CN107540372B - 中波红外窗口及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种中波红外窗口及其制备方法，该中波红外窗口是Y₂O₃稳定的四方多晶氧化锆陶瓷，原料为2.5‑3.0mol％Y₂O₃的ZrO₂纳米粉体，陶瓷平均晶粒尺寸为200‑600nm。采用放电等离子烧结(SPS)或者热等静压(HIP)烧结方法获得。本发明中波红外窗口能够在室温至300℃范围使用，3.7‑4.8μm中波红外波段的透过率不小于75％；0‑300℃范围的辐射系数不大于0.05；弯曲强度不低于1000MPa。能够用于高超音速导弹的红外整流罩，或者用于其它高温场合的中波红外窗口。

Description

中波红外窗口及其制备方法

技术领域

本发明涉及中波红外窗口，特别是一种耐高温高强度的中波红外窗口及其制备方法。

背景技术

红外探测技术在现代国防技术中占有十分重要的地位，各种导弹的制导，红外预警，观察瞄准(高能束拦截武器等)等许多领域涉及红外探测技术。红外窗口是导弹红外导引头的重要部件，起着保护内部探测***各元器件的作用，同时又能够有效传输红外信号。

近年来，随着导弹等飞行器的速度越来越快，红外窗口受到大气的高速摩擦，气动热效应使得红外光电窗口的温度迅速上升，对红外窗口材料提出了新的挑战。高温下窗口材料自身的红外辐射将强烈干扰外界进入的红外信号，甚至引起探测器饱和。大多数透红外材料在高温状态下具有显著的红外辐射，已经难以满足高超音速飞行条件对红外窗口的要求。此外，为了抵抗气动热效应导致的热应力，红外窗口材料还需要具有优异的力学性能。

美国Raytheon公司的研究证实Y₂O₃陶瓷窗口能够在4Ma的飞行条件下保持良好的红外成像性能，而不需要额外的冷却设计【P.Hogan,T.Stefanik,C.Willingham,et.al.,the 10th DoD Electromagnetic Windows Symposium,(2004)】；但是，由于Y₂O₃陶瓷强度及抗热震性不足，为了获得更高强度的低辐射红外窗口材料，2007年美国国防部项目局和海军研究室(DARPA/ONR)启动了纳米复合物光学陶瓷研究项目(NCOC)【http:// www.darpa.mil/Our_Work/DSO/Programs/Nano_Composite_Optical_Cer amics_(NCOC).aspx】，开发高强度Y₂O₃-MgO纳米复相红外陶瓷【D.C.Harris,L.Cambrea,L.Johnson,et.al.,J.Am.Ceram.Soc.,96(12),3828-35(2013)】。然而，MgO纳米颗粒具有强烈的吸湿性，在制备及加工过程中极易吸收空气中的水分形成氢氧化物及碳酸盐，导致该材料的高温红外透过率及辐射系数均难以达到预期要求。因此，开发耐高温高强度中波红外窗口，是发展高超音速飞行器红外光电***急需解决的关键难题之一。

Y₂O₃稳定的四方多晶氧化锆(Y-TZP)陶瓷因四方相t-ZrO₂晶粒的马氏体相变增韧，而具有其它陶瓷材料难以企及的优异力学性能。但是由于四方晶型，Y-TZP陶瓷难以获得良好的光学透过率，而长期被认为难以作为透明陶瓷。已有研究【Adv.Funct.Mater.2007,17,3267–3273】发现利用先进烧结工艺制备的Y₂O₃稳定的四方多晶氧化锆(Y-TZP)陶瓷具有高强度和一定的光学透过性能。

发明内容

为了克服现有红外材料在气动热环境下存在的问题，本发明提出一种中波红外窗口及其制备方法，该中波红外窗口具有耐高温、高强度的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种中波红外窗口，该中波红外窗口是Y₂O₃稳定的四方多晶氧化锆陶瓷，其特点在于原料为2.5-3.0mol％Y₂O₃的ZrO₂纳米粉体，陶瓷平均晶粒尺寸为200-600nm，陶瓷强度不低于1000MPa。

上述中波红外窗口的制备方法，该方法包括下列步骤：

1)以含有2.5-3.0mol％Y₂O₃的ZrO₂纳米粉体作为原料，原料纯度为99.99％，粒度20-100nm；

2)采用放电等离子烧结(以下简称为SPS)或者热等静压(以下简称为HIP)烧结方法，在1100～1250℃烧结，获得陶瓷烧结体；

3)然后将陶瓷烧结体在空气中1000℃退火10-20h。

所述的SPS烧结方法使用石墨模具，烧结过程中压力为50MPa，在真空气氛下以100℃/min的速度升温至最高温度1100℃，烧结时间为5-30min。

所述的HIP烧结方法包括：先将原料在不锈钢模具中压制成素坯，素坯在真空或者空气气氛中预烧结获得预烧结体，用密度法测试所述的预烧结体的相对密度大于95％；然后将所得的预烧结体放入热等静压炉中以Ar作为加压介质，在200MPa的条件下处理3h。

本发明的技术效果：

本发明中波红外窗口能够在300℃以下使用，该中波红外窗口在3.7-4.8μm中波红外波段的透过率高，辐射低，而且强度高；能够用于高超音速导弹的红外整流罩，或者用于其它高温场合的中波红外窗口。

本发明中波红外窗口的制备方法，具有步骤简单，容易实现的优点。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

以平均粒径为20-50纳米的含有2.5mol％Y₂O₃的ZrO₂纳米粉体作为原料，原料纯度99.99％；采用SPS烧结方法，将需要烧结的粉体装在石墨模具中，烧结过程中保持50MPa压力；在真空气氛下以100℃/min的速度升温至最高温度1100℃，保温时间为5-30min，优选的保温时间为10min。

SPS烧结后的样品在空气中加热至1000℃退火10-20h，以消除真空SPS烧结时残余的缺陷。

退火后的样品两面抛光，以3mm厚的样品作为光学性能测试的样品。强度的测试按照精细陶瓷强度测试标准的要求进行；光学透过率在红外光谱仪中进行测试，并配有对样品加热的加热室；其中高温辐射系数的测试按照【Infrared Physics&Technology 39_1998.251–261】中图1的方法进行，以二氧化碳激光作为加热源，将样品在另一侧的辐射收集至红外光谱仪中，将相同温度下样品的辐射能量和标准黑体的辐射能量进行对比，得到3.7-4.8μm中波红外辐射系数。

测试结果如下：

弯曲强度：1520MPa；

平均粒径：220nm；

3.7-4.8μm波段红外透过率：78％(室温～300℃)；

红外辐射系数：0.04(300℃时)，0.02(室温～250℃)。

实施例2

以平均粒径为50-100纳米的含有3mol％Y₂O₃的ZrO₂纳米粉体作为原料，，原料纯度99.99％；采用冷等静压成型方法在200MPa压制素坯；所得素坯在真空或者空气气氛中预烧结，烧结温度1300℃，时间3h；然后将所得的预烧结体放入HIP炉中，以Ar作为加压介质，在1250℃及200MPa的条件下处理3h。

所得产品经过与实施例1相同的退火处理以后，加工和测试过程也与实施例1相同。

测试结果如下：

弯曲强度：1230MPa；

平均晶粒大小580nm；

3.7-4.8μm波段红外透过率：75％(室温～300℃)；

红外辐射系数：0.03(300℃时)，0.02(室温～250℃)。

将实施例1和实施例2所制造的Y-TZP陶瓷窗口，预先加热到300℃以上后，放置在红外热像仪前面，结果显示在窗口温度为室温～300℃的温度区间内，热像仪透过陶瓷窗口依然能够清晰地显示出原有的图像，实验表明，本发明中波红外窗口能够在室温至300℃范围使用，3.7-4.8μm中波红外波段的透过率不小于75％；0-300℃范围的辐射系数不大于0.05；弯曲强度不低于1000MPa。能够用于高超音速导弹的红外整流罩，或者用于其它高温场合的中波红外窗口。

Claims (1)

1.一种中波红外窗口，该中波红外窗口是Y₂O₃稳定的四方多晶氧化锆(Y-TZP)陶瓷，其特征在于原料为2.5-3.0mol％Y₂O₃的ZrO₂纳米粉体，陶瓷平均晶粒尺寸为200-600nm，陶瓷强度不低于1000MPa，在室温-300℃条件下，3.7-4.8μm波段红外透过率78％；

中波红外窗口的制备方法包括以下步骤：

1)以含有2.5-3.0mol％Y₂O₃的ZrO₂纳米粉体作为原料，原料纯度为99.99％，粒度20-100nm；

2)采用SPS或HIP烧结方法，在1100～1250℃烧结，获得陶瓷烧结体；

3)然后将陶瓷烧结体在空气中1000℃退火10-20h；

所述的SPS烧结方法使用石墨模具，烧结过程中压力为50MPa，在真空气氛下以100℃/min的速度升温至最高温度1100℃，烧结时间为5-30min；

所述的HIP烧结方法包括：先将原料在不锈钢模具中压制成素坯，素坯在真空或者空气气氛中预烧结获得预烧结体，用密度法测试所述的预烧结体的相对密度大于95％；然后将所得的预烧结体放入热等静压炉中以Ar作为加压介质，在200MPa的条件下处理3h。