[发明专利]硫化锌硬度的增加

说明书

技术领域

本发明涉及增加硫化锌硬度。更特别地，本发明涉及通过添加选择量的特定掺杂物至硫化锌中，增加硫化锌硬度的同时基本上不牺牲硫化锌的光学性能。

背景技术

诸如硫化锌的材料是红外(IP)部件(例如可能会达到超音速的高速航空器的窗口或者圆顶)非常需要的材料，这是因为它们从可见光至长波红外(LWIR)波段区域(即0.6μm-14μm)的高透过性。通常，通过硫化锌的透过性可从约60％至更高。然而，硫化锌还相对较软，这使得它不适用于高速航空器。这些部件必须承受雨水和沙的影响，而且在所需的波长波段提供高透过性。但是，硫化锌通常在雨水和沙冲击下遭受相当大的损害，这导致透过性的损失并随之增加散射。散射通常是一个物理过程，其中在其通过的介质中的一个或多个局部不均匀物质迫使诸如光或者移动粒子的辐射偏离直线轨道。一般来说，雨水腐蚀测试是在2mm公称降落直径的人工降雨区域，降雨速度约25.4mm/hr且碰撞样品速率约210米/秒下进行，暴露时间约20分钟。典型的测试为俄亥俄州代顿市的Wright Patterson空军基地的代顿大学研究学院实施的Whirling Arm Rain Rig测试。实施在硫化锌上的测试显示，当暴露于上述降雨区域5分钟或更长时间时，硫化锌经受了相当大的损伤。

为提高硫化锌的耐受性，在硫化锌红外窗口施加硬质或耐受材料涂层，诸如类金刚石、氧化铝、氮化硼和磷化镓。涂层材料的选择取决于所需的特定的透光波段。但是，涂层可能具有粘结性问题和在硫化锌部件表面的不均匀。部件尺寸和形状的多样性(例如在表面上的非常规角度)让涂层施加困难。当涂层的厚度增加或者当沉积涂层的部件尺寸变化时，涉及材料的许多物理性能。通常，由于涂层厚度的改变以及部件尺寸的变化，涉及应力(诸如拉伸应力和压缩应力)，其效果是不可预测的。因此，需要增加硫化锌的硬度，其能经受住整个过程中雨水与沙的腐蚀并在所需的波长波段透光及在高速航空器中耐用。

发明内容

一种组合物，包括硫化锌和0.5摩尔％-10摩尔％选自硒、镓、铝或硅的一种或多种掺杂物。

一种方法，包括提供锌源、硫源和选自硒、镓、铝和硅的一种多种的掺杂物；在含惰性气体的化学气相沉积腔室中，注入0.2-1slpm锌气体源，0.1-0.9slpm硫气体源，及0.01slpm-0.1slpm硒、镓、铝和硅气体中的一种或多种源，化学气相沉积腔体的压力范围为20-50Torr；在基体上化学气相沉积一层或多层组合物层，组合物包括硫化锌和0.5摩尔％-10摩尔％的选自硒、镓、铝或硅的一种或多种掺杂物，基体温度为600℃-800℃。

部件包括基体和一层或多层组合物层，组合物含硫化锌和0.5摩尔％-10摩尔％选自硒、镓、铝或硅的一种或多种掺杂物。

硫化锌和以0.5摩尔％-10摩尔％的量含有的一种或多种掺杂物的组合物，增加了硫化锌的硬度，所以可以不用保护层。以特定的含量掺入一种或多种选择的掺杂物并不牺牲硫化锌的光学性能。该组合物能经受雨水和沙腐蚀，及在8μm-12μm长波红外区域透光，因此它们能用于制备高速航空器的窗口和圆顶。

附图说明

图1描述了含有采用掺杂硫化锌层涂覆的基体的部件；

图2描述了含有采用多层掺杂硫化锌层涂覆的基体的部件；

图3描述了含有交替的基体层与掺杂硫化锌层的部件；

具体实施方式

除非文中另有说明，本说明书全文所采用的下列缩写具有如下含义：℃＝摄氏度；IR＝红外线；LWIR＝长波红外线；gm＝克；kg＝千克；m＝米；cm＝厘米；mm＝毫米；μm＝微米；nm＝纳米；Knoop＝kg/mm²；slpm＝每分钟标准升；hr＝小时；Torr＝1mmHg＝133.322368帕斯卡；psi＝磅/英寸²＝0.06805atm(大气压)；1atm＝1.01325×10⁶达因/cm²；ASTM＝美国标准测试方法；CVD＝化学气相沉积；以及PVD＝物理气相沉积。

术语“化学计量”是指化学反应元素按特定比例组合，而且反应物的每种元素的含量和产品中每种元素的相同。术语“模量”是指特定物质的特定性能的系数。术语“一”和“一个”可以指单个和多个。除了数值范围逻辑上限制为总量100％，所有数值范围可以按任何方式包含或结合。