超声速长波红外窗口用钙镧硫透明陶瓷研究进展

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1139

摘要/Abstract

摘要：

红外窗口作为超声速飞行器光电系统的核心部件，其极端服役环境对材料的红外透过性、热稳定性和机械强度提出了严苛要求。钙镧硫（CaLa₂S₄）透明陶瓷凭借宽红外透射波段（8~12 μm）、优异抗雨蚀性及力学性能，成为继氧化物陶瓷、氟化物、ZnS/ZnSe等传统红外材料后的新兴候选材料。本文首先阐述了CaLa₂S₄陶瓷拥有优异性能的原因，然后重点综述了国内外红外透明陶瓷CaLa₂S₄在粉体制备、烧结工艺及成分设计方面的研究进展，分析了热压烧结、放电等离子烧结和热等静压烧结等制备工艺对红外透明陶瓷CaLa₂S₄光学性能和力学性能的影响，并深入探讨了CaLa₂S₄陶瓷烧结过程中的硫损失问题。然而，相较国际先进水平，我国在CaLa₂S₄陶瓷大尺寸构件近净成形、高温硫挥发控制等方面仍存在差距。未来需集中攻克高透过率CaLa₂S₄透明陶瓷的规模化制备、热-力-光性能协同优化及极端环境服役验证等难题，推动CaLa₂S₄陶瓷在超声速飞行器领域的工程化应用。

关键词: CaLa₂S₄, 红外窗口材料, 透明陶瓷, 陶瓷制备工艺, 光学质量

Abstract:

Infrared windows are critical components for supersonic aircraft optoelectronics systems， demanding exceptional infrared transmittance， thermal stability， and mechanical strength in extreme environments. Calcium lanthanum sulfide （CaLa₂S₄） transparent ceramics have emerged as a leading candidate beyond conventional materials such as oxide ceramics， fluorides， ZnS/ZnSe， due to their broad-band transmission （8~12 μm）， excellent rain erosion resistance， and mechanical robustness. This paper first elaborates on the origins of the excellent properties of CaLa₂S₄ ceramics， then focuses on reviewing the research progress in powder synthesis， sintering processes， and composition design of CaLa₂S₄ infrared transparent ceramics worldwide. It specifically analyzes the effects of fabrication processes including hot pressing （HP） sintering， spark plasma sintering （SPS）， and hot isostatic pressing （HIP） sintering on the optical and mechanical properties of CaLa₂S₄ infrared transparent ceramics. In addition， the sulfur loss issue during the sintering of CaLa₂S₄ ceramics is thoroughly discussed. However， challenges remain in China regarding near-net shaping of large components， controlling sulfur volatilization at high temperatures， and understanding defect dynamics. Future research must prioritize scalable production of high-transparency CaLa₂S₄， synergistic optimization of thermal-mechanical-optical properties， and validation under extreme conditions to enable their engineering application in supersonic flight.

Key words: CaLa₂S₄, infrared window material, transparent ceramics, ceramic fabrication process, optical quality

中图分类号:

TQ174.75⁺8.23

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图/表 6

图1 具有缺陷型Th3P4结构的La2S3与理想Th3P4结构CaLa2S4的晶体结构对比［2］

Fig.1 Crystal structures of La2S3 with cubic-defect Th3P4 structure and CaLa2S4 with ideal Th3P4 structure［2］

表1 CaLa2S4和ZnS的物理性能［2，6，9-12］

Table 1 Physical properties of CaLa2S4 and ZnS［2，6，9-12］

Physical property	CaLa₂S₄	ZnS
Peak IR transmittance/%	68.4 （theoretical transmission at 10 μm）	Near 70 （experimental transmittance at 8~12μm）
Absorption coefficient at 10.6 μm/cm^-1	0.17	0.3
Hardness/（kg·mm^-2）	570	250
Flexural strength/MPa	86~106	60~103
Water drop impact	More resistant	—
Thermal expansion（200~400 ℃）/（10^-6 ℃^-1）	14.7	7.4
Thermal conductivity（20 ℃）/（W·m^-1·K^-1）	1.7	17.2

图2 湿化学法结合热分解制备CaLa2S4粉体的SEM照片（a）、TEM照片（b）及能谱（c）［22］

Fig.2 SEM image （a）， TEM image （b）， and energy spectrum （c） of CaLa2S4 powder synthesized via a wet chemistry method followed by thermal decomposition［22］

图3 不同La/Ca比钙镧硫样品的良好光学透明性表征［30］

Fig.3 Calcium lanthanum sulfide samples of different La/Ca ratios exhibiting good optical transparency［30］

图4 冷压-冷等静压-热压-热等静压协同技术制备的CaLa2S4陶瓷FTIR光谱［35］

Fig.4 FTIR spectra of CaLa2S4 ceramic fabricated via cold pressing， cold isostatic pressing， hot pressing， and hot isostatic pressing synergistic technology［35］

图5 （a） ?20 mm×0.7 mm镜面抛光的NaLaS2陶瓷实物图；（b）（a）中所制备的NaLaS2陶瓷的红外透射光谱（对应曲线a）［45］

Fig.5 （a） Mirror-polished NaLaS2 ceramic with ?20 mm×0.7 mm；（b） Infrared transmittance spectra of as-prepared NaLaS2 ceramic shown in （a） which corresponding to the curve a［45］

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