[发明专利]多晶体硫族化物陶瓷材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种多晶体材料，其透射红外线光谱内的光线、例如0.7-14μm波长范围内的光线，诸如0.7-1.0μm近红外范围、3-5μm的中波红外(MWIR)范围或者8-14μm的长波红外(LWIR)范围的光线。这样的材料用于红外窗口、拱顶和透镜应用中。本发明还涉及一种制备多晶体ZnS陶瓷材料的独特方法。

背景技术

红外传感器用于民用和军事应用。例如，红外传感器可以用于热追踪导弹的导航技术或可以用于检测发射红外辐射的任何物体。为了保护这些易碎和敏感装置，IR传感器一般定位在称作红外窗口或拱顶的结构后面。例如，外部的IR窗口或拱顶用于卫星、导弹、航空器和其他类似装置。这些IR窗口提供两个基本功能。首先，IR窗口当然必须能够将红外光线透射到IR传感器。另外，IR窗口必须能够保护传感器不受外部环境伤害。

如Propst et al.(US 5,425,983)所述，对于飞行器、诸如导弹和航空器中，IR传感器一般安装在导弹或航空器的鼻部或腹部并且因此沿飞行路径的方向面向前方，以在向前的方向上具有自由视野。因此，尤其在当导弹或航空器高速行驶和/或飞越沙漠区域时，保护IR传感器的IR窗口或拱顶由于诸如雨水和灰尘等颗粒而承受损伤、恶化或腐蚀。这可能导致窗口材料强度的降低、窗口透射红外光线能力的降低或者甚至于窗口材料自身的失效。

红外窗口由例如在2-12μm或8-14μm波长范围中透明的材料制成。即，它们透射例如至少50％的相当大比例的入射红外光线。为了获得此水平的透射，用于红外窗口或拱顶的一般材料是蓝宝石、锗、硅、氟化镁、磷化镓、以及诸如硫化锌、硒化锌、碲化锌以及碲化镉的硫族化物材料(II-VI材料)。

虽然这些材料在至少一部分红外光谱内呈现足够的透射率，但是它们的强度对于某些应用而言不是始终足够的。作为红外窗口材料，蓝宝石的强度是很大的。但是，蓝宝石透射中波长范围的红外光线的能力在5μm波长处降低并且对6μm及以上波长的红外光线不具有透过性。另外，蓝宝石难以机加工并且因此可能不适于需要特殊弯曲度的应用，诸如用于在制导导弹的鼻部中保护传感器的IR拱顶。

诸如硫化锌、硒化锌、锗、砷化镓等其他材料在红外光谱中、甚至在更大厚度下保持良好的透射水平。但是，这些材料的强度在许多情况下不足以抵抗某些应用中IR窗口暴露的腐蚀以及恶化、诸如在高速导弹和航空器中暴露到雨水和灰尘。

多年前，在红外窗口的生产中已经知道使用硫化锌。起初，硫化锌IR窗口通过热压处理制成。例如，见Carnall et al.(US 3,131,025和US 3,131,238)，其公开了一种通过将硫化锌粉末放置在模具中然后将模具抽成真空来制备由多晶体制成的光学元件的方法。将硫化锌加热到1420℉-1770℉(例如，1550℉)的高温并且然后在保持高温同时通过液压机使硫化锌承受20000-40000psi的压力5-35分钟。Carnall et al.(US 3,131,026)、Roy et al.(US 3,454,685)、以及Martin et al.(US 4,366,141)也公开了用于热压硫化锌粉末的材料和方法。

但是，还需要提供具有更好光学性能的更大尺寸的ZnS材料。因此，开发出了用于制造ZnS窗口的化学气相沉积(CVD)方法。在CVD方法中，气化的锌固体与硫化氢在高温下(high-temperat)反应。例如Teverovsky et al.(US 5,383,969)公开了用于CVD生产ZnS的方法和设备。但是，仍需要提供一种红外光学材料，其不但在红外光谱内呈现足够的光学性能，并且具有改善的机械性能、诸如高硬度，以承受IR窗口和拱顶所暴露的恶劣环境。

发明内容

因此，本发明的一方面在于提供一种多晶体陶瓷成分，其在0.7-14μm波长范围内、例如1-10μm或8-12μm波长范围内呈现良好的光学透射性能。本发明的另一方面在于这样材料在红外窗口、拱顶和透镜应用中的用途。本发明的又一方面在于用于制备本发明多晶体陶瓷材料的独特方法。

在说明书和随附的权利要求的进一步地研究的基础上，本领域一般技术人员能够清楚了解本发明的其他方面和优点。

因此，根据本发明，提供一种烧结多晶体陶瓷体，其包括具有立方结构的多晶性型的硫族化物材料、例如硫化锌闪锌矿，并且所述硫族化物材料在1100nm波长处具有小于等于2.75cm^-1的消光系数以及大于180kg/mm²的维氏硬度。