高性能長(zhǎng)波紅外光學(xué)窗口材料
——CVD ZnS

紅外成像技術(shù)是利用紅外探測(cè)器捕獲和跟蹤目標(biāo)自身所輻射的紅外能量來(lái)實(shí)現(xiàn)精確成像的一種技術(shù)手段，在漆黑的夜晚也能夠清晰成像。在紅外成像系統(tǒng)中，探測(cè)器和光學(xué)元件是核心部件，其中光學(xué)元件主要包括紅外窗口和內(nèi)部透鏡組。對(duì)于飛行器、地面車輛等裝備，紅外窗口的功能是保護(hù)熱成像元件不受航空動(dòng)力學(xué)負(fù)載干擾，不受在高速飛行中所遇到的惡劣氣候干擾，使其能夠在全天候下正常工作。因此，紅外窗口材料必須同時(shí)滿足以下條件：(1)高的光學(xué)透過(guò)率，且透過(guò)率隨溫度升高沒(méi)有大的變化，較寬的透過(guò)波段(可見(jiàn)光、3～5 μm和8～12 μm)，低的光學(xué)散射；(2)足夠高的強(qiáng)度、硬度、韌性，以及抗熱沖擊性能；(3)足夠大的尺寸及相對(duì)較低的制造成本。

化學(xué)氣相沉積(CVD)ZnS是一種性能優(yōu)異的長(zhǎng)波紅外透過(guò)材料，具有較高的強(qiáng)度和硬度，能夠抵抗雨水、冰雹、灰塵等侵蝕；同時(shí)它還有相當(dāng)寬的透過(guò)波段(0.35～14 μm)和較高的光學(xué)透過(guò)率(8～12 μm達(dá)到75%，鍍膜后大于95%)，而且在500 ℃時(shí)仍能保持透過(guò)率在60%以上，使導(dǎo)航系統(tǒng)在飛行過(guò)程中不受溫度突變的影響。因此，多晶CVD ZnS是目前用于高速飛行器窗口材料的最佳選擇，尤其在8～14 μm波段范圍內(nèi)幾乎沒(méi)有可以替代的材料。然而，也正是由于該材料優(yōu)異的綜合性能，國(guó)際上對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖和禁運(yùn)，尤其是大尺寸的多光譜ZnS材料及器件的制備技術(shù)，使其成為目前制約我國(guó)高端裝備發(fā)展的“卡脖子”難題之一。

中材人工晶體研究院有限公司(簡(jiǎn)稱晶體院)從20世紀(jì)80年代起緊跟國(guó)外技術(shù)發(fā)展，先后開(kāi)展了熱壓ZnS、CVD ZnS技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究，突破系列關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，研發(fā)出滿足應(yīng)用需求的系列長(zhǎng)波紅外ZnS產(chǎn)品，包括熱壓ZnS、標(biāo)準(zhǔn)CVD ZnS、多光譜CVD ZnS和元素級(jí)ZnS產(chǎn)品。其中最新產(chǎn)品元素級(jí)ZnS作為第三代ZnS窗口材料，采用了獨(dú)特的固體單質(zhì)化學(xué)氣相沉積技術(shù)路線，高溫成像性能達(dá)到500 ℃以上，并自主研發(fā)了配套的抗氣動(dòng)熱力膜層。該產(chǎn)品具有出色的中長(zhǎng)波透過(guò)性能、高溫紅外成像性能及抗熱沖擊性能，適用于多種惡劣環(huán)境，有力助推了我國(guó)紅外探測(cè)和成像裝備的迭代升級(jí)和技術(shù)反超。此外，晶體院山東產(chǎn)業(yè)基地還建成具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大尺寸CVD ZnS生產(chǎn)線，獨(dú)立開(kāi)發(fā)出超大尺寸、大厚度(30 mm)的CVD ZnS平板材料，實(shí)現(xiàn)了大尺寸CVD ZnS材料的批量制備，為我國(guó)的紅外光電裝備發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。