作為一種重要的中長波紅外窗口材料，元素級ZnS具有良好的光學性能和力學性能。目前，高超聲速飛行器的發展迫切需要開展元素級ZnS紅外窗口的高溫性能研究。
據麥姆斯咨詢報道，近期，中材人工晶體研究院有限公司、北京中材人工晶體研究院有限公司和中國人民解放軍93160部隊組成的科研團隊在《人工晶體學報》期刊上發表了以“元素級ZnS高溫性能研究”為主題的文章。該文章第一作者為崔洪梅高級工程師。
本文研究了不同溫度下元素級ZnS的高溫性能，結果表明，元素級ZnS的輻射率隨著波長增大而增加，且同一波長下隨溫度的升高而增加。折射率、熱光系數和線膨脹系數隨溫度的升高而增大。溫度對彎曲強度幾乎無影響，彈性模量隨溫度升高而降低，800 ℃時的彈性模量與室溫下的相比下降約30%。
元素級CVD ZnS試驗樣品由中材人工晶體研究院有限公司采用化學氣相沉積法制備得到。將制備的元素級ZnS根據試驗要求進行切割拋光得到ZnS晶片作為試樣。低溫段（室溫~ 200 ℃）和高溫段（200 ~600 ℃）比熱容測試分別采用美國PE公司的DSC8000差示掃描量熱儀和法國賽特拉姆公司的Setaram MHTC96高溫量熱儀，熱導率采用美國TA公司的DLF1600激光閃光儀進行測試，熱膨脹系數采用德國NETSCH的TMA 402F3熱機械分析儀進行測試，不同溫度下元素級ZnS的折射率采用美國Woolam公司的IR-VASE型橢偏儀測試，測量光譜范圍2 μm ~ 12 μm，測試原理可參考文獻。不同溫度下的輻射率測試采用日本JASCO公司生產的FTIR-6100型傅里葉光譜分析儀。不同溫度下的透過率測試采用美國NICOLET的Nexus 670型光譜分析儀。不同溫度下的彎曲強度測試采用三思泰捷的CMT5504高溫萬能試驗機進行。
采用傅里葉紅外光譜分析儀基于能量法測量不同溫度下元素級ZnS法向光譜輻射率來表征其中長波輻射率。圖1為不同溫度下元素級ZnS在3.0 μm ~5.5 μm、7.0 μm ~ 10.5 μm的法向光譜輻射率變化曲線，表1為元素級ZnS在200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃條件下，3.0 μm ~ 5.5 μm和7.0 μm ~ 10.5 μm波段的法向光譜輻射率，從圖中可以看出在3.0 μm ~ 5.5 μm和7.0 μm ~ 10.5 μm波段，同一波段其法向光譜輻射率均呈現隨溫度升高而增大的趨勢，4.25 μm左右的突出峰是由大氣中二氧化碳引起的。
圖1 不同溫度下元素級ZnS在3.0 μm ~ 5.5 μm (a)和7.0 μm ~ 10.5 μm (b)法向光譜輻射率
溫度對元素級ZnS透過率的影響
紅外光學材料的透射波長范圍是由材料本身的結構和性質決定的，長波截止取決于晶體結構和晶格熱振動。元素級ZnS在常溫下有較高的透過率，本文對10 mm厚元素級ZnS進行不同溫度下透過率測試，測試結果如圖2所示，從圖中可以看出從室溫到500 ℃范圍內，溫度對元素級ZnS 2.0 μm ~9.5 μm波段透過率影響并不大，對9.5 μm以后波段影響較大，也就是說溫度對元素級ZnS截止波長的透過率影響很大，隨著溫度的升高，透過率明顯降低，長波截止限向左移動。以10 μm透過率為例，透過率由常溫的72.85%下降到500 ℃的64.45%。這主要是溫度的升高使晶格振動加劇，吸收增加，透過率降低。
圖2 元素級ZnS在不同溫度下的透過率
溫度對元素級ZnS折射率和熱光系數的影響
折射率隨著溫度變化的系數dn / dt稱為熱光系數，它是光學設計時需要補償的量，在高低溫度范圍內，其變化越大，對光學設計產生的難度越大。圖3為不同溫度條件下，元素級ZnS折射率和熱光系數隨波長的變化關系曲線，從圖3(a)中可以看出，元素級ZnS的折射率隨著波長的增加而降低，同一波長下，隨著溫度的升高，折射率線性增大。從圖3(b)中可以看出在同一溫度下，隨著波長的增大，元素級ZnS的熱光系數dn / dt呈下降趨勢，在同一波長下，隨著溫度的升高，熱光系數dn / dt增大，4 μm ~ 9 μm波段內熱光系數dn / dt基本一致。在500 ℃時熱光系數相對較大，其值為53 × 10??℃?1。
圖3 不同溫度下，元素級ZnS樣品的折射率(a)和熱光系數(b)隨波長的變化曲線
溫度對元素級ZnS比熱容、熱擴散率、導熱系數的影響如圖4所示。溫度對元素級ZnS線膨脹系數的影響如圖5所示。
圖4元素級ZnS熱擴散率(a)和導熱系數(b)隨溫度變化曲線
圖5 線膨脹系數與溫度的關系
溫度對元素級ZnS彈性模量、彎曲強度的影響彈性模量是物體內各質點相對位移單位長度所需的拉伸應力，彈性模量越大，所需的應力越大，表明質點間相對位移越難，材料剛度越大。對元素級ZnS進行了室溫、400、800 ℃下的彈性模量測試，室溫下彈性模量為79.6 GPa，400 ℃下彈性模量為67 GPa，800 ℃下彈性模量為53 GPa（相比室溫下的彈性模量下降約30%）。很明顯隨著溫度升高，元素級ZnS的彈性模量明顯下降。溫度升高時，材料由于熱膨脹，原子間距變大，結合能減小，因而彈性模量隨溫度上升而降低。對元素級ZnS進行了不同溫度下的彎曲強度試驗，試驗樣品如圖6所示。
圖6 彎曲強度測試樣品
對于元素級ZnS而言，在500 ℃以下，用于3 μm ~ 5.5 μm波段的探測器紅外窗口時，溫度對其透過率和法向輻射率影響并不大，說明在此波段內作為探測器窗口使用時，即使在較高溫度下對探測器成像性能影響也不大。作為7 μm ~ 10.5 μm波段的探測器紅外窗口時，溫度對9.5 μm之前波段的透過率和輻射率影響較小，但9.5 μm以后，其透過率明顯降低，輻射率明顯增大，溫度越高變化越明顯。元素級ZnS的折射率隨著波長的增加而降低，同一波段隨著溫度的升高而略有增大，熱光系數隨著溫度的升高而增大。600 ℃以內，元素級ZnS的彎曲強度受溫度影響小沒有明顯變化。線膨脹系數、比熱容隨著溫度上升而增大，導熱系數、熱擴散率、彈性模量隨著溫度上升而下降。通過對元素級ZnS的高溫性能進行研究，為其應用于中長波探測器的紅外窗口提供了數據支持。
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