Verfahren zur Herstellung künstlicher Kristalle.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel]ung künstlieher Kristalle, wie beispielsweise piezoelektrisehe Kristalle, in einer übersättigten Lösung.
Wenn man einen Kristall in einer übersättigten Lösung zum AVaehsen bringt, so begegnet man grossen Sehwierigkeiten infolge der Anwesenheit von Staub und schwebenden Teilen in der Lösung. Partikel dieses Staubes sind Kristallisationszentren, auf welchen sieh die mikroskopischen Kristalle anlagern. Sie fallen zum grössten Teil rasch auf den Boden des Gefässes und vermindern den Lösungsgehalt derart, dass die grossen Kristalle, die man zu erhalten wünscht, selten wirklich erhalten werden. (5gewisse mikrokristalline Partikel, die in der Lösung schweben, setzen sieh auf den Flächen grosser Kristalle an solchen Stellen an, die nicht der allgemeinen Anordnung von Ionen im Kristallgftter entsprechen.
Dadurch entstehen lokale Fehler, was zu Einschlüssen von übersättigter Lösung im Kristall führen kann.
Es ist bekannt, die Bedeutung dieser Faktoren durch verschiedene Verfahren, wie beispielsweise durch Filtrierung, Zentrifugierung usw., zu vermeiden. Diese Verfahren vermindern die Anzahl der schädlichen, parasitischen Partikel, ohne diese jedoch vollständig auszuscheiden.
Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zum Ziel, bei welchem die zur Ilerstel- lung von künstlichen Kristallen verwendete iibersättigte Lösung durch besondere Mass- nahmen frei von Unreinigkeiten gemacht wird, wodurch auch die erhaltenen Kristalle frei von solchen sind.
Gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren wird die übersättigte Lösung vor der Bil dung der künstlichen Kristalle, zwecks Abscheidung von als unerwünschte Kristallisationszentren wirkenden Verunreinigungen, mechanischen Schwingungen von solcher Frequenz ausgesetzt, dass sich augenblicklich Kristallkerne bilden.
Beispielsweise können zu diesem Zweck mit Vorteil Ultraschallschwing-ungen verwendet werden.
Vorzugsweise wird die Lösung während der Anlegung dieser Ultraschallschwingun- gen gemischt bzw. in Bewegung gehalten, damit alle Teile der Lösung dem Ultraschall- strahl ausgesetzt werden.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt:
Die Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen zur Durchführung des erfindungsgemä ssen Verfahrens geeigneten Apparat und die Fig. 2 einen längs der Linie A-B der Fig. 1 geführten Schnitt in schematischer Darstellung.
Im Behälter 1, der vorzugsweise durch sichtig ist und den man durch ein regulierbares (nicht gezeigtes) Heizsystem auf einer konstanten Temperatur hält, wird eine gesättigte Lösung eines Salzes bei einer gegebenen Temperatur zubereitet. Zur Vereinfachimg der Beschreibung wird die Annahme getroffen, dass piezoelektrisehe Kristalle aus Monoammoniumphosphat erhalten werden sollen, wobei zu erwähnen ist, dass sich das beschriebene Verfahren selbstverständlich auch auf andere Kristalle bei entsprechender Temperatur und Konzentration anwenden lässt. In 100 Liter Wasser, die beispielsweise auf eine Temperatur von 500 C erwärmt werden, werden 69,5 kg Monoammoniumphosphat gelöst, wodurch man eine gesättigte Lösung bei 500 C erhält.
Die Mischung wird umgerührt, beispielsweise mit Hilfe des Propellers 2, um in der ganzen Lösung eine homogene Temperatur zu erhalten.
Nun wird die Temperatur der Lösung auf 450 C gebracht, worauf diese Lösung mechanischen Schwingungen unterworfen wird, vorzugsweise mit Hilfe eines durch den Generator 3 erzeugten Strahls von Ultrasehallwellen.
Dieser Strahl hat die Eigenschaft, eine plötz liche Bildung von mikroskopischen Kristallen zu bewirken, die sich vorzugsweise auf schwebenden Partikeln bilden. Diese Partikel werden auf diese Weise rasch in kleine Kristalle eingeschlossen, werden dadurch schwer und fallen auf den Boden des Behälters. Infolge des Arbeitens des Propellers 2 wird die ganze Lösung durch den Ultrasehallstrahl hindurchgeführt.
Wenn die Dichte der Lösung beispielsweise derjenigen einer gesättigten Lösung von 450 C entspricht, wird die Erzeugung der Ultraschallwellen unterbrochen und man gestattet den Kristallen, sieh auf dem Boden des Behälters abzusetzen. Der Boden 4 des Behälters ist vorzugsweise konisch ausgebildet und weist ein Rohr 5 und einen Ablass- hahn 6 auf. Bevor die Lösung der Einwir kung des Ultrasehallstrahls ausgesetzt wird, wird auf deren Oberfläche eine Lage 7 einer neutralen Flüssigkeit, wie beispielsweise Vaselinöl, gegossen, welche das Eindringen von Staubpartikeln in die Lösung verhindert.
Die auf dem Boden des Behälters : 1 angesammelten : Kristalle werden mittels des Hahnes 6 abgelassen. Dann wird mittels eines Lichtstrahls, den man durch die Lösung hin durehsehiekt, festgestellt, ob diese optisch durchsichüg ist.
Nach der Entfernung aller Kristalle und ihrer Keime, welche sich mit den in der Lö sung schwebenden Staubpartikeln vereinigt haben, wird die Lösung um mehrere Grade (z. B. 2 bis 100 C) erwärmt, um die im Behälter bzw. in der Lösung zurückgebliebenen Kerne wieder aufzulösen. Dann lässt man die Lösung beispielsweise auf 400 C abkühlen, was wieder eine übersättigte Lösung ergibt, welche aber frei von Unreinigkeiten ist. Dann werden ein oder mehrere Kristalle 8, die man zu vergrössern wünscht, beispielsweise mit Hilfe der Tragvorrichtungen 9 in die Lösung eingetaucht. Die Lösung wird durch den Propeller 2 dauernd umgerührt, bis die Kristalle auf die gewünschte Grösse angewachsen sind.
In der Lösung können sich zufällig auch andere Kristallpartikel bilden, die sich auf dem in Bildung begriffenen Kristall anlagern können. Um diese unerwünschten Kerne abzuseheiden, können beispielsweise längs der Vertikalwand des Behälters 1 vorzugsweise vertikal verlaufende Platten 10 angeordnet werden. Durch die von Propeller 2 bewirkte Umrührung der Lösung gelangen die erwähnten Kerne mit den Platten in Berührung, wo sie angehalten werden und sich auf den Boden des Behälters absenken. Am untern Ende dieser Platten können kleine Trichter 11 mit einem Ausflussrohr 12 und einem Ablasshahn 13 vorgesehen werden, damit diese unerwünschten Partikel aus der Lösung ausgeschieden werden können.
Man kann in den Trichtern 11 auch Heizelemente 14 vorsehen, die beispielsweise aus elektrischen Widerständen bestehen können, welche in der Lösung eine örtlich begrenzte Temperaturerhöhung und damit eine Wiederauflösung der abgelagerten Kristalle bewirken. Auf diese Weise kann eine Verminderung des Gehaltes der Lösung vermieden werden, wodurch sich in einem gegebenen Lösungsvolumen und unter gegebenen Temperaturverhältnissen grössere Kristalle erzielen lassen.
PATENTAXSPRUCII 1:
Verfahren zur Herstellung von künstlichen Kristallen, insbesondere von piezoelektrischen Kristallen, durch Kristallisation in einer übersättigten Lösung, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung vor der Bildung der künstlichen Kristalle, zwecks Abscheidung von als unerwünschte Kristallisationszentren wirkenden Verunreinigungen, mechanischen Schwingungen von solcher Frequenz ausgesetzt wird, dass sich augenblicklich Kristallkerne bilden.
Process for making artificial crystals.
The present invention relates to a method for producing artificial crystals, such as piezoelectric crystals, in a supersaturated solution.
When a crystal is exposed in a supersaturated solution, great difficulties are encountered due to the presence of dust and floating parts in the solution. Particles of this dust are crystallization centers on which the microscopic crystals accumulate. For the most part, they quickly fall to the bottom of the vessel and reduce the content of the solution to such an extent that the large crystals which one wishes to obtain are seldom actually preserved. (5Certain microcrystalline particles that float in the solution attach themselves to the surfaces of large crystals in places that do not correspond to the general arrangement of ions in the crystal structure.
This creates local defects, which can lead to inclusions of oversaturated solution in the crystal.
It is known to avoid the importance of these factors by various methods such as filtration, centrifugation, etc. These processes reduce the number of harmful, parasitic particles without eliminating them completely.
The present invention aims at a method in which the supersaturated solution used for the production of artificial crystals is made free from impurities by special measures, whereby the crystals obtained are also free from such.
According to the method according to the invention, before the formation of the artificial crystals, the supersaturated solution is subjected to mechanical vibrations of such a frequency that crystal nuclei are formed instantaneously in order to separate out impurities acting as undesired crystallization centers.
For example, ultrasonic vibrations can advantageously be used for this purpose.
The solution is preferably mixed or kept in motion during the application of these ultrasonic vibrations so that all parts of the solution are exposed to the ultrasonic beam.
The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment and with reference to the drawing.
In the drawing shows:
1 shows a vertical section through an apparatus suitable for carrying out the method according to the invention, and FIG. 2 shows a section along the line A-B of FIG. 1 in a schematic representation.
In the container 1, which is preferably transparent and which is kept at a constant temperature by an adjustable heating system (not shown), a saturated solution of a salt is prepared at a given temperature. To simplify the description, the assumption is made that piezoelectric crystals are to be obtained from monoammonium phosphate, whereby it should be mentioned that the method described can of course also be applied to other crystals at the appropriate temperature and concentration. 69.5 kg of monoammonium phosphate are dissolved in 100 liters of water, which is heated, for example, to a temperature of 500 ° C., whereby a saturated solution at 500 ° C. is obtained.
The mixture is stirred, for example with the aid of the propeller 2, in order to obtain a homogeneous temperature throughout the solution.
The temperature of the solution is now brought to 450 ° C., whereupon this solution is subjected to mechanical vibrations, preferably with the aid of a beam of ultrasound waves generated by the generator 3.
This beam has the property of causing a sudden formation of microscopic crystals, which preferentially form on floating particles. In this way, these particles are quickly enclosed in small crystals, become heavy and fall to the bottom of the container. As a result of the operation of the propeller 2, the whole solution is passed through the ultrasound beam.
For example, when the density of the solution equals that of a saturated solution at 450 ° C., the generation of the ultrasonic waves is interrupted and the crystals are allowed to settle on the bottom of the container. The bottom 4 of the container is preferably conical and has a tube 5 and a drain cock 6. Before the solution is exposed to the action of the ultrasound beam, a layer 7 of a neutral liquid, such as vaseline oil, is poured onto its surface, which prevents dust particles from entering the solution.
The crystals collected on the bottom of the container: 1 are drained by means of the tap 6. A beam of light that is passed through the solution is then used to determine whether it is optically transparent.
After all the crystals and their germs that have combined with the dust particles floating in the solution have been removed, the solution is heated by several degrees (e.g. 2 to 100 ° C) to remove those remaining in the container or in the solution To dissolve nuclei again. The solution is then allowed to cool to, for example, 400 ° C., which again results in a supersaturated solution which, however, is free from impurities. Then one or more crystals 8, which one wishes to enlarge, are immersed in the solution, for example with the aid of the carrying devices 9. The solution is constantly stirred by the propeller 2 until the crystals have grown to the desired size.
Other crystal particles can also accidentally form in the solution, and these can accumulate on the crystal that is being formed. In order to separate out these undesired cores, for example vertically extending plates 10 can be arranged along the vertical wall of the container 1. As a result of the agitation of the solution caused by propeller 2, the above-mentioned cores come into contact with the plates, where they are stopped and lower to the bottom of the container. At the lower end of these plates, small funnels 11 with an outflow pipe 12 and a drain cock 13 can be provided so that these undesirable particles can be eliminated from the solution.
One can also provide heating elements 14 in the funnels 11, which can for example consist of electrical resistors which cause a locally limited temperature increase in the solution and thus a redissolution of the deposited crystals. In this way, a reduction in the content of the solution can be avoided, as a result of which larger crystals can be obtained in a given volume of solution and under given temperature conditions.
PATENTAXSPRUCII 1:
Process for the production of artificial crystals, in particular of piezoelectric crystals, by crystallization in a supersaturated solution, characterized in that the solution is exposed to mechanical vibrations of such a frequency before the formation of the artificial crystals for the purpose of separating out impurities acting as undesired crystallization centers crystal nuclei form instantly.