DE1467263C - Verfahren zur Herstellung eines optischen Materials aus polykristallinem Calciumfluorid sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

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Es ist bekannt, daß Calciumfluoridkristalle, die wie Formblock sowie einem dem Formzylinder angepaßviele Kristalle anorganischer Salze eine geringe Durch- ten, durch den Oberteil der Kammer geführten, hylässigkeit für den Infrarotbereich des elektromagne- draulisch betätigbaren Preßstempel besteht,
tischen Spektrums besitzen, außerordentlich leicht Das nach dem Verfahren der Erfindung herstellbare brech- und spaltbar sind, was sich insbesondere dann 5 optische Material, im weiteren auch als Element benachteilig auswirkt, wenn die Kristalle bearbeitet zeichnet, eignet sich z. B. ausgezeichnet als Infrarotwerden. Es ist auch bekannt, zur Herstellung optischer fenster in Geschossen, Projektilen.
Elemente Calciumfluorid im Vakuum auf Glas auf- In der Zeichnung ist dargestellt in
zudampfen und polykristallines Calciumfluorid zur F i g. 1 ein transparentes, nach dem Verfahren der Herstellung nicht transparenter, schwer schmelzbarer io Erfindung hergestelltes optisches Element aus polyGegenstände zu verwenden. Schließlich ist es auch kristallinem Calciumfluorid,

bekannt, durch Verpressen von Calciumfluoridpulver F i g. 2 eine Vorrichtung zur Durchführung des in der Kälte Preßlinge herzustellen und diese an- Verfahrens nach der Erfindung im Schnitt,
schließend zu erhitzen. Die nach diesem Verfahren F i g. 3 eine weitere Ausführungsform einer Vorhergestellten Elemente haben jedoch auf Grund ihrer 15 richtung nach der Erfindung im Schnitt,
Empfindlichkeit keinerlei praktische Bedeutung er- F i g. 4 ein spezieller Formteil einer Vorrichtung langen können. gemäß F i g. 3 im Schnitt,

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis F i g. 5 die prozentuale Durchlässigkeit von polyzugrunde, daß sich durch Heißverpressen von Calcium- kristallinem Calciumfluorid für gerichtetes Licht in fluorid im Vakuum optische Materialien herstellen 20 Abhängigkeit von der Wellenlänge,
lassen, welche für den sichtbaren und Infrarotbereich F i g. 6 die prozentuale Durchlässigkeit von polysowie den Mikrowellenbereich des elektromagnetischen kristallinem Calciumfluorid für gerichtetes Licht einer Spektrums gut durchlässig sind und außerdem eine Wellenlänge von 3 Mikron als Funktion der Zeit bei ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Hitzeschock verschiedenen Temperaturen und
und extremen Temperaturen besitzen. 35 F i g. 7 die Abhängigkeit des sogenannten Pg-F-Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren Wertes in Abhängigkeit von der sogenannten K-Numzur Herstellung eines optischen, Licht der sichtbaren mer für verschiedene optische Stoffe, einschließlich und Infrarotbereiche sowie des Mikrowellenbereiches heißgepreßtem Calciumfluorid. (Der Pg-F-Wert sowie des elektromagnetischen Spektrums durchlassenden die K-Nummer werden später näher erklärt.)
Materials aus polykristallinem Calciumfluorid einer 30 Die in F i g. 2 gezeigte Formvorrichtung besteht im Dichte von mindestens 99% der theoretischen Dichte wesentlichen aus der Basisplatte 1, den durch den durch Verpressen von pulverförmigem CaF₂, welches thermischen Isolator 2 getrennten Blöcken 3 und 4, dadurch gekennzeichnet ist, daß man das Calcium- dem Formzylinder 5, dem Formblock 6 und dem fluorid unter Vakuum oder in einer inerten Atmo- Formkolben 7 mit einem Oberteil 8, das mit einer Sphäre bei Drücken von etwa 1000 bis 2850 kg/cm² 35 nicht dargestellten Antriebsvorrichtung im Eingriff und Temperaturen von 750 bis 95O⁰C heißver- steht, beispielsweise mit dem Kolben einer hydraupreßt. lischen Presse, die den Kolben 7 vertikal in den Form-Die Tatsache, daß sich Calciumfluorid in der ange- zylinder 5 zu drücken und ihn wieder herauszuziehen gebenen Weise zu polykristallinen Materialien der vermag. Das Oberteil 8 ist durch Federbälge 9 mit beschriebenen Eigenschaften, insbesondere einer aus- 40 dem Ausrichtring 10 verbunden, und zwar derart, daß gezeichneten Hitzeschockbeständigkeit, verpressen sich der Kolben bewegen kann und ein Vakuumlassen würde, war im Hinblick auf die bekannten Verschluß rund um den oberen Teil des Kolbens 7 Eigenschaften von Calciumfluoridkristallen nicht vor- aufrechterhalten wird.

aussehbar. Das Verfahren der Erfindung wurde auch Formzylinder 5 und Kolben 7 werden von einem durch die im Journal of the Optical Society of America, 45 Zylinder 11 umschlossen, der auf dem Block 12 ruht. Bd. 49 (1959), S. 497, TA 15 und TA 18, veröffent- Rund um den Zylinder 11 ist die Heizung 13 angelichten Versuchsergebnisse nicht nahegelegt, denen ordnet, die aus einem hitzebeständigen Gehäusebezufolge es bekannt war, daß sich Magnesiumfluorid steht, das ebenfalls auf dem Block 5 ruht und elekzu Preßlingen, die bei 800⁰C ein sehr geringes Emis- trische Heizwicklungen 14 mit Anschlüssen 15 aufsionsvermögen bei 3 bis 6 μ haben, und auch andere, 50 weist. Ein gegenüber dem Zylinder 11 konzentrisch im einzelnen nicht näher definierte Fluoride heiß- angeordneter Zylinder 16 bildet eine Vakuumkammer verpressen lassen, zumal keinerlei Daten über ange- 17, die durch Dichtungen 18 und 19 gegenüber den wandte Preßtemperaturen und Preßdrücke mitgeteilt Platten 1 und 20 abgedichtet ist. Um den Zylinder 16 wurden. und auf der oberen Platte 20 verlaufen Kühlrohre 21. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungs- 55 Die Vakuumkammer 17 ist ferner über eine Leitung 22 form der Erfindung wird das Calciumfluorid in einer mit einer nicht dargestellten, ein Vakuum erzeugenden ersten Stufe bei normalen Temperaturen und einem Anlage verbunden; Die obere Gehäuseplatte 20 und Druck von etwa 1400 bis etwa 2200 kg/cm² zu einem die Basisplatte 1 sind außerdem durch mit Gewinden Formling verpreßt, worauf dieser in einer zweiten versehene Stäbe 23 miteinander verschraubt.
Stufe im Vakuum bei Drücken von etwa 1000 bis 60 Die Temperaturen werden entweder durch beide 2850 kg/cm^a und Temperaturen von etwa 750 bis etwa oder nur eines der Thermoelemente 24 und 25 ge-950"C weiterverpreßt wird. . messen, die in zur Formzone führenden Bohrungen

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrich- angeordnet sind.

tung zur Durchführung des Verfahrens, die im wesent- Die Blöcke 3, 4 und der Zylinder 5 können aus

liehen aus,einer kühl-und evakuierbaren Kammer mit 65 Molybdän oder Molybdänlegierungen bestehen oder

einem auf einem Block 4 angeordneten, von einem auch aus anderen Stoffen, die die Belastung höherer

Zylinder und Heizelementen umgebenen, oben offenen Temperaturen ertragen. Der Block 6 kann aus Molyb-

Formzylinder mit einem dem Formzylinder angepaßten dän, Molybdänlegierungen, Graphit, Aluminiumoxyd

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hoher Dichte, rostfreiem Stahl und hochstabilen Blöcke 28 und 29 verläuft der zylindrische Mantel 35,

Nickellegierungen bestehen. durch welchen die Vakuumleitung 36, eine Vakuum-

In der in F i g. 2 dargestellten Vorrichtung kann auslaßleitung 37 und eine Leitung 38 für ein Thermo-

das Verfahren der Erfindung beispielsweise wie folgt element 39 ragen. Über die Wasserleitungen 40 sind

durchgeführt werden: 5 die durch den Mantel 35 gebildete Kammer und die

Das Calciumfluoridpulver 26 wird in den Form- Kühlkanäle 41 mit einer nicht gezeigten Wasserquelle zylinder 5 und auf den Block 6 unter den Kolben 7 verbunden. Auf den Mantel 35 ist ein Quarzzylinder 42 gebracht. Das Pulver wird zunächst kalt verpreßt. aufgesetzt, der gegenüber den Bauteilen 43 und 35 Mittels des Kolbens 7 wird auf das Pulver während durch Dichtungen 44 abgedichtet ist. Die Zylinder 42 einiger Minuten beispielsweise ein Druck von etwa io und der Mantel 35 bilden somit eine Vakuumkammer 1400 bis 2100 kg/cm² ausgeübt, wodurch ein korn- 45, deren oberer Teil durch die Platte 43 abgeschlossen paktes festes Element erhalten wird. Der Kolben wird ist, welche Wasserkühlkanäle 41 aufweist,
dann herausgezogen. Alles überschüssige oder lose Die Kanäle 41 weisen an ihrer oberen Seite eine Pulver wird entfernt. Das Kaltverpressen bezweckt Dichtungsscheibe 46 auf, die durch die Spannplatte 47 die Herstellung einer flachen oder ebenen Charge und 15 in ihrer Lage gehalten wird. Die Vorrichtung wird soll außerdem das Aufheizen erleichtern, da Wärme durch eine Vielzahl von mit Flügelmuttern zusammenleichter durch eine kompakte Masse als durch ein wirkenden Spannstäben 48 zusammengehalten,
unverpreßtes Pulver dringt. Durch eine öffnung in der Platte 43 erstreckt sich

Das beschriebene Kaltverpressen ist jedoch nicht der Formkolben 49. Bewegungsfreiheit des Kolbens

unbedingt erforderlich, d. h., es kann auch nur heiß- ao und ein vakuumdichter Verschluß werden durch

verpreßt werden, wie es im folgenden beschrieben wird. Metallbälge 50 erreicht, wobei die Enden der Bälge

Die Formvorrichtung wird wieder in den in F i g. 2 bezüglich des Kopfes 51 des Kolbens 49 und der

gezeigten Zustand gebracht und über die Leitung 22 Platte 43 abgedichtet sind.

an eine nicht dargestellte Vakuumpumpe angeschlossen. Der Formkolben 49 besteht aus drei Abschnitten. Die Kammern wird dann auf einen Druck von 25 Der Abschnitt 52 besteht vorzugsweise aus einer 0,4 mm bis IO-⁵ Quecksilbersäule evakuiert. In den Nickel-Chrom-Legierung oder rostfreiem Stahl. Der Kühlrohren 21 wird Kühlwasser zirkulieren gelassen. Abschnitt 53 besteht vorzugsweise aus einer Nickel-Die Heizspulen 14 werden über die Anschlüsse 15 mit Chrom-Legierung und der Abschnitt 54 aus Molybdän elektrischem Strom beschickt. Die Temperatur der oder einer Molybdänlegierung. Zwischen den Ab-Formmasse wird durch Platin-Rhodium-Thermo- 30 schnitten 52 und 53 sowie 53 und 54 sind Wärmeelemente 24 und 25 beobachtet. Ist eine Temperatur isolatoren 55 angeordnet. Die verschiedenen Kolbenvpn z. B. etwa 820°C erreicht, was durch das Thermo- abschnitte werden durch Gewindestifte zusammenelement25 angezeigt wird, so wird auf den Kopf 8 gehalten. Das Calciumchloridpulver ist mit 56 bedes Kolbens 7 mittels einer nicht dargestellten hydrau- zeichnet.

lischen Presse innerhalb eines Zeitraumes von etwa 35 Die oberen Platten 43 und 47 sowie die Basisplatte 27

1 Minute ein Druck von ungefähr 2812 kg/cm² aus- können aus Aluminium bestehen. Der Zylinderblock

geübt. ■ 32, der Block 30 und der Kolbenabschnitt 54 bestehen

Dieser Druck von etwa 2812 kg/cm² wird etwa 15 vorzugsweise aus Molybdän oder Molybdänlegierun-

bis 20 Minuten lang aufrechterhalten, wobei die an- gen, der Block 28 aus einer Nickel-Chrom-Legierung

gezeigte Temperatur etwa 82O°C beträgt. 40 und der Block 29 aus rostfreiem Stahl. Die Isolatoren

Bei der Temperaturmessung mit Thermoelementen 31 und 55 bestehen aus Preßplatten aus Asbest und

können die angezeigten Temperaturen von Vorrich- Portlandzement oder einem Material ähnlicher oder

.tung zu Vorrichtung um etwa ±10% variieren. überlegener thermischer Isolationseigenschaften, wel-

Während der Aufheizperiode wird die Vorrichtung ches den hohen Temperaturen und den angewandten

entgast, und das Vakuum fällt auf ungefähr 0,5 mm. 45 Drücken widersteht.

Allmählich steigt das Vakuum jedoch wieder auf Der Graphitmantel 33 ist deshalb vorgesehen, weil ungefähr 0,2 mm an, wenn die absorbierten Gase ab- Molybdän das Hochfrequenzfeld nicht wirksam vergesaugt sind. bindet. Das Hochfrequenzfeld erhitzt somit den

Nach Beendigung des Preßvorganges, nach dem der Graphitmantel, welcher wiederum den Formzylinder

Druck innerhalb von wenigen Sekunden bis mehreren 50 durch thermische Leitung aufheizt.

Minuten aufgehoben wird, wird der elektrische Strom Soll der Graphitmantel 33 weggelassen werden, so

ausgeschaltet und die Vorrichtung auf Raumtempe- ist es zweckmäßig, den Abschnitt 54, den Formzylinder

ratur, d. h. etwa 21 bis 22⁰C abkühlen gelassen. 32 und den Block 30 aus einem Material herzustellen,

Das erhaltene Calciumfluoridelement kann dann aus welches mit dem Hochfrequenzfeld eine schlüssige

der Formvorrichtung entnommen werden. Es besteht 55 Verbindung herstellt. Dazu können z. B. hochtempe-

aus einer transparenten, festen polykristallinen Masse raturbeständige Nickellegierungen verwendet werden,

mit einer Dichte von etwa 99% bis aufwärts zur Die Vorrichtung gemäß F i g. 3 wird praktisch in

theoretischen Dichte. gleicher Weise, d. h. bei gleichen Temperaturen,

Die in F i g. 3 im Schnitt gezeigte Vorrichtung be- Drücken und Unterdrücken, wie bereits beschrieben, sitzt eine Hochfrequenzheizung. Die Vorrichtung be- 60 betrieben, wobei jedoch auf Grund der Hochfrequenzsteht wiederum aus einer Basisplatte 27, auf der die heizung der Heizzyklus beträchtlich verkürzt werden Trägerblöcke 28 und 29 sowie der Formblock 30 kann.

ruhen. Letzterer ist von den Trägerblöcken 28 und 29 Die Anwendung von Temperaturen unterhalb etwa durch eine Isolierschicht 31 getrennt. Auf dem Form- 76O°C bei den angegebenen übrigen Bedingungen kann block 30 ruhen der Formzylinder 32 und der Form- 65 die Durchlässigkeit des Calciumfluorides für Licht einsatz 33. Der Formzylinder 32 und der Formblock 30 kurzer Wellen nachteilig beeinflussen. Bei Verlängeweisen einen Graphitmantel 33 auf. Die Induktions- rung der Preßdauer und/oder bei Erhöhung des Preßheizspulen sind mit 34 bezeichnet. Rund um die druckes können jedoch Elemente ausgezeichneter

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Eigenschaften auch bei Temperaturen unterhalb etwa sind als die des Formzylinders, um ein leichtes Ein-

760⁰C erhalten werden. Temperaturen über etwa setzen zu ermöglichen. Wenn die Formmasse auf Preß-

825°C tragen anscheinend nicht zur Qualität des ge- temperatur erhitzt ist und Druck angewandt wird,

preßten Elementes bei. bewirken die auf die Einsätze durch den Kolben aus-

Driicke von weniger als etwa 2109 kg/cm² können 5 geübten vertikalen Kräfte, daß sich ihre Durchmesser

bei normalen Druckzeiten und Temperaturen, wie geringfügig vergrößern, bis sie mit dem inneren Durch-

oben beschrieben, zu Elementen führen, die nicht aus messer des Formzylinders übereinstimmen,

einer vollständig homogen verpreßten Masse bestehen. Die zweite Möglichkeit besteht darin, ein Material

Jeder Druck über etwa 2812 kg/cm² trägt nicht we- zur Herstellung der Einsätze zu verwenden, das einen

sentlich zur Verbesserung der Qualität der Elemente bei. io größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als

Bei Preßzeiten von weniger als 5 Minuten zeigte es der Formzylinder. Da sich der Durchmesser der Einsich, daß die Elemente nicht vollständig ausgepreßt sätze schneller vergrößert als der Hohlraum des Formwaren. Zeiten von mehr als etwa 15 Minuten ver- Zylinders, können sie einen solchen Durchmesser bebessern die Qualität der Elemente anscheinend nicht. sitzen, der bei Raumtemperatur ein leichtes Einsetzen Jedoch läßt sich durch längeres Verpressen bei Preß- 15 ermöglicht, jedoch derart ist, daß der Raum zwischen temperatur das Preßverfahren auch bei niedrigeren den Einsätzen und der Zylinderwand bei der Heiß-Temperaturen und niedrigeren Drücken durchführen. verpreßtemperatur völlig ausgefüllt ist.

Das Abbrechen von Kanten und Ecken sowie die In beiden Fällen wird erfindungsgemäß die Beweg-

Spaltung der gepreßten Calciumfiuoridelemente wäh- barkeit des oberen Einsatzes 57 dadurch gewährleistet,

rend des Preßverfahrens stellen ein besonders schwie- 20 daß die Innenwände des Formzylinders mit Graphit

riges Problem dar. Vermutlich werden diese Nachteile bestrichen werden. Manche Einsatzmaterialien haben

durch eine dünne Calciumfluoridschicht. herbeigeführt, die Eigenschaft, daß das Calciumfiuorid oder die an-

welche sich beim Heißverpressen bildet, und zwar bei grenzenden Formteile an ihnen anhaften. Diese

Verwendung der Vorrichtung der F i g. 3 in dem Schwierigkeit kann dadurch vermieden werden, daß

-,,,kleinen Raum zwischen dem Abschnitt 54 und der 25 der gesamte Einsatz mit einer Graphitschicht bedeckt

inneren Wandung des Formzylinders 32 und ent- wird. Geeignete Einsätze können aus festem Graphit,

sprechend zwischen dem Formeinsatz 33 und der Aluminiumoxyd hoher Dichte, rostfreiem Stahl oder

inneren Wandung des Formzylinders 32. hochfesten Nickel-Chrom-Legierungen bestehen.

Der in F i g. 4 dargestellte spezielle Formteil der Optische Elemente vorteilhafter Eigenschaften lassen Vorrichtung gemäß F i g. 3 ist insbesondere dazu ge- 30 sich aus Calciumfluoridkristallen mit einer mittleren eignet, das Ecken- und Kantenabbrechen sowie die Teilchengröße von weniger als 10 Mikron bis mehreren Spaltung der gepreßten Calciumfluoridelemente zu Millimetern herstellen. Elemente günstiger Eigenverhindern, schäften lassen sich ferner aus Calciumfluoridpulvern

Es hat sich gezeigt, daß, wenn der Abschnitt 54 herstellen, die einen analytischen Reinheitsgrad be- und der Formeinsatz 33 der in F i g. 3 gezeigten Vor- 35 sitzen. Ferner hat sich gezeigt, daß sich auch normale, richtung aus einem Material mit einem niedereren im Handel erhältliche Calciumfluoride nach einer ge-Ausdehnungskoeffizienten als dem Ausdehnungskoef- eigneten Vorbehandlung verwenden lassen. Auch fizienten des Calciumfluorides bestehen, die Abkühlung können natürlich vorkommende kristalline Calciumvon der Heißverpreßtemperatur bewirkt, daß eine fluoride mit natürlichen Verunreinigungen verwendet Schicht des Calciumfluorides von dem gepreßten 40 werden, nachdem sie pulverisiert und z. B. durch Element abbricht und rund um die Peripherie des Waschen mit Säuren gereinigt wurden. Die optimalen Elementes Stückchen und Splitter hinterläßt. Diese Preßbedingungen können sich selbstverständlich bei Stückchen und Splitter können dann die Ursache für Verwendung verschiedener Ausgangsstoffe etwas verSpaltungen des gepreßten Elementes sein. ändern.

Überraschenderweise wurde nun jedoch gefunden, 45 Plankonvexe Preßkörper oder Elemente können

daß bei Verwendung von zwei Formeinsätzen 57 und durch Heißverpressen von Calciumfluoridpulver in

58 gemäß F i g. 4 die beschriebenen Nachteile und einer konkaven Form mit einem flachen Preßstempel

Schwierigkeiten überwunden werden können. Die hergestellt werden. Das erhaltene Calciumfluorid-

beiden Formeinsätze 57 und 58 bewirken eine voll- element ist fest und besitzt sämtliche der beschriebenen

ständigere Begrenzung des Calciumfluorides auf das 5° Eigenschaften. Es kann z. B. zu einer Linse, einem

Volumen zwischen diesen beiden Einsätzen. Dies wird Dom oder ähnlichen optischen Körpern geschliffen

dadurch erreicht, daß die Einsätze aus solchem Ma- und poliert werden. In entsprechender Weise kann ein

terial mit solchen Dimensionen gefertigt werden, daß Konkav-Konkav-Preßkörper hergestellt werden, der

unter den beim Heißverpressen bestehenden Bedin- ebenfalls als Dom in einem Geschoß oder in anderen

gungcn die Einsätze völlig den innenseitigen Durch- 55 Körpern, die im Weltraum Verwendung finden sollen,

messer des Formzylinders 32 ausfüllen. Unter diesen geeignet ist. Bei Verwendung von Formen mit polierten,

Bedingungen wird der Calciumfluoridfluß zwischen die nicht sphärischen Oberflächen können in entsprechen-

Einsätze und den Formzylinder auf ein Minimum ver- der Weise nicht sphärische, optische Elemente in öko-

mindert. und die Gefahr von Kantenbrüchen und nomischer Weise hergestellt werden.

Sprüngen wird erheblich verringert. 60 Durch Heißverpressen hergestellte Elemente aus

Um die Bedingungen der Null-Toleranz zwischen Calciumfiuorid können weiterhin verformt oder profi-

dcn Durchmessern der Einsätze und dem inneren liert werden. Dabei kann beispielsweise wie folgt ver-

Durchniesser des Fonnzylinders zu erreichen, können fahren werden:

zwei verschiedene Wege eingeschlagen werden. Der Eine polierte Scheibe mit einem Durchmesser von

eine Weg besteht darin, die Einsätze aus einem Ma- 65 2,844 ± 0,001 cm und einer Dicke von 0,762 cm wird

terial herzustellen, das sich unter den Bedingungen des auf dem Boden des Zylinders einer Formvorrichtung,

Heißverpressens schwach verformt. Die Einsätze die einen Durchmesser von 5,08 cm besitzt, zentriert,

werden mil Durchmessern hergestellt, die wenig kleiner Unter die Scheibe sowie auf die Scheibe werden jeweils

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eine Molybdänfolie einer Stärke von 0,0127 bis bar. Die optimale Vergütung ändert sich selbstver-0,0254 cm, die mit Graphit beschichtet sind, als Ent- ständlich auch mit der Größe und Form des Elementes, spannuhgskissen gelegt. Unter einem Druck von an- Um eine geringe Oberflächenoxydation zu vermeiden, nähernd 1,05 kg/cm² wird die Scheibe dann 10 bis ist es oftmals zweckmäßig, das Vergüten in einer 15 Minuten lang auf eine angezeigte Temperatur von s inerten Atmosphäre oder im Vakuum durchzuführen, etwa 900°C erhitzt. Danach wird sehr sorgfältig und Bei dem in F i g. 6 dargestellten Diagramm, aus dem langsam Druck angewandt, und zwar unter Verwen- sich die prozentuale Durchlässigkeit von polykristaldung von Nadelventilen, bis eine vorberechnete Di- linem Calciumfluorid für gerichtetes Licht bei 3 Mimensionsänderung angezeigt wird. Im Falle dieses krön als Funktion der Zeit bei verschiedenen Tempe-Beispieles wurde sie erreicht, als der Druck auf die i₀ raturen ergibt, ist die Zeitachse derart gewählt worden, Scheibe annähernd 351,5 kg/cm² entsprach. Die Be- daß sämtliche Proben die Temperatur beim Null-Punkt dingungen werden etwa 15 bis 20 Minuten lang ein- erreichen. X ist die Durchlässigkeit bei Raumtempegehalten. Dann wird die Scheibe langsam auf etwa ratur. Die Stärke des Prüflings betrug 1 mm. 725°C abkühlen gelassen, worauf der Druck auf- Aus F i g. 7 ergibt sich folgendes: gehoben wird. Nun wird eine Argonatmosphäre er- i₅ In optischen Systemen ist die ausgesprochen geringe zeugt, worauf die Apparatur auf ungefähr 205⁰C Streuung von polykristallinem Calciumfluorid besonabgekühlt wird. Das auf diese Weise erhaltene Element ders vorteilhaft. Eine andere interessante Eigenschaft besitzt einen Durchmesser von ungefähr 3,179 cm und von nach dem Verfahren der Erfindung herstellbaren eine Stärke von ungefähr 0,571 cm. Der Durchmesser Calciumfluoridelementen ist die Beziehung zwischen des Elementes hatte sich somit um 0,335 cm verändert. ₂o dem sogenannten Pg-F-Wert und der sogenannten Das erhaltene Element wies ein normales Warmpreß- F-Zahl. Der Pg-F-Wert ist dabei definiert durch: Spannungsdessin auf, das durch Anlassen beseitigt

werden konnte. Nach dem Verfahren der Erfindung p„.p = JLl~_"^f

hergestellte dicke, zylindrische Elemente von gerin- hf — Nc

gerem Durchmesser können somit in dünnere Elemente 25

eines größeren Durchmessers verformt werden. ^{v lst ferner} definiert durch:

Die nach dem Verfahren der Erfindung herstellbaren Nd — 1 ■

Calciumfluoridelemente lassen sich leicht glattpolieren. ^ ⁼ __

Die Elemente sind praktisch wasserweiß. . "^F "^c

Aus F i g. 5 ergibt sich, daß die Elemente im ganzen 30 Ferner ist n_a der Refraktionsindex bei einer Wellen-Wellenlängenbereich des Spektrums von 0,25 bis länge von 4359 A und n_F der Refraktionsindex bei 10 Mikron durchlässig sind. Für die Messungen wurde einer Wellenlänge von 4861 A, n_c der Refraktionsein Element einer Dicke von 0,56 cm verwendet. Es index bei einer Wellenlänge von 6563 A und n_D der erfolgt keine Korrektur für Reflexionsverluste. Refraktionsindex bei einer Wellenlänge von 5893 A.

Interferometrtsche Untersuchungen zeigten, daß die 35 In dem Diagramm der F i g. 7 sind für verschiedene

Elemente optisch homogen sind. Messungen der Re- Stoffe die Pg-F-Werte gegen die K-Zahlen aufgetragen,

fraktionsindizes zeigten eine sehr gute Übereinstim- Für die meisten Stoffe liegen die Werte sehr dicht oder

mung der erhaltenen Werte von nach dem Verfahren auf der gezeigten Geraden. Die Hersteller von Linsen

der Erfindung hergestellten Elementen mit for einzelne sind sehr an optischen Materialien interessiert, welche

Calciumfluoridkristalle publizierten Werten. Auf Grund 40 von der Geraden abweichen und doch den gleichen

der stark verbesserten mechanischen Schleif- und Pg-F-Wert besitzen wie bereits zur Verfügung ste-

Polierstabilität ist die mechanische Festigkeit von nach hende optische Gläser. Aus F i g. 7 ist ersichtlich, daß

dem Verfahren der Erfindung herstellbaren Calcium- heißverpreßtes polykristallines Calciumfluorid nahezu

fluoridelementen wesentlich größer als die der einzelnen den gleichen Pg-F-Wert besitzt wie handelsübliche

Calciumfluoridkristalle. 45 Gläser A, B, C, D, E, F, G, H und /, außerdem aber

Nach Entfernung aus der Form stehen die erzeugten einen viel höheren V-Wert besitzt.

Elemente unter beträchtlicher Spannung, wie sie durch Nach dem Verfahren der Erfindung herstellbare

Untersuchungen mit einem üblichen Polariskop ergibt. Calciumfluoridelemente besitzen eine ausgezeichnete

Diese Spannungen können durch Vergütung in einem Stabilität gegenüber hohen Temperaturen und eine

Ofen beseitigt werden. Es ist ebenfalls möglich, diese 5° ausgezeichnete Oxydationswiderstandsfähigkeit. So

Spannungen durch Modifizierung der Abkühlstufe konnten Elemente auf Temperaturen bis zu etwa

nach dem Heißverpressen zu beseitigen, indem in der 870⁰C in Luft längere Zeit aufbewahrt werden, ohne

Vorrichtung eine Ofenvergütung durchgeführt wird. daß ein nennenswerter Verlust der Infrarotdurch-

Die Vergütung kann bespielsweise wie folgt durch- lässigkeit festgestellt werden konnte,

geführt werden: 55 Polykristalline Calciumfluoridelemente sind in Was-

Ein durch Heißverpressen hergestelltes Element mit ser völlig unlöslich, weshalb sie Feuchtigkeitstesten

einer Stärke von 0,762 cm und einem Durchmesser ausgezeichnet widerstehen. Das in thermischer Hin-

von 2,86 cm wird in einen Ofen gebracht, der auf sieht bisher resistenteste Element überstand einen

820⁰C erhitzt ist. Die Probe wird ungefähr 20 Minuten Hitzeschock, der darin bestand, das Element auf

lang bei 82O°C aufbewahrt und danach mit einer Ge- 60 200⁰C zu erhitzen und dann in Wasser von 25°C

schwindigkeit von etwa 70⁰C pro Stunde abgekühlt. abzuschrecken.

Auf diese Weise vergütete Elemente zeigen unter einem Die Dichtemessungen erfolgten nach der hydro-

normalen Polariskop keinerlei erkennbare Spannungen statischen Gewichtsmethode, wie sie z. B. auf S. 104

mehr. Das Vergütungsverfahren kann je nach dem in Kapitel 111 des Buches von A. Weissberger,

Grad der erwünschten Vergütung variiert werden. Wird 65 »Physical Methods of Organic Chemistry«, Bd. 1,

beispielsweise die Abkühlgeschwindigkeit auf etwa Interscience Publishers, Inc., N. Y. (1945), beschrie-

220⁰C pro Stunde erhöht, so sind die Spannungen nach ben ist. Diese Methode hat sich als besonders geeignet

der Vergütung unter dem Polariskop schwach erkenn- erwiesen, um Dichtemessungen größter Genauigkeit

an Feststoffen durchzuführen. Die Methode ist ebenfalls beschrieben in dem Abschnitt 4.1.3.3 des Bandes 6, Teil A der »Methods of Experimental Physics«, Academic Press, New York (1959).

Abweichungen von der theoretischen Dichte sind ein-Anzeichen dafür, daß sogenannte zweite Phaseneinschlüsse in dem Preßling vorhanden sind, wie Verunreinigungen oder poröse Stellen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines optischen, Licht der sichtbaren und Infrarotbereiche sowie des Mikrowellenbereiches des elektromagnetischen Spektrums durchlassenden Materials aus polykristallinem Calciumfluorid einer Dichte von mindestens 99 % der theoretischen Dichte durch Verprassen von pulverförmigem CaF₂, dadurch gekennzeichnet, daß man das Calciumfluorid unter Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre bei Drücken/von etwa 1000 bis 2850 kg/cm² und Temperaturen von 7.50 bis 950⁰C heiß verpreßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Calciumfluorid, in einer, ersten Stufe bei normalen -Temperaturen und· einem Druck von etwa 1400 bis,etwa 2200 kg/cm²: zu einem Formling verpreßt und diesen in einer> zweiten Stufe im Vakuum bei Drücken von' etwa 1000 bis 2850 kg/cm² und Temperaturen von etwa 750 bis etwa 950° C weiterverpreßt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 und 2, bestehend aus einer kühl- und evakuierbaren Kammer (17) mit einem auf einem Block (4) angeordneten, von einem Zylinder (H) und Heizelementen (14) umgebenen, oben offenen Formzylinder (5) mit einem dem Formzylinder (5) angepaßten Formblock (6), sowie einem dem Formzylinder (5) angepaßten, durch den Oberteil der Kammer (17) geführten, hydraulisch betätigbaren Preßstempel (7).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente aus einer Induktionsheizung bestehen. .

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen