Заявляемое изобретение относится к материалам для волоконной оптики и касается разработки способа получения особо чистых тугоплавких халькойодидных стекол, которые могут быть использованы для изготовления волоконных световодов, применяемых в оптике и оптоэлектронных приборах для ближнего и среднего ИК-диапазона. К тугоплавким халькогенидным стеклам относятся стекла с температурой стеклования выше 250°С, содержащие германий, сурьму, селен, серу, при концентрации йода не более 5-15% ат.
Халькойодидные стекла относятся к наиболее перспективным стеклам для волоконной оптики среднего ИК-диапазона. Это обусловлено их высокой прозрачностью в спектральном ИК-диапазоне 5-12 мкм.
В традиционных способах получения халькойодидных стекол исходными веществами служат элементы - макрокомпоненты стекла как компоненты шихты, плавлением которой синтезируют стеклообразующий расплав требуемого состава (см., например, Виноградова Г.З. - Стеклообразование и фазовые равновесия в халькогенидных системах. Изд-во «Наука». М, 1984, с.86, 100, 106).
Известный способ включает загрузку компонентов шихты в реактор, в заданных количествах, его вакуумирование, синтез стеклообразующего расплава в запаянном вакуумированном реакторе, его гомогенизацию и отверждение в стекло. Взвешивание исходных элементов даже в защитной атмосфере, последующее их измельчение и загрузка в реактор приводят к появлению на их поверхности оксидов и воды. Полное их удаление при вакуумировании реактора с шихтой не достигается, в том числе и из-за высокой летучести йода. Более того, способ не позволяет получать чистые халькойодидные стекла, в состав которых входят тугоплавкие элементы, например Ge (температура плавления 937°С). Синтез германийсодержащих халькойодидных стекол ведут при высокой температуре, порядка 800-900°С в течение длительного времени, что приводит к сильному загрязнению стекол материалом аппаратуры.
Задачей, на решение которой направленно заявляемое изобретение, является разработка способа получения тугоплавких высокочистых халькойодидных стекол заданного состава.
Эта задача решается за счет того, что в известном способе получения особо чистых халькойодидных стекол, включающем загрузку компонентов шихты в реактор, синтез стеклообразующего расплава, его гомогенизацию и охлаждение, согласно заявляемому изобретению, в качестве шихты, наряду с халькогенами, используют летучие иодиды элементов, синтез стеклообразующего расплава ведут в реакторе, соединенном с разделительной секцией, при управляемой скорости нагрева и выводе из реактора йода, образующего при химическом превращении исходных йодидов и возвращением в реакционную зону непрореагировавших иодидов, до достижения заданного содержания йода в расплаве.
Новым в способе является то, что в качестве компонентов шихты стеклообразующих соединений, наряду с халькогенами, используют летучие иодиды элементов в стеклообразующем соединении. Температуры плавления иодидов значительно ниже температур плавления простых веществ, например, температуры плавления германия и йодида германия составляют 937°С и 146°С, соответственно, температуры плавления сурьмы и йодида сурьмы составляют 631°С и 178°С, соответственно. Иодиды элементов реагируют с халькогенами при более низкой температуре, чем элементы. Это позволяет снизить температуру синтеза стеклообразующих соединений, продолжительность гомогенизации расплава и тем самым снизить возможность загрязнения стеклообразующего расплава материалом аппаратуры. В сравнении с прототипом, максимальная температура на всех этапах процесса на 150-250°С ниже температуры синтеза стекол из элементов.
Новым в способе является то, что, синтез стеклообразующего расплава ведут в реакторе, соединенном с разделительной секцией. При этом синтез ведут при управляемой скорости нагрева и вывода из реактора йода, образующегося при химическом превращении исходных йодидов, и возвращении в реакционную зону непрореагировавших йодидов, до достижения заданного содержания йода в расплаве. Это обеспечивает получение халькойодидных стекол заданного макросостава.
Селективное удаление йода из стеклообразующего расплава с одновременным сохранением в нем макрокомпонентов решается за счет того, что синтез ведут в реакторе, соединенном с разделительной секцией. При проведении синтеза в таком аппарате для полного разделения йодидов германия и сурьмы от йода массообменная секция должна обеспечивать эффективность разделения, обеспечиваемого 2-3 теоретическими ступенями разделения.
Упомянутые признаки являются существенными, т.к. каждый из них необходим, а вместе они достаточны для решения поставленной задачи - разработки способа получения тугоплавких высокочистых халькойодидных стекол заданного состава. При этом максимальная температура на всех этапах процесса на 200-300°С ниже температуры синтеза стекол из элементов, что значительно снижает загрязняющее действие материала реактора.
Получены стекла систем Ge-S-I, Ge-Se-I, Ge-Se-Те-I, Ge-Sb-S-I, Ge-Ga-Те-I, Ge-Sb-Se-I. Содержание примесей по данным лазерной масс-спектрометрии: Si≤1·10-4 мас.%, содержание Fe, K, Ca-(2÷5)·10-5 мас.%, содержание примесей переходных элементов ниже предела обнаружения (см. таблицу). Содержание примеси водорода в форме Ch-Н, где Ch - атом халькогена, по данным ИК-спектроскопии, составляет (3÷5)·10-5% мол.
Пример.
В реактор, выполненный из кварцевого стекла, загружают йодид германия, йодид сурьмы и серу в количествах 259,4 г, 89,76 г и 34,44 г, соответственно. Реактор с упомянутым содержимым помещают в печь резистивного нагрева. При нагревании пар, находящийся над расплавом, поступает в разделительную секцию. Ее температура обеспечивает конденсацию йода в жидкость, которая течет вниз по секции. Часть жидкого йода, обогащенного йодидами германия, в виде флегмы стекает обратно в реактор, а часть йода отбирают в приемник. При этом происходит эффективное отделение йодидов германия и сурьмы от йода, образующегося при химическом превращении упомянутых йодидов. Синтез стеклообразующих соединений ведут при контролируемой скорости нагрева расплава и селективном удалении йода. В процессе синтеза температуру реакционной камеры поднимают ступенчато или плавно. Отбор йода ведут до достижения заданного макросостава расплава. Масса отобранного йода, в данном случае для получения стекла системы Ge-Sb-S-I с содержанием йода 10% ат., составляет 283 г. После этого реактор охлаждают, вакуумируют, отпайкой отделяют от основной системы и ведут гомогенизацию полученного расплава. Температура синтеза не превышает 650°С. После гомогенизации реактор извлекают из печи и отверждают расплав в стекло. Отжиг стекла проводят для снятия механических напряжений.
Содержание примесей в полученных стеклах составляет: Si≤1.8·10-4 мас.%, Fe, K, Ca-(2÷5)·10-5 мас.%, переходных элементов - ниже предела обнаружения (см. таблицу). Температура на всех этапах процесса не превышает 650°С, в то время как в прототипе эта температура составляет 800-900°С. В сравнении с прототипом, максимальная температура на всех этапах процесса на 150-250°С ниже температуры синтеза стекол из элементов.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЧИСТЫХ ХАЛЬКОЙОДИДНЫХ СТЕКОЛ | 2014 |
|
RU2579096C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОСОБО ЧИСТЫХ ХАЛЬКОГЕНИДНЫХ СТЕКОЛ СИСТЕМЫ ГЕРМАНИЙ-СЕЛЕН | 2017 |
|
RU2648389C1 |
Способ получения особо чистых стекол системы германий - сера - йод | 2016 |
|
RU2618257C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОСОБО ЧИСТЫХ ХАЛЬКОГЕНИДНЫХ СТЕКОЛ, СОДЕРЖАЩИХ ГАЛЛИЙ | 2021 |
|
RU2770494C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОСОБО ЧИСТЫХ ХАЛЬКОГЕНИДНЫХ СТЕКОЛ, СОДЕРЖАЩИХ ЙОДИД СЕРЕБРА | 2022 |
|
RU2781425C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ТЕЛЛУРИТНЫХ СТЕКОЛ | 2015 |
|
RU2584474C1 |
Способ получения особо чистых халькогенидных стекол | 2018 |
|
RU2698340C1 |
ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕЛЛУРИТНО-МОЛИБДАТНЫХ СТЕКОЛ (ВАРИАНТЫ) | 2015 |
|
RU2587199C1 |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОСОБО ЧИСТЫХ ХАЛЬКОГЕНИДНЫХ СТЕКОЛ | 2023 |
|
RU2810665C1 |
ОСОБО ЧИСТЫЙ СУЛЬФИДНО-МЫШЬЯКОВЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СИНТЕЗА ВЫСОКОПРОЗРАЧНЫХ ХАЛЬКОГЕНИДНЫХ СТЕКОЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ | 2010 |
|
RU2450983C2 |
Изобретение относится к материалам для волоконной оптики и касается разработки способа получения особо чистых тугоплавких халькойодидных стекол, которые могут быть использованы для изготовления волоконных световодов, применяемых в оптике и оптоэлектронных приборах для ближнего и среднего ИК-диапазона. Техническим результатом изобретения является снижение загрязняющих примесей в составе стекол. Способ получения особо чистых тугоплавких халькойодидных стекол включает загрузку компонентов шихты в реактор, при этом в качестве компонентов шихты используют халькогены и другие исходные веществ -макрокомпоненты стекла, синтез стеклообразующего расплава, его гомогенизацию и охлаждение. При этом в качестве компонентов шихты, наряду с халькогенами, используют летучие иодиды элементов. Синтез стеклообразующих соединений ведут в реакторе, соединенном с разделительной секцией, при управляемой скорости нагрева и выводе из реактора йода, образующегося при химическом превращении исходных йодидов, и возвращении в зону реакции непрореагировавших йодидов элементов до достижения заданного макросостава расплава. 1 пр., 1 табл.
Способ получения особо чистых тугоплавких халькойодидных стекол, включающий загрузку компонентов шихты в реактор, при этом в качестве компонентов шихты используют халькогены и другие исходные вещества - макрокомпоненты стекла, синтез стеклообразующего расплава, его гомогенизацию и охлаждение, отличающийся тем, что в качестве компонентов шихты, наряду с халькогенами, используют летучие йодиды элементов, синтез стеклообразующих соединений ведут в реакторе, соединенном с разделительной секцией, при управляемой скорости нагрева и выводе из реактора йода, образующегося при химическом превращении исходных йодидов, и возвращении в зону реакции непрореагировавших йодидов элементов до достижения заданного макросостава расплава.
ВИНОГРАДОВА Г.З | |||
Стеклообразование и фазовые равновесия в халькогенидных системах | |||
- М.: Наука, с.86, 100, 106 | |||
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ХАЛЬКОГЕНИДНОГО СТЕКЛА GeS | 1991 |
|
RU2021218C1 |
Способ получения халькогенидных стекол | 1974 |
|
SU550351A1 |
Способ получения халькогенидныхСТЕКОл | 1979 |
|
SU833602A1 |
EP 1611060 B1, 20.06.2007. |
Авторы
Даты
2012-11-27—Публикация
2011-04-28—Подача