​红外材料元素级ZnS高温性能研究

作为一种重要的中长波红外窗口材料，元素级ZnS具有良好的光学性能和力学性能。目前，高超声速飞行器的发展迫切需要开展元素级ZnS红外窗口的高温性能研究。

据麦姆斯咨询报道，近期，中材人工晶体研究院有限公司、北京中材人工晶体研究院有限公司和中国人民解放军93160部队组成的科研团队在《人工晶体学报》期刊上发表了以“元素级ZnS高温性能研究”为主题的文章。该文章第一作者为崔洪梅高级工程师。

本文研究了不同温度下元素级ZnS的高温性能，结果表明，元素级ZnS的辐射率随着波长增大而增加，且同一波长下随温度的升高而增加。折射率、热光系数和线膨胀系数随温度的升高而增大。温度对弯曲强度几乎无影响，弹性模量随温度升高而降低，800 ℃时的弹性模量与室温下的相比下降约30%。

实验过程

元素级CVD ZnS试验样品由中材人工晶体研究院有限公司采用化学气相沉积法制备得到。将制备的元素级ZnS根据试验要求进行切割抛光得到ZnS晶片作为试样。低温段（室温~ 200 ℃）和高温段（200 ~600 ℃）比热容测试分别采用美国PE公司的DSC8000差示扫描量热仪和法国赛特拉姆公司的Setaram MHTC96高温量热仪，热导率采用美国TA公司的DLF1600激光闪光仪进行测试，热膨胀系数采用德国NETSCH的TMA 402F3热机械分析仪进行测试，不同温度下元素级ZnS的折射率采用美国Woolam公司的IR-VASE型椭偏仪测试，测量光谱范围2 μm ~ 12 μm，测试原理可参考文献。不同温度下的辐射率测试采用日本JASCO公司生产的FTIR-6100型傅里叶光谱分析仪。不同温度下的透过率测试采用美国NICOLET的Nexus 670型光谱分析仪。不同温度下的弯曲强度测试采用三思泰捷的CMT5504高温万能试验机进行。

结果与讨论

温度对元素级ZnS中长波法向光谱辐射率的影响

采用傅里叶红外光谱分析仪基于能量法测量不同温度下元素级ZnS法向光谱辐射率来表征其中长波辐射率。图1为不同温度下元素级ZnS在3.0 μm ~5.5 μm、7.0 μm ~ 10.5 μm的法向光谱辐射率变化曲线，表1为元素级ZnS在200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃条件下，3.0 μm ~ 5.5 μm和7.0 μm ~ 10.5 μm波段的法向光谱辐射率，从图中可以看出在3.0 μm ~ 5.5 μm和7.0 μm ~ 10.5 μm波段，同一波段其法向光谱辐射率均呈现随温度升高而增大的趋势，4.25 μm左右的突出峰是由大气中二氧化碳引起的。

图1 不同温度下元素级ZnS在3.0 μm ~ 5.5 μm (a)和7.0 μm ~ 10.5 μm (b)法向光谱辐射率

温度对元素级ZnS透过率的影响

红外光学材料的透射波长范围是由材料本身的结构和性质决定的，长波截止取决于晶体结构和晶格热振动。元素级ZnS在常温下有较高的透过率，本文对10 mm厚元素级ZnS进行不同温度下透过率测试，测试结果如图2所示，从图中可以看出从室温到500 ℃范围内，温度对元素级ZnS 2.0 μm ~9.5 μm波段透过率影响并不大，对9.5 μm以后波段影响较大，也就是说温度对元素级ZnS截止波长的透过率影响很大，随着温度的升高，透过率明显降低，长波截止限向左移动。以10 μm透过率为例，透过率由常温的72.85%下降到500 ℃的64.45%。这主要是温度的升高使晶格振动加剧，吸收增加，透过率降低。

图2 元素级ZnS在不同温度下的透过率

温度对元素级ZnS折射率和热光系数的影响

折射率随着温度变化的系数dn / dt称为热光系数，它是光学设计时需要补偿的量，在高低温度范围内，其变化越大，对光学设计产生的难度越大。图3为不同温度条件下，元素级ZnS折射率和热光系数随波长的变化关系曲线，从图3(a)中可以看出，元素级ZnS的折射率随着波长的增加而降低，同一波长下，随着温度的升高，折射率线性增大。从图3(b)中可以看出在同一温度下，随着波长的增大，元素级ZnS的热光系数dn / dt呈下降趋势，在同一波长下，随着温度的升高，热光系数dn / dt增大，4 μm ~ 9 μm波段内热光系数dn / dt基本一致。在500 ℃时热光系数相对较大，其值为53 × 10⁻⁶℃⁻¹。

图3 不同温度下，元素级ZnS样品的折射率(a)和热光系数(b)随波长的变化曲线

温度对元素级ZnS比热容、热扩散率、导热系数的影响如图4所示。温度对元素级ZnS线膨胀系数的影响如图5所示。

图4元素级ZnS热扩散率(a)和导热系数(b)随温度变化曲线

图5 线膨胀系数与温度的关系

温度对元素级ZnS弹性模量、弯曲强度的影响弹性模量是物体内各质点相对位移单位长度所需的拉伸应力，弹性模量越大，所需的应力越大，表明质点间相对位移越难，材料刚度越大。对元素级ZnS进行了室温、400、800 ℃下的弹性模量测试，室温下弹性模量为79.6 GPa，400 ℃下弹性模量为67 GPa，800 ℃下弹性模量为53 GPa（相比室温下的弹性模量下降约30%）。很明显随着温度升高，元素级ZnS的弹性模量明显下降。温度升高时，材料由于热膨胀，原子间距变大，结合能减小，因而弹性模量随温度上升而降低。对元素级ZnS进行了不同温度下的弯曲强度试验，试验样品如图6所示。

图6 弯曲强度测试样品

结论

对于元素级ZnS而言，在500 ℃以下，用于3 μm ~ 5.5 μm波段的探测器红外窗口时，温度对其透过率和法向辐射率影响并不大，说明在此波段内作为探测器窗口使用时，即使在较高温度下对探测器成像性能影响也不大。作为7 μm ~ 10.5 μm波段的探测器红外窗口时，温度对9.5 μm之前波段的透过率和辐射率影响较小，但9.5 μm以后，其透过率明显降低，辐射率明显增大，温度越高变化越明显。元素级ZnS的折射率随着波长的增加而降低，同一波段随着温度的升高而略有增大，热光系数随着温度的升高而增大。600 ℃以内，元素级ZnS的弯曲强度受温度影响小没有明显变化。线膨胀系数、比热容随着温度上升而增大，导热系数、热扩散率、弹性模量随着温度上升而下降。通过对元素级ZnS的高温性能进行研究，为其应用于中长波探测器的红外窗口提供了数据支持。

论文链接：

http://rgjtxb.jtxb.cn/CN/Y2023/V52/I12/2222

审核编辑：刘清