AT236277B

AT236277B - Verfahren zur Herstellung von Einkristallen von feuerfesten Materialien mit hohem Schmelzpunkt und Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: AT236277B
Application number: AT1006462A
Authority: AT
Original assignee: Ct D Etude De L En Nucleaire C
Priority date: 1961-12-29
Filing date: 1962-12-24
Publication date: 1964-10-12

Description

Verfahren zur Herstellung von Einkristallen von feuerfesten
Materialien mit hohem Schmelzpunkt und Einrichtung zur
Durchführung dieses Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Einkristallen von feuerfesten Materialien mit hohem Schmelzpunkt, bei welchem aus dem Material, von dem man Einkristalle erhalten will, ein Kör- per gebildet wird, der eine Aushöhlung aufweist, und dieser Körper in ein eingeregelte gasförmiges Me- dium eingebracht und dort durch ihn elektrischer Strom durchgeleitet wird, bis zumindest die Wand der
Höhlung auf die Sublimationstemperatur gebracht ist.

Bei einem bekannten Verfahren besteht der Körper aus einem geschlossenen Hohlzylinder, in dem
Impfkristalle angeordnet sind ; dieser Zylinder wird nur durch eine äussere Stromquelle erhitzt und ist von zwei Metallzylindern umschlossen, um eine Verdampfung nach aussen zu verhindern.

Gemäss der Erfindung wird darauf abgezielt, ein Verfahren zu schaffen, das sich von dem bekannten
Verfahren dadurch unterscheidet, dass man keine Impfkristalle verwenden muss ; dadurch wird das Anwendungsgebiet des Verfahrens vergrössert und dessen Wirtschaftlichkeit erhöht. Ferner bietet das Verfahren gemäss der Erfindung im Vergleich zu dem bekannten Verfahren den Vorteil, dass die Wärme durch einen Joule-Effekt in dem Material des Körpers, dessen Kristalle gebildet werden, erhalten wird. Diese Art der Erhitzung ist viel rationeller bzw. wirtschaftlicher und macht die Verwendung von metallischen Zylindern, die den Körper zum Zwecke einer Verhinderung einer Verdampfung nach aussen umschliessen, über- flüssig.

Es ist ferner auch schon vorgeschlagen worden, die Erhitzung mit Hilfe des Joule-Effektes in einem geschlossenen Zylinder zu bewirken, doch erfolgte dies immer in Gegenwart von Impfkristallen und unter zusätzlicher Erhitzung der geschlossenen Enden des Zylinders.

Gemäss der Erfindung wird die erwähnte Höhlung in Form eines Kanales ausgebildet und man lässt den elektrischen Strom mit Hilfe von zwei Elektroden, die die Enden des Kanales begrenzen bzw. abschlie- ssen, durch den Körper durchströmen und kühlt die Elektroden, zumindest in der Höhe der Ebene des Kontaktes mit dem Kanal, bis auf eine Temperatur, die unter der Gleichgewichtstemperatur des im Gaszustand vorliegenden Materials im Inneren des Körpers liegt.

Vorteilhafterweise werden die Elektroden, die Enden des Körpers, thermisch isoliert.

Bei einer vorzugsweisen Ausführungsform des Verfahrens gemäss der Erfindung wird am Ende von zumindest einer der Elektroden eine gegen den Körper gerichtete Platte aus thermisch isolierendem Material angeordnet und diese Platte bzw. Dichtung wird an der gegen den Körper gerichteten Seite mit einer elektrisch leitenden Folie bedeckt, die die betreffende Elektrode elektrisch mit dem Körper verbindet.

Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens und insbesondere eine Einrichtung, die eine Vakuumkammer, zwei Elektroden, die einander gegenüberliegend angeordnet sind und durch eine Wand der Kammer hindurchgehen, sowie Mittel zur Zuführung von Strom zu diesen Elektroden aufweist. Unter diesen Gesichtspunkten bildet ein besonderes Ziel der Erfindung die Schaffung einer Einrichtung, deren Elektroden, die den für die Erhitzung eines zwischen den Elektroden angeordneten Körpers bestimmten elektrischen Strom zuführen, genau auf der Temperatur gehalten werden können, dass sich auf den Elektroden Kristalle bilden können.

Zu diesem Zweck sind die einander gegenüberliegenden Enden der Elektroden mit einem thermischen
Isolationsmaterial überzogen, das seinerseits von einer elektrisch leitenden Schicht bedeckt ist, die mit der betreffenden Elektrode leitend verbunden ist.

Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht die erwähnte elektrisch leitende
Schicht aus einer Metallfolie, die zumindest auf der von der Elektrode abliegenden Seite das thermische
Isolationsmaterial bedeckt und zumindest an einer Stelle mit der Elektrode verbunden ist.

Weitere Einzelheiten und besondere Merkmale der Erfindung sind im folgenden im Zusammenhang mit einem Verfahren gemäss der Erfindung zur Herstellung von Einkristallen von feuerfesten Materialien mit einem hohen Schmelzpunkt und in Verbindung mit zwei Einrichtungen, die gemäss der Erfindung aus- gebildet sind, zur Durchführung dieses Verfahrens beschrieben.

Diese Darlegungen beziehen sich jedoch nur auf beispielsweise Ausführungsformen und sind in keiner
Weise einschränkend für die Erfindung aufzufassen. Die Erläuterungen erfolgen an Hand der Zeichnungen.

In den Zeichnungen stellt Fig. 1 einen senkrechten Schnitt'durch eine Einrichtung gemäss der Erfin- dung dar und Fig. 2 ist ein senkrechter Schnitt des Mittelteiles der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung in einem grösseren Massstab.

In den Zeichnungen beziehen sich die gleichen Bezugszeichen auf die gleichen Teile.

Durch Verpressen und Sintern von feingemahlenem Urandioxyd wird ein Zylinder 1 hergestellt. In diesen Zylinder 1 wird ein runder Kanal 2 gebohrt, dessen Durchmesser sich gegen die Enden zu vergrö- ssert. In dem angeführten Beispiel kann der Zylinder 1 eine Länge von 40 mm, einen Aussendurchmesser von 25 mm und eine Wanddicke von 5 bis 8 mm aufweisen. Der Zylinder 1 ist zwischen zwei Elektro- den 3 angeordnet, von denen jede aus einem Kupferstutzen besteht, der eine zentrale Höhlung 4 auf- weist, in der eine Düse bzw. ein Wasserzulauf 5 angeordnet ist, durch die Kühlwasser zugeführt wird, das durch den zwischen der Aussenwand der Düse 5 und der Innenwand der Höhlung 4 in der Elektrode 3 gebildeten Raum abfliessen kann.

Zwischen dem Endteil jeder Elektrode 3 und dem benachbarten Ende des Zylinders 1 ist eine Dichtung 6 aus feuerfestemMaterial mit hohem Schmelzpunkt, z. B. aus Zirkon- oxyd, eingeschoben.

Die Dichtungen 6 dienen zur thermischen Isolation. Eine dünne Folie 7 aus Wolfram oder Tantal, die eine Dicke von etwa 0, 5 mm aufweist, ist auf jede der Dichtungen 6 aufgebracht und mit der entspre- chenden Elektrode 3 mit Hilfe einer Schraube 8 und eines Stichbalkens 9 verbunden. Die Folien 7 schal- ten die Dichtungen 6 nebeneinander. Eine Metallfolie 10 von hohem Schmelzpunkt, beispielsweise aus
Wolfram, umgibt teilweise sowohl den Zylinder 1 als auch die Dichtungen 6 und ist gleichfalls mit den Elektroden 3 verbunden.

Die oben beschriebene Anordnung wird in einem geschlossenen Raum 11 angeordnet, der aus einem Quarzzylinder, der an seinen beiden Enden mit Wasser gekühlte Anschläge 12 aufweist, besteht. Die Anschläge 12 weisen Verlängerungen von solcher Art auf, dass ihr mittlerer Teil von dem geschlossenen Raum in Form von Führungen 13 weg verläuft, die in Kragen 14 enden. von denen der eine durch eine Kappe 15 verschlossen und der andere durch eine Scheibe 16, die mit ihm fest verbunden ist, über einen Mantel 17 aus Tombak an zwei miteinander verbundenen Kappen 18 befestigt ist, die ihrerseits an der entsprechenden Elektrode 3 und an einer Messeinrichtung 19 befestigt sind, die zur Aufzeichnung der Verschiebung der Elektrode 3 im Verlaufe des Sublimationsvorganges dient.

Das Verfahren gemäss der Erfindung erfolgt nach einer bevorzugten Ausführungsform auf folgende Weise : Wenn die durch die Elektroden 3, den Zylinder 1 und die Hilfselemente 6, 7 und 10 gebildete Einrichtung in dem geschlossenen Raum 11 angeordnet ist, wird in diesem ein Vakuum von etwa 10 -2 mm Hg erzeugt. Dann werden die Enden 20 der Elektroden 3 unter Spannung gesetzt und man lässt über die Folien 7 und die Metallfolie 10 Strom fliessen. Die Stromstärke und die Spannung werden langsam von 0 bis auf einen Wert von 120 A und 10 V erhöht. Nach etwa 90 min erreicht der Zylinder 1 eine Temperatur von etwa IOOOOC.

Dann wird während einer kurzen Zeit ein Strom von 300 A durchgeleitet, wodurch die Folie 10 zum Schmelzen gebracht wird ; anschliessend wird durch den Zylinder 1 ein Strom von 200 A und 10 V geleitet, wobei die Temperatur der Aussenwandung des Zylinders 1 bis auf 17000C und die Temperatur der Innenwand dieses Zylinders auf 25000C ansteigt. Bei dieser Temperatur sublimiert und kondensiert sich das Urandioxyd in Form von Einkristallen auf den Wänden, die den Kanal 2 begrenzen.

Es bedarf keiner Erwähnung, dass die Erfindung in keiner Weise auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt ist und dass ohne weiteres Abänderungen möglich sind, ohne vom Erfindungsgedanken abzugehen.

Beispielsweise können die Isolationsdichtungen 6 entfallen, wenn die Stärke des durch den Zylinder durchfliessenden Stromes viel höher ist ; in diesem Fall ist eine wesentlich stärkere Kühlung wünschen- wert. Es ist ferner offensichtlich, dass die Vorerhitzung des Zylinders 1 z. B. auch mit Hilfe eines Ofens oder durch Anlegen einer hohen Spannung an die Elektroden erreicht werden kann. Weiterhin kann das
Verfahren auch in einem andern eingeregelten bzw. kontrollierten gasförmigen Medium, z. B. in einem inerten Gas, durchgeführt werden.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Einkristallen aus feuerfesten Materialien mit hohem Schmelzpunkt, bei dem aus dem Material, von welchem man die Kristalle erhalten will, ein Körper gebildet wird, der eine Aushöhlung aufweist, und dieser Körper in ein eingeregeltes gasförmiges Medium eingebracht und dort durch ihn elektrischer Strom durchgeleitet wird, bis zumindest die Wand der Höhlung die Sublima- tionstemperatur erreicht hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhlung in Form eines Kanals ausgebildet wird und der elektrische Strom durch den Körper mit Hilfe von zwei Elektroden durchgeleitet wird, die die Enden des Kanals begrenzen, und die Elektroden zumindest in der Höhe der Ebene des Kontaktes mit dem Kanal bis auf eine Temperatur gekühlt werden,

die unterhalb der Gleichgewichtstemperatur des gas- förmigen Materials im Inneren des Kanals liegt.

Claims

2. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper in Form eines Zylinders aus- gebildet und der Kanal längs der Achse des Zylinders angeordnet und in der Höhe zumindest einer der Elektroden konisch ausgeführt wird, wobei der Durchmesser auf der Seite, die mit der Elektrode verbun- den ist, grösser ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden, die Enden des Körpers, thermisch isoliert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende mindestens einer der Elektro- den gegen den Körper gerichtet eine Platte aus thermisch isolierendem Material angeordnet wird und diese Schicht auf der gegen den Körper gerichteten Seite mit einer elektrisch leitenden Folie bedeckt wird, die die betreffende Elektrode mit dem Körper stromleitend verbindet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper ausser durch die durch den Stromdurchgang durch ihn hervorgerufene Erhitzung zusätzlich mit Hilfe einer andern Wärmequelle erhitzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden mit Hilfe einer Folie aus einem leitenden Material verbunden werden, das teilweise den Körper bedeckt, und dass die Stromstärke fortschreitend erhöht wird, bis diese Folie schmilzt.

7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die eine geschlossene Kammer, zwei einander gegenüberliegend angeordnete Elektroden, die durch eine Wand dieser Kammer hindurchgehen, und Mittel zur Zuführung von Strom zu diesen Elektroden aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die einander gegenüberliegenden Enden der Elektroden von einem thermisch isolierenden Material bedeckt sind, das seinerseits mit einer Schicht aus elektrizitätsleitendem Material überzogen ist, das mit der betreffenden Elektrode verbunden ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch isolierende Material aus einem Plättchen besteht.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch isolierende Material aus einem Plättchen aus Zirkonoxyd besteht.

10. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrizitätsleitende Schicht aus einer Metallfolie besteht, die das thermisch isolierende Material zumindest an der der Elektrode gegenüberliegenden Seite bedeckt und mindestens an einer Stelle mit der Elektrode verbunden ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie aus leitfähigem Material aus Tantal besteht.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel aufweist, die, ausser der Wirkung des Joule-Effektes in dem zu erhitzenden Material, ein Erhitzen des Materials zwischen den Elektroden ermöglichen. <Desc/Clms Page number 4>

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mittel aus Elementen bestehen, die ein Befestigen einer Folie aus leitfähigem Material, die längs des zu erhitzenden Materials angeordnet ist, an den beiden Elektroden ermöglichen.