Способ получения поликристаллического сульфида цинка

 

Изобретение относится к области ИК-оптики и касается разработки способа получения монолитных образцов поликристаллического сульфида цинка, используемых в оптике видимого и ИК-излучения в качестве материала для конструкционных оптических элементов. Способ включает подачу паров сероводорода и цинка потоком аргона к нагретым до 600-700^oС подложкам и осаждение на них сульфида цинка при общем давлении в системе 0,013-0,13 атм, эквимолярных расходах цинка и сероводорода 0,15-0,17 л/ч, аргона 1,8-2,2 л/ч, и последующую газостатическую обработку полученного материала при 940-980^oС и давлении 890-2000 атм. Сульфид цинка, полученный предлагаемым способом, характеризуется модулем Юнга 93 ГПа, величиной оптического пропускания на длине волны 0,5 мкм 67% (для образца толщиной 3,5 мм), прочностью 95 МПа и микротвердостью 2 ГПа. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области ИК-оптики и касается разработки способа получения монолитных образцов поликристаллического сульфида цинка, используемых в оптике видимого и ИК-диапазона.

При использовании сульфида цинка в качестве материала окон оптических приборов, испытывающих механические нагрузки при эксплуатации, помимо высокого оптического пропускания, достаточной твердости и прочности, важными являются упругие свойства материала. Одно из таких свойств - модуль Юнга, характеризующий жесткость конструкционных оптических элементов из ZnS.

Известен способ получения ZnS газофазным химическим осаждением (CVD) с последующей обработкой полученного материала газостатическим прессованием (HIP) (ЕР 0935012 А2, US 6221482).

Стадию газостатического прессования проводят для улучшения оптических свойств материала, однако, наряду с улучшением оптических характеристик, на упомянутой стадии происходит рост зерна, что приводит к ухудшению механических характеристик, в частности прочности и твердости.

Из источников информации также известно (Isr. J. Technology, 1988, v.24, р. 627-632, Оптический журнал, 1992, N 7, с.53-57), что после газостатического прессования модуль Юнга сульфида цинка либо не меняется, либо его значение становится ниже.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения поликристаллического ZnS, включающий подачу паров сероводорода и цинка потоком аргона к нагретым до температуры ниже 735^oС подложкам и осаждение на них ZnS при общем давлении в системе менее 0,08 атм с последующей обработкой полученного материала газостатическим прессованием при температуре 900-1000^oС и давлении 1035-2070 атм (US 6083561).

Известный способ обеспечивает за счет проведения синтеза в указанных режимах получение ZnS с возможно малым размером зерна, чтобы на стадии газостатической обработки материала, улучшая оптические характеристики, не сильно ухудшить механические.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа получения поликристаллического сульфида цинка с улучшенными упругими характеристиками, являющегося исходным материалом для изготовления конструкционных оптических элементов.

Технический результат - повышение жесткости конструкционных оптических элементов, изготовленных из упомянутого материала.

Эта задача решается за счет того, что в способе получения поликристаллического сульфида цинка, включающем подачу паров сероводорода и цинка при эквимолярном соотношении потоком аргона к нагретым до 600-700^oС подложкам и осаждение на них ZnS с последующей обработкой полученного материала газостатическим прессованием при 940-980^oС, согласно изобретению осаждение проводят при общем давлении в системе 0,013-0,13 атм, расходах цинка и сероводорода 0,15-0,17 л/ч, аргона 1,8-2,2 л/ч, а газостатическую обработку проводят при давлении 890-2000 атм.

Предпочтительно температуру подложек, на которых осаждается сульфид цинка, поддерживать в интервале 650-670^oС, т.к. в этом интервале получают поликристаллический сульфид цинка с малым размером зерна, чтобы при последующей газостатической обработке материала, приводящей к неизбежному росту зерна, этот рост был по возможности минимален, а значит, ухудшение механических характеристик сведено до минимума.

Предпочтительно при получении ZnS общее давление в системе осаждения поддерживать 0,039-0,053 атм, т.к. в этом интервале материал получают наиболее однородным, с минимальным содержанием включений порошка и пор.

Целесообразно газостатическую обработку полученного ZnS вести при 975^oС и давлении 1500 атм, т.к. при таких режимах происходит наибольшее увеличение модуля Юнга, порядка 15%.

Увеличение модуля Юнга по данным метода акустического резонанса составляет 12-15% (при относительной ошибке измерения - 1%); абсолютное значение модуля Юнга - 93 ГПа. При этом результат неожиданный и неочевидный, ибо в упомянутых выше источниках информации содержатся сведения, что после газостатической обработки модуль Юнга либо не меняется, либо его значение становится ниже. Вместе с тем, после газостатической обработки величина оптического пропускания ZnS на длине волны 0,5 мм для образцов толщиной не более 4 мм составляет не менее 66%, прочность по данным метода трехточечного изгиба - 94,7-96 МПа, микротвердость - _v - 1,8-2,2 ГПа, что удовлетворяет требованиям к ИК-материалам.

Повышение жесткости получаемого материала, используемого для изготовления конструкционных оптических элементов, в частности окон ИК-диапазона, приводит к экономии дорогостоящего материала за счет возможного уменьшения толщины оптического элемента. Известна инженерная формула, связывающая критическую толщину оптического окна с модулем Юнга. (Opt. Eng., 1986, v.25, N 4, р.519-531; NBS Spec. Publ, 1985, v.688, р.106-127).

Совокупность режимов синтеза и газостатической обработки позволяет, при условии удовлетворительных оптических и механических свойств образцов ZnS, получить увеличение модуля Юнга не менее чем на 15%. Это дает возможность экономить материал при изготовлении окон оптических приборов. Данный способ обеспечивает возможность получения монолитного материала толщиной до 10 мм.

Отличительными признаками заявляемого изобретения являются проведение синтеза сульфида цинка при общем давлении в системе осаждения 0,013-0,13 атм, расходах цинка и сероводорода 0,15-0,17 л/ч, расходе аргона 1,8-2,2 л/ч, а проведение газостатической обработки - при давлении 890-2000 атм. Упомянутые режимы были подобраны экспериментальным путем и, как показали опыты, являются оптимальными с точки зрения поставленной задачи - повышение жесткости получаемого материала, характеристикой которой является модуль Юнга.

На стадии синтеза сульфида цинка при расходах реагентов в упомянутых выше интервалах, а также в указанном интервале давлений в системе осаждения, обеспечивается приемлемая скорость роста ZnS, не менее 70 мкм/ч, что обеспечивает достаточно высокую производительность. При расходах реагентов и давлениях ниже указанных интервалов скорость роста мала и процесс получения массивных образцов неэффективен, а при расходах и давлениях выше начинается гомогенная кристаллизация, приводящая к образованию включений порошкообразной фазы сульфида цинка в объеме образца.

При проведении газостатического прессования значение давления в газостате в интервале 890-2000 атм обусловливает высокую скорость схлопывания пор, являющихся основными источниками оптических потерь материала. (При давлении ниже 890 атм величина оптического пропускания не превышает 60%, а при давлении выше 2000 атм условия обработки не экономичны).

Пример. В проточный реактор с нагретыми до 670^oС графитовыми подложками при общем давлении в системе 0,047 атм подают потоки сероводорода, смешанного с аргоном, паров цинка в смеси с аргоном при эквимолярном соотношении цинка и сероводорода и их расходах по 0,15 л/ч и общем расходе аргона 1,9 л/ч. В результате взаимодействия активных реагентов происходит осаждение поликристаллического сульфида цинка со скоростью 90 мкм/ч в виде монолитных пластин. Из них вырезают образцы, исследуют оптико-механические характеристики и помещают в газостат для обработки высокой температурой и давлением. При давлении в газостате 1500 атм и 975^oС образцы сульфида цинка выдерживают в течение 24 ч.

До газостатической обработки образца значение модуля Юнга составляло 78,9 ГПа, после обработки - 91,5 ГПа. Величина оптического пропускания 3,5 мм образца ZnS на длине волны 0,5 мкм после обработки составила 67%, прочность по данным метода трехточечного изгиба - 95 МПа, микротвердость - 2 ГПа.

Формула изобретения

1. Способ получения поликристаллического сульфида цинка, включающий подачу паров цинка и сероводорода при эквимолярном соотношении потоком аргона к нагретым до 600-700°С подложкам и осаждение на них сульфида цинка с последующей обработкой полученного материала высокотемпературным газостатическим прессованием при температуре 940-980°С, отличающийся тем, что осаждение ведут при общем давлении в системе 0,013-0,13 атм, расходах цинка и сероводорода 0,15-0,17 л/ч, аргона 1,8-2,2 л/ч, а газостатическую обработку проводят при давлении 890-2000 атм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подложки при газофазном осаждении сульфида цинка нагревают до 650-670°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что общее давление в системе осаждения поддерживают в пределах 0,039-0,053 атм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что газостатическую обработку ведут при температуре 975°С и давлении 1500 атм.