化合物钠硼氧氯光学晶体及其制备方法和用图
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种化合物钠硼氧氯Na3B4O7Cl和钠硼氧氯光学晶体的制备方法和用途。
【背景技术】
[0002]硼酸盐晶体中，硼原子可采用两种杂化方式与氧原子键合:平面三角形的Sp2杂化[ΒΦ3]和四面体形的Sp3杂化[ΒΦ J (Φ = O2 , OH ) ο [ΒΦ3]和[ΒΦ4]基团共用顶点(氧原子)或共边连接形成刚性的硼氧聚阴离子基团，这些基团是晶体结构中的阴离子重复单元，即基本结构单元(FBB)。FBB再缩合或多聚形成岛状孤立基团、一维无穷链状基团、二维无穷层状基团和三维无穷骨架状基团，从而形成了丰富多彩的硼酸盐晶体的结构类型。由于硼酸盐晶体结构的多样性，从而得以制备出一些引人注目的功能晶体材料。例如 a -BaB2O4 ( α -ΒΒ0)，β -BaB2O4 ( β _ΒΒ0)、LiB3O5 (LBO)晶体、CsB3O5 (CBO)晶体、CsLiB6O10(CLBO)晶体和KBe2BO3F2 (KBBF)晶体。虽然这些材料的晶体生长技术已日趋成熟，但仍存在着明显的不足之处:如晶体易潮解、生长周期长、层状生长习性严重及价格昂贵等。因此，合成新的光学晶体材料仍然是一个非常重要而艰巨的工作。
[0003]随着科技的发展，对新型功能材料提出越来越多的的需求，如何更有效地进行硼酸盐新材料设计成为许多科技工作者和企业界关注的话题。在发展新型光学晶体时，人们仍然选择透光范围宽的硼酸盐晶体，并且为了进一步的拓宽透光范围，使其紫外截止边可以达到深紫外，阳离子通常使用没有d-d电子跃迀的碱金属或碱土金属，并且在硼酸盐骨架中引入卤素离子。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于提供一种化合物钠硼氧氯，该化合物的化学式为Na3B4O7Cl,分子量为259.66，属于六方晶系，空间群为P6522。采用固相反应法合成该化合物。
[0005]本发明另一目的是提供一种钠硼氧氯光学晶体的制备方法。
[0006]本发明又一个目的是提供一种钠硼氧氯光学晶体的用途，可用于制备窗口、透镜或棱镜。例如:用在红外探测器和飞行器中的窗口、头罩或整流罩等；用于显微镜和望远镜中的凸透镜；用于潜望镜，双目望远镜等仪器中改变光的进行方向的三棱镜等。
[0007]本发明所述一种化合物钠硼氧氯光学晶体，该化合物的化学式为Na3B4O7Cl,分子量为259.66，属于六方晶系，空间群为P6522，采用固相反应法合成该化合物。
[0008]所述钠硼氧氯光学晶体的制备方法，采用固相反应法及高温溶液法生长晶体，具体操作按下列步骤进行:
[0009]a、采用固相反应法，按摩尔比Na:B:Cl = 3:4:1称取原料放入研钵中，研磨均匀后放入刚玉坩祸，将刚玉坩祸置于马弗炉中，缓慢升温至400°C，恒温12小时，冷却后取出坩祸，将样品研磨均匀，再置于坩祸中，将马弗炉升温至650°C，恒温48小时后将样品取出，放入研钵中仔细研磨得到钠硼氧氯化合物单相多晶粉末，再对该多晶粉末进行X射线分析，所得X射线谱图与Na3B4O7Cl单晶研磨成粉末后的X射线谱图是一致的；
[0010]b、将步骤a制备的钠硼氧氯化合物单相多晶粉末与助熔剂按摩尔比1:1-12均匀混合，装入铂金坩祸中，以温度I 一 80°C /h的升温速率加热至温度600 - 750°C，恒温6 —100小时，得到混合熔液；
[0011]或按摩尔比Na:B:Cl = 3:4:1直接称取原料，与助熔剂混合均匀，以温度I 一800C /h的升温速率加热至温度600 - 750°C，恒温6 — 100小时，得到混合熔液；
[0012]C、将步骤b得到的混合熔液降温至550°C — 670°C，将籽晶杆伸入液面以下，以温度0.5 — 5°C /h的速率缓慢降温5 - 100°C，将籽晶杆提出液面，籽晶杆上会有聚集物，再以温度I 一 80°C /h的速率降至室温，获得钠硼氧氯籽晶；
[0013]d、将步骤b的混合熔液降温至540 - 660°C，将步骤c得到的籽晶固定在籽晶杆上，从晶体生长炉顶部下籽晶，先将籽晶预热5 - 60分钟，然后将籽晶下至接触混合熔液液面或混合熔液中进行回熔，恒温5 - 60分钟，快速降至温度530 - 655°C ;
[0014]e、再以温度0.1 - 3°C /天的速率缓慢降温，以O — 10rpm转速旋转籽晶杆进行晶体的生长，待单晶生长到所需尺度后，将晶体提离混合熔液表面，并以温度I 一 80°C /h速率降至室温，然后将晶体从炉膛中取出，即可得到钠硼氧氯光学晶体。
[0015]步骤a所述含钠化合物为Na2C03、Na2O, Na2C2O4, Na2B4O7^ NaNO 3，含硼的化合物为H3BO3, B2O3,含氯化合物为NaCl。
[0016]步骤b 所述助熔剂为 PbO、H3BO3-Na2O 或 H3B03_Pb0。
[0017]步骤b中化合物钠硼氧氯与助熔剂的摩尔比为1:1 一 12。
[0018]助熔剂H3BO3-Na2O或H3BO3-PbO体系中H3BO3与氧化物的摩尔比为1-6:1-5。
[0019]所述的氯硼酸钠光学晶体在制备红外探测器和飞行器中的窗口、头罩或整流罩或显微镜和望远镜中的凸透镜或潜望镜或双目望远镜仪器中改变光的进行方向的三棱镜中的用途。
[0020]本发明所述的钠硼氧氯光学晶体及制备方法和用途，原则上，采用一般化学合成方法都可以制备化合物Na3B4O7Cl,现优选固相反应法，该化合物有以下几个典型的可以得到Na3B4O7Cl化合物的化学反应式:
[0021](l)Na2C03+NaCl+4H3B03—Na3B407Cl+C02 t +6H 20 ?
[0022](2)Na20+NaCl+4H3B03—Na3B407Cl+6H20 ?
[0023](3)Na2C204+NaCl+4H3B03+l/202 t — Na3B407Cl+2C02 t +6H 20 ?
[0024](4) 2NaN03+NaCl+4H3B03— Na 3B407C1+2N02 ? +6H 20 ? +1/2(? ?
[0025](5) Na2B407+NaCl — Na3B4O7Cl
[0026](6) Na2C03+NaCl+2B203— Na 3B407C1+C02 ?
[0027](7) Na20+NaCl+2B203— Na 3B407C1
[0028](8) Na2C204+NaCI+2B203+1/202 ? — Na 3B407C1+2C02 ?
[0029](9) 2NaN03+NaCl+2B203— Na 3B407C1+2N02 ? +1/20 2 ?
[0030]本发明提供钠硼氧氯光学晶体，该晶体化学式为Na3B4O7Cl,分子量为259.66，属于六方晶系，空间群为Ρ6522。
[0031]本发明提供Na3B4O7Cl光学晶体的制备方法，采用助熔剂法生长晶体，可获得尺寸为厘米级的Na3B4O7Cl13该晶体机械硬度适中，易于切割、抛光加工和保存，不溶于水，不潮解，在空气中稳定，适用于制作窗口、透镜和棱镜等光学器件。例如:用在红外探测器和飞行器中的窗口、头罩或整流罩等；用于显微镜和望远镜中的凸透镜；用于潜望镜，双目望远镜等仪器中改变光的进行方向的三棱镜等。
【附图说明】
[0032]图1为本发明Na3B4O7Cl粉末的X-射线衍射图；
[0033]图2为本发明Na3B4O7Cl的晶体结构图；
[0034]图3为本发明生长的晶体的照片；
[0035]图4为本发明窗口使用示意图，其中I为保护盖，2为法兰底座，3为晶体材料(窗口)，4为密封圈，5为密封圈，6为外旋压圈；
[0036]图5为本发明凸透镜原理示意图；
[0037]图6为本发明棱镜使用示意图。
【具体实施方式】
[0038]以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明:
[0039]实施例1:
[0040]按反应式:(l)Na2C03+NaCl+4H3B03—Na 3B407C1+C02 ? +6Η 20 ? 合成 Na3B4O7Cl 化合物；
[0041 ] 将Na2C03、NaCl、H3BO3按摩尔比1: 1:4称取原料放入研钵中，混合并仔细研磨，然后装入OlOOmmXlOOmm的开口刚玉坩祸中，放入马弗炉中，缓慢升温至400°C，恒温12小时，冷却后取出坩祸，将样品研磨均匀，再置于坩祸中，将马弗炉升温至650°C，恒温48小时后将样品取出，放入研钵中仔细研磨得到钠硼氧氯化合物单相多晶粉末，再对该多晶粉末进行X射线分析，所得X射线谱图与Na3B4O7Cl单晶研磨成粉末后的X射线谱图是一致的；
[0042]反应式中的碳酸钠由氧化钠、草酸钠或硝酸钠替换，硼酸由氧化硼替换；
[0043]将合成的钠硼氧氯Na3B4O7Cl化合物与助熔剂PbO按摩尔比1:3进行混配，装入Φ 80mmX 80mm的开口铂金坩祸中，以温度50°C /h的升温速率加热至温度680°C，恒温24小时，得到钠硼氧氯混合熔液；
[0044]再将混合熔液降温至620°C，将籽晶杆快速伸入液面以下，以温度2V /h的速率缓慢降至520°C，将籽晶杆提出液面，籽晶杆上会有聚集物，再以温度50°C /h的速率降至室温，获得Na3B4O7Cl籽晶；
[0045]在化合物熔液中生长晶体:将得到的钠硼氧氯混合熔液降至温度610°C，