高性能长波红外光学窗口材料——CVD ZnS

红外成像技术是利用红外探测器捕获和跟踪目标自身所辐射的红外能量来实现精确成像的一种技术手段，在漆黑的夜晚也能够清晰成像。在红外成像系统中，探测器和光学元件是核心部件，其中光学元件主要包括红外窗口和内部透镜组。对于飞行器、地面车辆等装备，红外窗口的功能是保护热成像元件不受航空动力学负载干扰，不受在高速飞行中所遇到的恶劣气候干扰，使其能够在全天候下正常工作。因此，红外窗口材料必须同时满足以下条件：(1)高的光学透过率，且透过率随温度升高没有大的变化，较宽的透过波段(可见光、3～5 μm和8～12 μm)，低的光学散射；(2)足够高的强度、硬度、韧性，以及抗热冲击性能；(3)足够大的尺寸及相对较低的制造成本。

化学气相沉积(CVD)ZnS是一种性能优异的长波红外透过材料，具有较高的强度和硬度，能够抵抗雨水、冰雹、灰尘等侵蚀；同时它还有相当宽的透过波段(0.35～14 μm)和较高的光学透过率(8～12 μm达到75%，镀膜后大于95%)，而且在500 ℃时仍能保持透过率在60%以上，使导航系统在飞行过程中不受温度突变的影响。因此，多晶CVD ZnS是目前用于高速飞行器窗口材料的最佳选择，尤其在8～14 μm波段范围内几乎没有可以替代的材料。然而，也正是由于该材料优异的综合性能，国际上对我国实行封锁和禁运，尤其是大尺寸的多光谱ZnS材料及器件的制备技术，使其成为目前制约我国高端装备发展的“卡脖子”难题之一。

中材人工晶体研究院有限公司(简称晶体院)从20世纪80年代起紧跟国外技术发展，先后开展了热压ZnS、CVD ZnS技术开发与应用研究，突破系列关键技术瓶颈，研发出满足应用需求的系列长波红外ZnS产品，包括热压ZnS、标准CVD ZnS、多光谱CVD ZnS和元素级ZnS产品。其中最新产品元素级ZnS作为第三代ZnS窗口材料，采用了独特的固体单质化学气相沉积技术路线，高温成像性能达到500 ℃以上，并自主研发了配套的抗气动热力膜层。该产品具有出色的中长波透过性能、高温红外成像性能及抗热冲击性能，适用于多种恶劣环境，有力助推了我国红外探测和成像装备的迭代升级和技术反超。此外，晶体院山东产业基地还建成具有完全自主知识产权的大尺寸CVD ZnS生产线，独立开发出超大尺寸、大厚度(30 mm)的CVD ZnS平板材料，实现了大尺寸CVD ZnS材料的批量制备，为我国的红外光电装备发展提供了坚实的材料基础。