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新材料故事｜流星白羽腰间插，剑花秋莲光出匣—红外光学玻璃发展历程

2022-07-16 13:35

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

编者按

当材料醒来的那一刻，它将成为你生活中的一段感受。看、听、触摸......置身其中，材料无处不在。我们的能工巧匠们，实验、坚守、创新，锲而不舍，只为成就材料背后的可能，开发材料蕴含的宝藏。我们始终心怀“国之大者”，打造“国之大材”，服务国防建设、服务国家重大工程、服务国民经济主战场、服务人民美好生活......

《新材料故事》，将用通俗易懂的话语，让大家更好认识身边无处不在的新材料，为大家讲述我们与社会发展、人类生活齐步走的故事。

流星白羽腰间插

剑花秋莲光出匣

红外技术打破视觉限制

见所未见

红外线（波长为0.78～1000μm）自1800年被英国物理学家F.W.赫胥尔发现以来，人们对她的研究从来没有停止过。凡是温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体都会发出热辐射，也叫温度辐射，通过探测这种热辐射，将物体发出的热辐射信号转换成电信号，打破了人类传统感官的限制，将人眼不能直接看到目标的表面温度分布，变成人眼可以看到的代表目标表面温度的电信号，实现对目标物体的探测、测温、成像和识别等功能，使其在侦察、监视、瞄准、射击指挥和制导等军事方面广泛应用。特别是从海湾战争之后，红外技术成为各国竞相发展的新兴技术，被许多国家纳入国防发展战略。21世纪以来，随着红外探测器技术的不断发展，特别是低成本、非制冷型探测器的出现，红外技术，尤其是红外热成像技术在安防、消防、汽车和防疫等民用市场的应用不断扩大，作为新兴高科技产业，红外热成像技术已驶入一个快速发展的时代，根据Yole发布的最新版《2020年热像仪和热探测器报告》，全球热成像市场规模从2019年到2025年期间，将以8%的CAGR(年均复合增长率)增长，按照2019年全球军用、民用红外市场规模分别为92.51亿美元和50.41亿美元，预测到2023年全球军用、民用红外市场规模将分别接近108亿美元和75亿美元。

红外玻璃是红外系统的眼睛

红外玻璃及其形成的光学组件是红外系统的眼睛，与红外探测器、算法技术等构成红外系统的三大核心。一套典型的红外热成像系统主要由以下四部分组成—光学组件、红外探测器、电子信号处理器和图像显示，原理如下图所示。

▲红外热成像系统原理图

红外光学组件用来将外界目标发出的红外线能量，按照一定的光路，最大限度地传输到后端的扫描装置，以便被探测器所感知和最终成像。随着温度的变化，红外热成像探测系统的曲率半径、元件厚度、元件间隔、非球面系数、光学材料折射率都会发生相应的改变，同时红外探测器的光敏面也随温度的变化而漂移，导致红外热成像探测系统的像面离焦，系统无法正常工作，因此，热补偿和热设计是红外热成像探测系统的关键技术之一。

红外光学元件通常由锗单晶、硒化锌、硫化锌等晶体类材料和红外硫系玻璃等加工而成。与晶体类红外光学材料相比，红外硫系玻璃是一种新型的热成像系统用光学材料，具有类似于锗单晶的红外透过性能，其透过波段可覆盖1～3μm，3～5μm和8～12μm 三个大气窗口；采用熔体淬冷法获得，生产效率高、周期短、成本低；具有优良的温度—粘度特性，可采用精密模压方法在短时间内批量制备性能一致的复杂型面光学元件；最重要的是具有较低的折射率温度系数，因此在红外热成像系统的热离焦调整和色差校正中具有重要作用。近年来随着红外探测器价格的下降和红外热像仪在民用领域应用加快，红外硫系玻璃逐渐部分取代红外晶体，成为红外热成像仪镜头的极佳候选材料。

▲硫系玻璃、红外组件及红外热成像效果实物图

红外玻璃的分类及制备关键技术

玻璃容易制成光学要求高的大尺寸光学元件，具有良好的光学均匀性；具有较高的机械强度和较大的表面硬度；此外，玻璃的制造和加工过程简单、容易，因而成本低廉，是红外仪器和装置中用来制造棱镜、透镜、窗口、滤光片和整流罩等的重要材料之一。根据适用的红外波段不同，红外玻璃常分为中红外玻璃和远红外玻璃两类，其中锗酸盐玻璃、镓酸盐玻璃和铝酸钙玻璃是商业化应用最广泛的中红外玻璃，这一类玻璃材料为氧化物玻璃，红外透过波段通常为3μm~5μm；硫系玻璃不含有任何的氧元素，而是以第六主族的硫S、硒Se、碲Te等，与金属元素、类金属元素中的锗Ge、砷As、锡Sn、锑Sb等组成的一类非氧化物玻璃材料，从近红外区到远红外区（即1μm~12μm）均具有良好的透明性。

红外玻璃的特性决定了其制备具有很强的工艺特殊性。中波红外氧化物玻璃金属离子活性大，羟基结合强度高，玻璃制备时极易结合原料及环境中的水，并在玻璃结构中形成羟基（OH-），使玻璃在3µm波长产生强烈吸收，严重劣化红外透过性能，彻底驱除羟基是中波红外氧化物玻璃熔制的公认难题。中国建材总院红外团队通过系统的研究，发现在高温熔融状态下，真空负压可实现结构中羟基的有效分离，同时隔绝外界环境水分与杂质的影响，显著提高玻璃红外透过性能，并将中频感应加热技术引入到红外玻璃熔制工艺中，发明了红外玻璃真空负压感应熔制技术，熔制的红外玻璃羟基含量降至10ppm以下，3µm波长的红外透过率达到85%以上，玻璃的光学均匀性和批次稳定性好（3~5µm不同批次折射率偏差Δn≤4×10-4），无气泡、条纹等缺陷。获得美国授权发明专利1项、中国建材行业技术发明一等奖1项、国防科技进步二等奖1项、中国建材集团有限公司科技进步奖2项。

长波红外硫系玻璃中Se、As等高蒸汽压组分含量高、熔制挥发大，组成一致性难以控制，并且极易与环境中的氢、氧、水发生反应，在2.9µm、4.5µm、8.9µm等多红外波段形成强烈吸收，恶化玻璃的红外透过性能，玻璃纯化制备是长波红外硫系玻璃工程化应用的核心和关键所在。中国建材总院开展了红外热像系统用大尺寸高均匀硫系玻璃的研制工作，相继攻克了硫系玻璃复合纯化、硫系玻璃气氛熔制、硫系玻璃连续熔制等技术，设计开发出配套设备或装置，研制出Φ150mm以上大口径、具有良好光谱透过性能、光热稳定性优良的高均匀国产硫系玻璃材料，满足了红外热成像等光学系统的使用需求；根据硫系玻璃理化特性，系统地考察柔性碳膜内部团簇的形成过程和结构演变，针对硫系玻璃等软基底材料开发了新型红外碳基防护膜理论体系，制备出透射率高、膜基结合性强的高性能膜层，将As40Se60玻璃基体的透过率由平均61.30 %提高到93.97 %，最高点可达95.90 %。有效提高了红外玻璃抵抗沙尘、雨水、化学腐蚀等恶劣环境的能力，延长了系统的使用寿命，改善了系统的成像效果，项目制备的镀有硬质防护增透膜的硫系玻璃光学组件满足GJB 150-2009《军用装备实验室环境试验方法》中各种膜层性能考核要求。

▲硫系玻璃表面高增透防护膜和普通增透膜光谱对比

此外，项目组还解决了硫系玻璃镜片的数控单点金刚石车削和高效磨抛加工，实现了各种复杂形面光学元件实现了高精度加工，并最终制备出两款可靠性高、成本低、重量轻、环境耐候性好的长波非制冷无热化红外镜头组，在人体测温和疫情防控中推广使用。相关技术成果还获得中国建材集团科技进步一等奖1项、中国建材行业协会技术革新一等奖1项、授权发明及实用新型专利20余项，核心制备技术和工艺达到国内领先、国际一流水平。