含硫和碲的四元硒基玻璃制备及物理性能研究

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硫系玻璃因其优良的半导体性质和红外透过性能,在红外肩扛导弹、战机夜视巡航、汽车夜视导航和安防监控等现代红外热成像系统和光子晶体光纤等领域得到了广泛应用,成为了国内外相关领域专家学者当前的研究热点之一。目前,由于玻璃的力学性能不佳,热学性能等因素限制了其在红外光学领域的广泛应用。因此,需进一步改善玻璃的力学性能,提高热稳定性,减小双光子吸收效应。本文探究同族元素硫和碲含量对硒基玻璃性能的影响,通过熔融淬冷法制备了一系列Ge25Sb10Se65-xSx(x=1,5,10,15,20)和Ge25Sb10Se65-xTex(x=5,10,15,20)四元硒基玻璃试样。针对所制备试样,通过X射线衍射图谱判断了结构,分析了成分变化对其密度、平均摩尔体积及硬度影响。通过差式扫描量热仪记录了样品的吸热-放热曲线,热机械分析仪记录了线性膨胀过程。进而,通过实验曲线标定了特征温度,分析了热稳定性和玻璃形成能力。计算了热膨胀系数,并得到了各热学参数随成分变化而变化的规律。采用等温步阶法和热力学公式对Ge25Sb10Se50Te15玻璃比热容做了初步分析。通过傅立叶变换红外光谱仪测定了红外透过率,分析了转变活化能、析晶活化能和脆性参数随硫和碲元素含量变化而变化的规律。主要研究结论如下:1)所制备的玻璃Ge25Sb10Se65-xSx(x=1,5,10,15,20)和Ge25Sb10Se65-xTex(x=5,10,15,20)均保持着非晶态结构。实验结果表明,S和Te的加入不会导致玻璃试样析晶。随所制备玻璃中S的加入,所制备的含硫玻璃密度、维氏硬度和平均摩尔体积均减小。随着Te含量的增加,玻璃的密度值呈现上升趋势,平均摩尔体积和维氏硬度逐渐增大,玻璃断裂韧性依次减小。2)随S的加入,其玻璃转变温度(Tg)、析晶峰温度(Tp)及起始析晶温度(Tx)均上升,应变点温度和退火点温度逐渐增大;热膨胀系数呈现出先增大后减小的规律。随着Te含量的增加,Tg、Tx和Tp均有所降低,玻璃应变点温度、退火点温度、屈服点温度以及软化点温度则逐渐降低;热膨胀系数表现出逐渐减小的规律。3)随着Te含量的增加,玻璃的结晶焓和熔化焓均增大。结晶焓从50.80 J/mol增加至67.18 J/mol。熔化焓从30.08 J/mol增加至81.32 J/mol。分析可知,熔化焓的变化范围比结晶焓大。通过拟合实验数据得到了Ge25Sb10Se50Te15玻璃过冷液相和晶态的比热与温度的关系式,即Cpl=0.00102T-0.32454 J·g-1·K-1和Cpc=0.000825T-0.21365 J·g-1·K-1,并计算得到比热差ΔCp的平均值为0.1629 J·g-1·K-1,进一步确定了Ge25Sb10Se50Te15玻璃的Kauzmann温度Tk=472 K。4)含S硒基玻璃的红外透过率整体高于含Te硒基玻璃。同时,少量S和Te对红外透过率影响不大,含量过多则会导致玻璃红外透过率降低。在波长4.08μm处,含S硒基玻璃的Se-H键的吸收峰明显减弱,说明S元素的加入有利于消除Se-H峰。。含S硒基玻璃的转变活化能和析晶活化能先增大后减小,含Te硒基玻璃的转变活化能和析晶活化能则先减小后增大。
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