摆控制电机9、回转控制电机19，可以采用回转和摇摆同时 对石英反应器6内的熔体进行搅拌，有效的解决了组分均匀性和均匀玻璃化等 光学质量均匀性以及红外吸收问题，最终完成了热力学性能良好，光学性能优 异的含锗红外玻璃。 实施例
(1) 对石英反应器进行预处理，用分析纯HF在6(TC条件下浸泡3min， 然后用去离子水清洗4次，再用无水乙醇清洗3次。
(2) 石英反应器在55(TC条件下烘烤50分钟。
(3) 在称料间进行组分配比，将所需元素质量精确到l(T3g，装入石英反 应器中，再加入40PPM的A1。
(4) 将石英反应器连接到真空机组，进行真空脱氧，真空度低于l(T3Pa
时，用氢氧焰熔封石英反应器。
(5) 将密闭的石英反应器小端头部小孔穿过一根钼丝，装入摇摆回转炉 内，用硅酸铝纤维将石英反应器塞紧固定在炉膛内，并关紧炉门。
(6) 将化合区和熔铸区的温度升至90(TC，升温时间约3.5小时，然后恒 温3小时。
(7) 恒温3小时后，启动摇摆传动机构和回转传动机构，调整摇摆速度 在20次/分，回转速度在8圈/分，持续15小时。
(8) 在高温搅拌化合后，先将熔铸区降温，降温速率在8'C/min， 15分 钟后，将化合区降温，速率控制在8'C/min左右，保持化合区和熔铸区温差在 50-100。C。
(9) 等待熔铸区温度在400_550°C，化合区在450—600°C，取出石英反 应器，在水中进行淬冷。
(10) 淬冷IO秒，将石英反应器放入粗退火炉，以3。C/min速度升至300 °C，恒温15小时之后降温，降温速率在3°C/min。
(11) 从石英反应器中取出玻璃材料，将底部处理干净后放入石墨处理盒， 然后石墨处理盒及其中的玻璃材料一起放入精退火炉进行精退火，退火温度在 400°C，恒温40小时后降温，速率控制在0. rC/min，将至室温，即得到含锗 红外玻璃材料。
权利要求
1、一种制备含锗红外玻璃材料的设备，其特征在于，该设备包括有石英反应器、摇摆回转炉，所述的石英反应器为由大小端组成的凸形的密闭容器，并固定在摇摆回转炉的炉膛内，石英反应器的大端内壁均布设有若干块挡片；所述的摇摆回转炉的炉体内设有保温层、加热体，该加热体采用两段加热，并将摇摆回转炉的炉膛分为两个加热区化合区和熔铸区，石英反应器的小端置于摇摆回转炉的化合区，其大端置于摇摆回转炉的熔铸区；摇摆回转炉设有将转动变为摇摆运动的摇摆传动机构及其摇摆控制电机；所述的摇摆控制电机通过所述的摇摆传动机构连接支架，支架通过其上的摇摆轴与固定支座转动连接，在支架上固接滑动轴瓦，滑动轴瓦支撑摇摆回转炉的炉体，并与摇摆回转炉的炉体的圆周面滑动配合，在支架上设有回转控制电机，该回转控制电机通过回转传动机构连接摇摆回转炉的炉体端面上的中心轴。
2、 根据权利要求1的所述的制备含锗红外玻璃材料的设备，其特征在于， 所述的石英反应器大端内壁的若干块挡片的长度、高度、宽度都分别相同。
3、 根据权利要求1或2的所述的制备含锗红外玻璃材料的设备，其特征 在于，所述的石英反应器大端内壁的挡片为四块。
4、 一种使用权利要求1的设备制备含锗红外玻璃材料的工艺方法，其特 征在于，该工艺方法包括下述步骤(1) 、按含锗红外玻璃材料的组分配比称取原料混合，装入石英反应器中；(2) 、将石英反应器抽真空至真空度低于10'3Pa，并熔封石英反应器；(3) 、将石英反应器装入摇摆回转炉中，将石英反应器的小端置于摇摆 回转炉的化合区，其大端置于摇摆回转炉的熔铸区，并固定在摇摆回转炉的炉 膛内；(4) 、将摇摆回转炉的化合区和熔铸区的温度升至850-95(TC，升温时间 3~4小时，然后恒温，恒温1 3小时后，启动摇摆传动机构和回转传动机构， 并调整摇摆速度为10-30次/分，回转速度为5-10圈/分，持续10 20小时进 行高温搅拌化合；(5) 、在高温搅拌化合后，先将摇摆回转炉的熔铸区降温，降温速率在 4-l(TC/min， 10~20分钟后，将摇摆回转炉的化合区降温，速率控制在4-10'C /min，并保持化合区和熔铸区温差在50-100°C;(6) 、在熔铸区温度为400-550°C，化合区为450-600'C时，取出石英反 应器，在水中进行淬冷；(7) 、淬冷5-20秒后，将石英反应器放入粗退火炉中进行粗退火，以1-5 °C/min速度升至250-35(TC之间，恒温10~20小时之后降温，降温速率在0. 5-5 °C/min之间；(8) 、粗退火后，从石英反应器中取出玻璃材料，擦拭干净后放入石墨 处理盒中，然后将石墨处理盒及其中的玻璃材料一起放入精退火炉进行精退 火，退火温度在350-45(TC之间，恒温30 50小时后降温，速率控制在0. 01-1 'C/min之间，将至室温，即得到含锗红外玻璃材料。
5、 根据权利要求4的所述的制备含锗红外玻璃材料的工艺方法，其特征 在于，在所述的步骤(1)之前先进行步骤(1)'，即对石英反应器进行预处 理和烘烤，所述的预处理是用分析纯HF将石英反应器在50 70'C条件下浸泡 3min，然后用去离子水清洗3 5次，再用无水乙醇清洗2~3次；所述的烘烤是 在清洗之后，将石英反应器在500 60(TC烘烤30 60分钟。
6、 根据权利要求4或5的所述的制备含锗红外玻璃材料的工艺方法，其 特征在于，在所述的步骤(1)中，在按含锗红外玻璃材料的组分配比称取原 料时，将所需元素质量精确到10'3g，并在石英反应器中，再加入10 50PPM的 Al。
7、 根据权利要求6的所述的制备含锗红外玻璃材料的工艺方法，其特征 在于，在所述的步骤(1)中，在将原料装入石英反应器中，原料的体积和石英反应器空间的比例为l: 4 1: 10。
8、 根据权利要求7的所述的制备含锗红外玻璃材料的工艺方法，其特征 在于，在所述的步骤(3)中，在装炉前，在密闭的石英反应器小端头部穿入 一根钼丝。
9、 根据权利要求8的所述的制备含锗红外玻璃材料的工艺方法，其特征 在于，在所述的步骤(3)中，是采用硅酸铝纤维将石英反应器塞紧固定在炉 膛内。
全文摘要
一种制备含锗红外玻璃材料的设备及其工艺方法。该设备包括有石英反应器、摇摆回转炉。石英反应器为由大小端组成的凸形的密闭容器。将原料密封在石英反应器内，固定在摇摆回转炉内，在摇摆回转炉内化合、冷却成型，再经过退火处理。该方法包括组分配比混合、真空脱氧熔封、高温搅拌化合、冷却、淬冷、粗退火、精退火等步骤。其中，真空脱氧熔封时真空度低于10^-3Pa；高温搅拌化合控制为850-950℃；冷却时降温速率控制为4-10℃/min；淬冷温度控为400-550℃；粗退火温度为250-350℃，降温速率为0.5-5℃/min；精退火温度为350-450℃，降温速率为0.01-1℃/min。有效地解决了熔体淬冷制备含锗红外玻璃工艺中红外吸收和光学质量均匀性问题。
文档编号C03B5/00GK101353220SQ20071011966
公开日2009年1月28日 申请日期2007年7月27日 优先权日2007年7月27日
发明者海 杨, 石红春, 苏小平, 赵永田 申请人:北京有色金属研究总院;北京国晶辉红外光学科技有限公司