化合物鈉硼氧氯光學晶體及其制備方法和用圖
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種化合物鈉硼氧氯Na3B4O7Cl和鈉硼氧氯光學晶體的制備方法和用途。
【背景技術】
[0002]硼酸鹽晶體中，硼原子可采用兩種雜化方式與氧原子鍵合:平面三角形的Sp2雜化[ΒΦ3]和四面體形的Sp3雜化[ΒΦ J (Φ = O2 , OH ) ο [ΒΦ3]和[ΒΦ4]基團共用頂點(氧原子)或共邊連接形成剛性的硼氧聚陰離子基團，這些基團是晶體結構中的陰離子重復單元，即基本結構單元(FBB)。FBB再縮合或多聚形成島狀孤立基團、一維無窮鏈狀基團、二維無窮層狀基團和三維無窮骨架狀基團，從而形成了豐富多彩的硼酸鹽晶體的結構類型。由于硼酸鹽晶體結構的多樣性，從而得以制備出一些引人注目的功能晶體材料。例如 a -BaB2O4 ( α -ΒΒ0)，β -BaB2O4 ( β _ΒΒ0)、LiB3O5 (LBO)晶體、CsB3O5 (CBO)晶體、CsLiB6O10(CLBO)晶體和KBe2BO3F2 (KBBF)晶體。雖然這些材料的晶體生長技術已日趨成熟，但仍存在著明顯的不足之處:如晶體易潮解、生長周期長、層狀生長習性嚴重及價格昂貴等。因此，合成新的光學晶體材料仍然是一個非常重要而艱巨的工作。
[0003]隨著科技的發展，對新型功能材料提出越來越多的的需求，如何更有效地進行硼酸鹽新材料設計成為許多科技工作者和企業界關注的話題。在發展新型光學晶體時，人們仍然選擇透光范圍寬的硼酸鹽晶體，并且為了進一步的拓寬透光范圍，使其紫外截止邊可以達到深紫外，陽離子通常使用沒有d-d電子躍迀的堿金屬或堿土金屬，并且在硼酸鹽骨架中引入鹵素離子。

【發明內容】

[0004]本發明目的在于提供一種化合物鈉硼氧氯，該化合物的化學式為Na3B4O7Cl,分子量為259.66，屬于六方晶系，空間群為P6522。采用固相反應法合成該化合物。
[0005]本發明另一目的是提供一種鈉硼氧氯光學晶體的制備方法。
[0006]本發明又一個目的是提供一種鈉硼氧氯光學晶體的用途，可用于制備窗口、透鏡或棱鏡。例如:用在紅外探測器和飛行器中的窗口、頭罩或整流罩等；用于顯微鏡和望遠鏡中的凸透鏡；用于潛望鏡，雙目望遠鏡等儀器中改變光的進行方向的三棱鏡等。
[0007]本發明所述一種化合物鈉硼氧氯光學晶體，該化合物的化學式為Na3B4O7Cl,分子量為259.66，屬于六方晶系，空間群為P6522，采用固相反應法合成該化合物。
[0008]所述鈉硼氧氯光學晶體的制備方法，采用固相反應法及高溫溶液法生長晶體，具體操作按下列步驟進行:
[0009]a、采用固相反應法，按摩爾比Na:B:Cl = 3:4:1稱取原料放入研缽中，研磨均勻后放入剛玉坩禍，將剛玉坩禍置于馬弗爐中，緩慢升溫至400°C，恒溫12小時，冷卻后取出坩禍，將樣品研磨均勻，再置于坩禍中，將馬弗爐升溫至650°C，恒溫48小時后將樣品取出，放入研缽中仔細研磨得到鈉硼氧氯化合物單相多晶粉末，再對該多晶粉末進行X射線分析，所得X射線譜圖與Na3B4O7Cl單晶研磨成粉末后的X射線譜圖是一致的；
[0010]b、將步驟a制備的鈉硼氧氯化合物單相多晶粉末與助熔劑按摩爾比1:1-12均勻混合，裝入鉑金坩禍中，以溫度I 一 80°C /h的升溫速率加熱至溫度600 - 750°C，恒溫6 —100小時，得到混合熔液；
[0011]或按摩爾比Na:B:Cl = 3:4:1直接稱取原料，與助熔劑混合均勻，以溫度I 一800C /h的升溫速率加熱至溫度600 - 750°C，恒溫6 — 100小時，得到混合熔液；
[0012]C、將步驟b得到的混合熔液降溫至550°C — 670°C，將籽晶桿伸入液面以下，以溫度0.5 — 5°C /h的速率緩慢降溫5 - 100°C，將籽晶桿提出液面，籽晶桿上會有聚集物，再以溫度I 一 80°C /h的速率降至室溫，獲得鈉硼氧氯籽晶；
[0013]d、將步驟b的混合熔液降溫至540 - 660°C，將步驟c得到的籽晶固定在籽晶桿上，從晶體生長爐頂部下籽晶，先將籽晶預熱5 - 60分鐘，然后將籽晶下至接觸混合熔液液面或混合熔液中進行回熔，恒溫5 - 60分鐘，快速降至溫度530 - 655°C ;
[0014]e、再以溫度0.1 - 3°C /天的速率緩慢降溫，以O — 10rpm轉速旋轉籽晶桿進行晶體的生長，待單晶生長到所需尺度后，將晶體提離混合熔液表面，并以溫度I 一 80°C /h速率降至室溫，然后將晶體從爐膛中取出，即可得到鈉硼氧氯光學晶體。
[0015]步驟a所述含鈉化合物為Na2C03、Na2O, Na2C2O4, Na2B4O7^ NaNO 3，含硼的化合物為H3BO3, B2O3,含氯化合物為NaCl。
[0016]步驟b 所述助熔劑為 PbO、H3BO3-Na2O 或 H3B03_Pb0。
[0017]步驟b中化合物鈉硼氧氯與助熔劑的摩爾比為1:1 一 12。
[0018]助熔劑H3BO3-Na2O或H3BO3-PbO體系中H3BO3與氧化物的摩爾比為1-6:1-5。
[0019]所述的氯硼酸鈉光學晶體在制備紅外探測器和飛行器中的窗口、頭罩或整流罩或顯微鏡和望遠鏡中的凸透鏡或潛望鏡或雙目望遠鏡儀器中改變光的進行方向的三棱鏡中的用途。
[0020]本發明所述的鈉硼氧氯光學晶體及制備方法和用途，原則上，采用一般化學合成方法都可以制備化合物Na3B4O7Cl,現優選固相反應法，該化合物有以下幾個典型的可以得到Na3B4O7Cl化合物的化學反應式:
[0021](l)Na2C03+NaCl+4H3B03—Na3B407Cl+C02 t +6H 20 ?
[0022](2)Na20+NaCl+4H3B03—Na3B407Cl+6H20 ?
[0023](3)Na2C204+NaCl+4H3B03+l/202 t — Na3B407Cl+2C02 t +6H 20 ?
[0024](4) 2NaN03+NaCl+4H3B03— Na 3B407C1+2N02 ? +6H 20 ? +1/2(? ?
[0025](5) Na2B407+NaCl — Na3B4O7Cl
[0026](6) Na2C03+NaCl+2B203— Na 3B407C1+C02 ?
[0027](7) Na20+NaCl+2B203— Na 3B407C1
[0028](8) Na2C204+NaCI+2B203+1/202 ? — Na 3B407C1+2C02 ?
[0029](9) 2NaN03+NaCl+2B203— Na 3B407C1+2N02 ? +1/20 2 ?
[0030]本發明提供鈉硼氧氯光學晶體，該晶體化學式為Na3B4O7Cl,分子量為259.66，屬于六方晶系，空間群為Ρ6522。
[0031]本發明提供Na3B4O7Cl光學晶體的制備方法，采用助熔劑法生長晶體，可獲得尺寸為厘米級的Na3B4O7Cl13該晶體機械硬度適中，易于切割、拋光加工和保存，不溶于水，不潮解，在空氣中穩定，適用于制作窗口、透鏡和棱鏡等光學器件。例如:用在紅外探測器和飛行器中的窗口、頭罩或整流罩等；用于顯微鏡和望遠鏡中的凸透鏡；用于潛望鏡，雙目望遠鏡等儀器中改變光的進行方向的三棱鏡等。
【附圖說明】
[0032]圖1為本發明Na3B4O7Cl粉末的X-射線衍射圖；
[0033]圖2為本發明Na3B4O7Cl的晶體結構圖；
[0034]圖3為本發明生長的晶體的照片；
[0035]圖4為本發明窗口使用示意圖，其中I為保護蓋，2為法蘭底座，3為晶體材料(窗口)，4為密封圈，5為密封圈，6為外旋壓圈；
[0036]圖5為本發明凸透鏡原理示意圖；
[0037]圖6為本發明棱鏡使用示意圖。
【具體實施方式】
[0038]以下結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明:
[0039]實施例1:
[0040]按反應式:(l)Na2C03+NaCl+4H3B03—Na 3B407C1+C02 ? +6Η 20 ? 合成 Na3B4O7Cl 化合物；
[0041 ] 將Na2C03、NaCl、H3BO3按摩爾比1: 1:4稱取原料放入研缽中，混合并仔細研磨，然后裝入OlOOmmXlOOmm的開口剛玉坩禍中，放入馬弗爐中，緩慢升溫至400°C，恒溫12小時，冷卻后取出坩禍，將樣品研磨均勻，再置于坩禍中，將馬弗爐升溫至650°C，恒溫48小時后將樣品取出，放入研缽中仔細研磨得到鈉硼氧氯化合物單相多晶粉末，再對該多晶粉末進行X射線分析，所得X射線譜圖與Na3B4O7Cl單晶研磨成粉末后的X射線譜圖是一致的；
[0042]反應式中的碳酸鈉由氧化鈉、草酸鈉或硝酸鈉替換，硼酸由氧化硼替換；
[0043]將合成的鈉硼氧氯Na3B4O7Cl化合物與助熔劑PbO按摩爾比1:3進行混配，裝入Φ 80mmX 80mm的開口鉑金坩禍中，以溫度50°C /h的升溫速率加熱至溫度680°C，恒溫24小時，得到鈉硼氧氯混合熔液；
[0044]再將混合熔液降溫至620°C，將籽晶桿快速伸入液面以下，以溫度2V /h的速率緩慢降至520°C，將籽晶桿提出液面，籽晶桿上會有聚集物，再以溫度50°C /h的速率降至室溫，獲得Na3B4O7Cl籽晶；
[0045]在化合物熔液中生長晶體:將得到的鈉硼氧氯混合熔液降至溫度610°C，