Способ получения поликристаллического оптического материала на основе щелочно-галоидных соединений
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ОПТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ЩЕШЧНО-ГАЛОВДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ , включающий приготовление исходного кристалпического материала и его последующее деформирование, о тличающийся тем, что, с целью повышения оптического качества материала и упрощения процесса, исходный материал готовят в виде поликристаллического блока путем газофазного осаждения на подложку, нагретую до 400-700С, со скоростью 0,00050 ,05 моль см /ч с последукяцим отделением блока от подложки, a деформирование ведут при давлении 0,5 3 ,0 т/см.
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
РЕСПУБЛИК
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3562182/23-26 (22) 10.g3.83 (46) 07.11.84. Бюл. Ф 41 (72) Э.Н.Рылсиков, А.А.Демиденко и А.А.Дунаев (53) 621. 315. 592 (088. 8) (56) 1. Косевич В.М. и др. О механизме роста поликристаллическик слоев каменной соли при конденсации в вакууме. — "Кристаллография", т. 11, .Ф 5, 1966, с. 808-813.
2 ° Трескин 10.В. Получение поликристаллических щелочных галогенидов путем деформации.монокристаллов при повышенных температурах. — "Кристаллография", т. 15, В 4, 1970, с.846847.
3. Патент Англии В 1100519, кл. С. 1 А, 1966 (прототип) .,SU„„ I122Äß А
3m С 30 В 33/00 С 30 В 29/12 (54) ($7) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИКРИС-
ТАПЛИЧЕСКОГО ОПТИЧЕСКОГО ИАТЕРИАЛА
НА ОСНОВЕ ЩЕЛОЧНО-ГАЛОИДНЫХ СОЕДИНЕНИИ, включающий приготовление исходного кристаллического материала и его последующее деформирование, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения оптического качества материала и упрощения процесса, исходный материал готовят в виде поликристаллического блока путем гаэофавного осалщения на подловку, нагретую до 400-700 С, со скоростью 0,0005О;05 моль см /ч с последующим отделением блока от подлоаки, а деформирование ведут при давлении 0,53,0 т/см .
1122762
Изобретение относится к технологии изготовления поликристаллических оптических материалов на основе щелочно-галоидных соединений и может быть использовано в оптической технике, премущественно в инфракрасной.
Галогениды щелочных металлов являются самыми прозрачными из ИК-материалов в связи с малым значением показателя преломления и их прозрачность 10 меньше всего зависит от температур в сравнении с другими материалами, применяемыми в средней и дальней ИКобласти спектра. В ряде случаев низ-., кие механические характеристики щелоч- 15 но-галоидных монокристаллов ограничи- вают их практическое применение. Предел текучести материала и его прочностные характеристики можно увеличить путем поликристаллизации, так 20 как границы зерен эффективно препятствуют движению дислокации. Снижение размера зерна в галогенидах щелочных металлов приводит к возрастанию предела текучести, не изменяя
ИК-спектра поглощения.
Известен способ получения тонких поликригталлических пленок на основе щелочно-галоидных соединений конденсацией из паровой фазы на подлож- З0 ку I1 3.
Этим способом получают пленки толщиной до нескольких микрон. В связи с маленькой толщиной и требуемой высокой плотностью пленок скорость осаждения материала составляет порядка нескольких сотен ангстрем в секунду. Щелочно-галоидные пленки обладают плохой химической и структурной стабильностью, что ограничивает их практическое применение. Полученные щелочно-галоидные пленки применяют в экспериментальных исследованиях как "модельные" элементы, причем применяют совместно с подложкой.
Известен способ изготовления поликристаллического оптического материала пластической деформацией монокристаллов, который заключается в деформировании сжатием в условиях 50 воздействия большого давления на монокристаллическую заготовку, помещенную между двумя пластинами. Для достидения требуемого размера зерна получаемых поликристаллических образ-55 цов выбирают определенную температуру, скорость деформации, степень деформации. В частности, при помощи этого способа получают поликристаллические щелочные галогениды: хлорнд калия, бромид калия, хлорид натрия, фторид лития и др. Например, монокристаллы хлорида калия размерами
10.10.25 мм деформируют при 300—
400 С под нагрузкой 700-1200 кг. Степень деформации составляет 847. Данный способ позволяет получать мелкозернистые (50-80 мкм) поликристаллы щелочных галогенидов в условиях, обеспечивающих отсутствие примесей.
Механические и эксплуатационные характеристики поликристаллического оптического материала, полученного таким способом,существенно повышаются по сравнению с монокристаллами. При этом ухудшение оптических характеристик и, в частности, прозрачности в
ИК-области спектра не происходит (27.
Однако во время деформации заготовки монокристалла происходит искажение формы в силу различной пластичности монокристалла по различным направлениям скольжения. Полученный поликристаллический образец обнаруживает высокую степень ориентировки осей кристаллов (текстурирование) и малые угловые границы зерна. В результате этого каждый образец сохраняет в большей степени свойства симметрии монокристалла и проявляет ту же самую сильную аниэотропию механических свойств типа упругой деформации.
Для получения указанным способом оптических поликристаллических щелочно-галоидных материалов необходимо иметь высококачественные монокристаллы, выращивание которых связано с многими трудностями.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ получения поликристаллического оптического материала на основе щелочно-галоидных соединений, включающий получение исходного кристаллического порошка щелочно-галоидных соединений и последующее его рекристаллизационное прессование. Способ заключается в рекристаллизационном прессовании порошка фтористого лития при 400-500 С и давлении
5,0-10,0 т/см . Такие поликристаллические материалы прозрачны в видимой и инфракрасной области спектра (33.
Однако поликристаллические оптические материалы, изготовленные из порошка, как правило, обладают низ1122762 ким коэффициентом пропускания в видимой и ближней ИК-области спектра, так как порошки имеют развитую удельную поверхность, которая увеличивает возможность загрязнения исходного 5 порошка различными примесями при синтезе материала, его транспортировке, хранении и т.д.
Применение метода прессования порошков при изготовлении оптических поликристаллов требует дополнительно очищенного сырья. В случае использования сырья, не прошедшего такой специальной очистки, полученные оптические щелочно-галоидные поликристаллы обладают низкими оптическими характеристиками. Например, образцы поликристаллов на основе хлорида и бромида калия, полученные методом рекристаллиэационного прессования порошков марок "ДА", "ОСЧ", имеют коэффициент пропускания 1-5Х в области спектра 10-40 мкм при толщине образца 5 мм.
Целью изобретения является повышение оптического качества поликристаллического материала и упрощение процесса его получения.
Поставленная цель достигается тем, что согласно способу получения поли- 30 кристаллического оптического материала на основе щелочно-галоидных соединений, включающему приготовление исходного кристаллического материала и его последующее деформирование, З5 исходный материал готовят в виде поликристаллического блока путем газо фазного осаждения на подложку, нагретую до 400-700 С, со скооостью 0,00050,05 моль см /ч с последующим отде- 40 лением блока от подложки, а дефор.мирование ведут при давлении 0,5—
3,0 т/см .
Сущность способа заключается в том, что получают поликристаллические щелочно-галоидные блоки путем газофазного осаждения на подложку, нагретую до 400-700 С со скоростью ,005-0 05 моль см /ч. Блоки отделяют от подложки и деформируют методом рекристаллизационного прессования в вакууме при 0,45-0,85 ТплК деформируемого вещества, давлении 0,5-3 т/см (выдерживают под давлением 5-90 мин) и степени деформации блоков 10-80Х.
Конкретную температуру деформации, давление, время выдержки под давлением, температуру подложки, температуру- испарения определяют для каждого соединения отдельно.
Щелочно-галоидные блоки получают газофазным осаждением в вакууме, причем для их получения возможно применение сырья, степень очистки которого гораздо меньше, чем у сырья, из которого выращивают монокристаллы и изготавливают оптическую керамику из порошков. Переход из твердой или жидкой фазы в газообразную происходит без диссоциации щелочно-галоидных соединений, поэтому блоки получают стехиометрического состава. При этом происходит очистка матери ала как от легколетучих примесей, так как при данных температурах подложки предотвращается конденсация или захват летучих примесей конденсирующимся паром, так и от высококипящих, в т.ч. и от кислородсодержащих. При скоростях конденсации 0,0005—
0,05 моль,см /ч получают поликристаллические блоки с плотностью 80-997 от теоретической, при этом они имеют вакуумные закрытые поры, что пре-, дотвращает попадание вовнутрь материала различных примесей при хранении и транспортировке поликристаллических блоков. При скорости конденсации меньше 0,005 моль.см /ч наблюдается рост крупных монокристаллических блоков на отдельных участках подложки. При скорости конденсации больше 0,05 моль см /ч плотность блока недостаточна и наблюдается saметкая пористость. Скорость конденсации регулируют путем подбора температуры, а также площади поверхности камеры испарения и подложки. Температурой подложки можно регулировать структуру получаемых поликристаллических блоков. При температуре подложки менее 400 С осадок образуется в виде аморфной непрерывной пленки, так как адсорбированные атомы обладают малой подвижностью. Только при температуре подложки 400—
700 С атомы могут мигрировать друг к другу и образовывать отдельные кристаллические зародыши, которые затем разрастаются до поликристаллических блоков.
При температурах более 700 С..происходит расплавление получаемого поликристаллического блока;
С целью получения плотности поликристаллических блоков, близкйх к
S 11227 теоретической, и создания равномерной структуры щелочно-галоидные блоки деформируют при температурах 0,450,85 ТплК, давлении 0,5-3 т/см, времени выдержки под давлением 5-90 мин, 5 степени деформации 10-803. Деформируемые поликристаллические блоки обладают более однородной, изотропной структурой, чем аналогичные деформируемые монокристаллы, так как блоки имеют уже свою поликристаллическую структуру.
Использование при деформировании блоков давления менее 0,5 т/см приводит к снижению коэффициента пропускания менее ЗОХ в области длин волн 2,5-40 мкм. Увеличение давления при деформации блоков выше 3,0 т/см нецелесообразно, так как не приводит к увеличению коэффциента пропускания, 20 а применение больших давлений приводит к необходимости использования дорогостоящих высокопрочных материалов для изготовления пресс-форм.
Кроме того, при высоких давлениях происходит расслоение блока по плос- . костям, перпендикулярным оси давления.
Пример 1. Калий хлористый 3О марки ОСЧ-W3/1У6-09-3845 загружают в контейнер, который помещают на дио цилиндрической камеры диаметром 40 мм, закрываемой крышкой, одновременно служащей и подложкой. Все детали конструкции выполнены из кварцевого стекла. Камеру откачивают до давления 10 мм рт.ст. и разогревают так, что контейнер (испаритель) имеет 800 С, а крышка (подолжка) 650 С.-:
Скорость осаждения при указанном режиме составляет 0 01 моль см /ч.Очищенный продукт получается в виде поликристаллического блока с размером зерна 1-1,5 мм. Плотность блока составляет 87Х. Деформацию поликристал45 лического блока осуществляют в прессформе из хромоникелевого сплава .
ЗИ-675, которую помещают в пресспечь, находящуюся под вакуумом
10 мм рт.ст. Пресс-форму нагревают до 350 С (0,61 плК) и с целью выравнивания температуры по блоку делается выдержка в течение 20 мии. ИатеРиал деформируют под,давлением 2 т/см в течение 30 мин, степень деформации
50Х. Полученный при этих условиях оптичеекий поликристаллический материал представляет собой материал
62 практически с теоретической плотностью, с размером зерна 50-80 мкм. Коэффициент пропускания образца при толщине 5 мм на длине волны 10 мкм составляет 90-92Х.
Пример 2. Калий бромистый марки "ЧДА" ГОСТ 4160-74 загружают в конструкцию, описанную в примере 1.
Камеру откачивают до давления
10 мм рт..ст. и разогревают так, что испаритель имеет 800 С, а подложка 550 С. Скорость осаждения при указаном режиме составляет 0,006 моль х х см /ч. Очищенный материал получают в виде поликристаллического блока с размером зерна 0,8-1,2 мм. Плотность блока составляет 85Х. Деформацию поликристаллического блока осуществляют в пресс-форме из хромоникелевого сплава ЭИ-675, которую помещают в пресс-печь и вакуумируют до остаточного давления 10 мм рт.ст. Прессформу нагревают до 200 С (0,471 плК) и выдерживают с целью выравнивания температуры по блоку в течение
20 мин. Иатериал деформируют под давлением 3 т/см в течение 5 мин, степень деформации 25Х. Полученный при этих условиях поликристаллический материал представляет собой материал практически с теоретической плоткостью, с размером зерна 60-90 мкм.
Коэффициент пропускания образца при толщине 5 мм на длине волны 10 мкм сставляет 90-92Х.
Пример 3 ° Калий бромистый марки "Ч" ГОСТ 4160-74 загружают в конструкцию, описанную в примере 1.
Камеру откачивают до давления 2
10 мм рт.ст. и разогревают так, что испаритель имеет 750 С, а подложка о
450 С. Скорость осаждения при указанном режиме составляет 0,007 моль х х см /ч. Очищенный продукт получают в виде поликристаллического блока с размером зерна 0,6-0,8 мм. IIJIot ность блока составляет 87Х. Деформацию поликристаллического блока осуществляют в пресс-форме из хромоникелевого сплава ЭИ-675, которую помещают в пресс-нечь, находящуюся под вакуумом 10 мм рт.ст. Прессформу нагревают до 560 С (0,82 ТплК) и с целью выравнивания темпера рры по блоку выдерживают в течение
20 мин. Материал деформируют под давлением 0,8 т/см в течение 15 мин, степень деформации 20Х, Полученный
1122762
Составитель В. Голованов
Техред M.Íàäü Корректор Г. Решетник
Редактор Т.Кугрышева
Заказ 8107/26 Тираж 351 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5. Филиал ППП "Патент", r.ужгород, ул.Проектная, 4 при этим условиях оптический поликристаллический материал представляет собой материал практически с теоретической плотностью, с размером зерна 150-200 мкм. Коэффициент пропускания образца при толщине 5 мкм на длине волны 10.мкм составляет 9092Х.
П р и и е р 4. Натрий хлористый марки "ОСЧ", загружают в конструкцию, описанную в примере 1. Камеру откачивают до давления 1О мм рт.ст. и разогревают так, что испаритель имеет 900 С, а подложка 600 С. Скорость осаждения при .указанном режиме составляет 0,02 моль ° см /ч. Очищенный продукт получают в виде поликристаллического блока с размером зерна
60-80 мкм. Плотность блока составляет 90Х. Деформацию поликристаллического блока осуществляют в пресс-форме иэ хромоникелевого сплава ЭИ-675, который помещают в пресс-печь, находящуюся по вакуумом 10 мм рт.ст.
Пресс-форму нагревают до 250 С (0,49 ТплК) и с целью выравнивания температуры по блоку выдерживают в течение 20 мин. Материал деформируют под давлением 1,5 т/см в течение
5 90 мин, степень деформации ЗОХ. Полученный при этих условиях оптический поликристаллический материал практически с теоретической плотностью, с размером зерна 60-80 мкм. Коэффициент пропускания образца при толщине 5 мм на длине волны 10 мм составляет 90:92X.
1 Таким образом, предлагаемы способ позволяет значительно увеличить козффциент пропускания поликристаллического оптического материала (с 1
50Х по известному до 90-92Х по пред-, 2б лагаемому способам), а исключение стадии дополнительной очистки исходных порошков по сравнению с известным способом упрощает технологический процесс получения поликристаллических
2 оптических материалов.
