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In dem Hauptpatent werden optische Elemente aus heißverpreßtem Magnesiumoxyd
sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben beschrieben. Zur Durchführung des
Verfahrens sind Drücke von mindestens etwa 2810 kg/cm2 sowie Temperaturen von 800
bis 860°C erforderlich. Die Preßdauer beträgt unter diesen Temperatur- und Druckbedingungen
mindestens 5 Minuten. Wird diese Preßdauer nicht eingehalten, werden oftmals nicht
ausgepreßte Elemente erhalten. Es hat sich zwar gezeigt, daß bei einer Ausdehnung
der Erhitzungs- und Preßzeiten die Preßtemperatur etwas vermindert werden kann,
doch sind die Unterschiede gering. Im übrigen besitzen die nach dem Verfahren des.
Hauptpatentes heißgepreßten optischen Elemente eine starke Absorptionsbande bei
einer Wellenlänge von 2,8 Mikron.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß man
die im Hauptpatent beschriebenen optischen Elemente weiter ' verbessern kann, wenn
man sie aus Magnesiumoxyd herstellt, das Lithiumfluorid enthält. Es wurde gefunden,
daß ein 0,5 bis 10 Gewichtsprozent Lithiumfluorid enthaltendes Magnesiumoxyd bereits
bei Drücken von etwa 668 kg/cm2 und bei Temperaturen von etwa 700°C heiß verpreßt
werden kann. Es hat sich weiterhin gezeigt, daß der Lithiumfluoridzusatz die Lichtdurchlässigkeit
der optischen Elemente verbessert. Von besonders wichtiger Bedeutung ist jedoch
die Feststellung, daß der Lithiumzusatz die Absorptionsbande bei einer Wellenlänge
von 2,8 Mikron faat vollständig eliminiert.
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Demzufolge betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines
optischen Elementes aus polykristallinem Magnesiumoxyd, das Licht der sichtbaren
und Infrarotbereiche des elektromagnetischen Spektrums durchläßt, nach dem Hauptpatent,
welches dadurch gekennzeichnet ist, daß Magnesiumoxyd mit einem Gehalt von 0,5 bis
10 Gewichtsprozent Lithiumfluorid bei einem Druck von etwa 668 bis 4010 kg/cm2 sowie
bei Temperaturen von 700 bis 850°C verpreßt wird.
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Das Verfahren der Erfindung kann in der in der im Hauptpatent beschriebenen
Formpreßvorrichtung durchgeführt werden. Dabei kann in vorteilhafter Weise im Vakuum
und/oder einer inerten Atmosphäre gearbeitet werden. Die Formpresse kann dabei Formeinsätze
verschiedenster Form besitzen, so daß Fenster und Linsen jeder gewünschten
Form erhalten werden können. Die erfindungsgemäß hergestellten optischen Elemente
besitzen eine polykristalline Struktur. Die Elemente stellen homogene, gleichförmige
Körper mit einer Dichte von mindestens 99 % der theoretischen Dichte
bis einschließlich zur theoretischen Dichte dar. Sie eignen sich wie die im Hauptpatent
beschriebenen optischen Elemente auf Grund ihrer hervorragenden Widerstandsfähigkeit
gegenüber hohen Temperaturen zur Herstellung von Fenstern in Geschossen und Projektilen,
in Satelliten.
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In der Zeichnung ist dargestellt in F i g. 1 eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens nach der f?rfindung, F i g. 1 a ein gegeniiber dem im
Hauptpatent beschriebenen Preßzylinder etwas abgewandelter Zylinder, F i g. 2 ein
Diagramm, aus dein sich das Durchlässigkeitsverhalten eines nach dem Verfahren der
Erfindung hergestellten optischen Elementes im infraroten Bereich im Vk--rgleicl:
mit einem Element aus reinem Magnesiunror;yd nach dem Hauptpatent ergibt, F i g.
3 ein Diagramm, aus dem sich das Durchlässigkeitsverhalten eines nach dem Verfahren
der Erfindung hergestellten optischen Elementes im infraroten Bereich in Abhängigkeit
vom Lithiumfluoridgehalt ergibt, F i g. 4 ein Diagramm, entsprechend dem Diagramm
der F i g. 3, jedoch mit anderen Lithiumfluoridgehalten. Das Verfahren nach der
Erfindung kann unter Verwendung der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung, die der
F i g. 2 des Hauptpatentes entspricht, beispielsweise wie folgt hergestellt werden:
Magnesiumoxydpulver wird mit 0,5 bis 10 Gewichtsprozent Lithiumfluoridpulver vermischt.
Das Mischen kann während etwa einer Stunde bei Raumtemperatur erfolgen. Das erhaltene
Pulvergemisch wird dann in den Hohlraum des Zylinders 12 unter dem Stempel
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eingeführt. Dann wird die Kammer 30 durch die Leitung 24 evakuiert.
Gleichzeitig wird Kühlwasser durch die Kühlschlangen 25 sowie durch nicht dargestellte
Platten der hydraulischen Presse zirkuliert. Dann wird den Heizspulen
11 über die Anschlüsse 27
elektrischer Strom zugeführt. Die Temperatur
der Form wird mit Hilfe von Platin-Rhodiumelementen 28
und 31 überwacht.
Ist die Preßform auf eine Temperatur von mindestens 700°C erhitzt, was durch das
Thermoelement 31 angezeigt wird, so wird auf den Kopf 8 des Stempels
17 über die nicht dargestellte hydraulische Presse Druck ausgeübt, welcher
bis auf etwa 668 kg/cm2 gesteigert wird. Dieser auf das Pulvergemisch ausgeübte
Druck wird etwa 2 Minuten lang aufrechterhalten, wobei eine Temperatur von 700 bis
850°C eingehalten wird. Am Ende der Preßperiode wird der Strom abgeschaltet und
der Druck wird langsam vermindert. Die Vakuumpumpe wird abgeschaltet, und Argon
oder ein anderes inertes Gas wird in die Kammer 30 geblasen. Die Vorrichtung
wird dann auf etwa Raumtemperatur abkühlen gelassen, was von den Thermoelementen
angezeigt wird.
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Der Stempel 17 wird nun aus dem Zylinder 12 gezogen, und das gepreßte
polykristalline, transparente Magnesiumoxyd-Lithiumfluoridelement 10
wird
abkühlen gelassen und aus der Vorrichtung entnommen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung
wird Magnesiumoxydpulver mit 1 Gewichtsprozent hochreinem Lithiumfluoridpulver 1
Stunde lang bei Raumtemperatur vermischt. Die Teilchengröße der Pulver liegt unter
1 Mikron. Die Pulvermischung wird dann in den Formzylinder gebracht und in der Kälte
bei einem Druck von 703 kg/cm2 verpreßt. Die Preßvorrichtung wird dann evakuiert
und das Pulver wird auf 850°C erhitzt. Hat das Pulver eine Temperatur von 850°C
erreicht, so wird mit einem Druck von etwa 703 kg/cm' verpreßt. Der Druck wird so
lange aufrechterhalten, bis das Pulver völlig kompakt geworden ist, was normalerweise
etwa 2 Minuten dauert. Die Druckbelastung wird dann aufgehoben, die Vakuumverbindung
wird unterbrochen, und das Innere der Formvorrichtung wird mit Argon gefüllt, während
der Preßkörper abkühlen gelassen wird. Nahe Raumtemperatur kann das Element aus
der Vorrichtung entnommen werden. Nach Schleifen und Polieren, zwecks Entfernung
der Oberflächenverunreinigungen erhält man ein nahezu wasserweißes, transparentes
Material von im wesentlichen theoretischer Dichte.
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An Stelle des in F i g. 1 dargestellten Zylinders 12
kann auch
ein Zylinder verwendet werden, der. wie aus
F i g. 1 a ersichtlich,
einen mit einem Gewinde versehenen Boden 13 besitzt. Bei Verwendung eines derartigen
Zylinders entsteht das optische Element direkt auf dem Boden. Durch eine derartige
Ausbildung des Zylinders kann die Entfernung des optischen Elementes aus der Preßvorrichtung
erleichtert werden.
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In dem in F i g. 2 dargestellten Diagramm zeigt die Kurve A die Infrarotdurchlässigkeit
eines Magnesiumoxydelementes an, das nach dem Verfahren des Hauptpatentes hergestellt
worden ist. Die Kurve B zeigt den Effekt, welcher durch Zusatz von -1 Gewichtsprozent
Lithiumfluorid zu dem zu vierpressenden Magnesiumoxydpulver erzielt wird. Aus dem
Diagramm ergibt sich, daß die gesamte Durchlässigkeit erhöht wird und daß die nicht
erwünschte Absorptionsbande bei einer Wellenlänge von 2,5 Mikron verschwindet, wie
auch die Absorptionsbande bei einer Wellenlänge von 6,57 bis 7;614likron. Das der
Kurve A zugrunde liegende Element wurde bei-850° C und einem Druck von 4010 kg/cm2
gepreßt,. während das der Kurve B zugrunde. liegende Element bei einer Temperatur
von 850°C und einem Druck von 668 kg/cm' gepreßt wurde.
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Aus F i g. 3 ergibt sich der Effekt, der durch Zusatz verschiedener
Mengen Lithiumfluorid zum -zu vierpressendem Magnesiumoxyd und Heißverpressen unter
konstanten Temperatur- und Druckbedingungen, erzielt wird. F i g. 4 entspricht F
i g. 3 mit der Ausnahme, daß die zugesetzten Lithiumfluoridmengen andere sind.
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Das zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung verwendete
Magnesiumoxyd enthält normalerweise geringe Mengen von Verunreinigungen, die die
Durchlässigkeitseigenschaften beeinflussen. Obgleich es wünschenswert ist, die Menge
der Verunreinigungen auf ein Minimum zu beschränken, können nach dem Verfahren der
Erfindung auch aus solchen Pulvern optische Elemente hervorragender Eigenschaften
hergestellt werden, die geringe Mengen von Verunreinigungen aufweisen. Bei den den
F i g. 3 und 4 zugrunde liegenden Versuchen wurde die Lithiumfluoridmenge verändert,
während die anderen Verfahrensbedingungen konstant gehalten wurden. Die einzelnen
Bedingungen der den F i g. 2 bis 4 zugrunde liegenden Versuche sind in der folgenden
Tabelle zusammengestellt.
| Stärke |
| Kurve °/o Li temperatur druck des Elementes |
| zugesetzt in mm, |
| °C in kg/cm= korrigiert |
| 1.l 0 850 4010 1,85 |
| B 1,0 850 668 1,85 |
| C 0 850 668 1,85 |
| D 0,2 850 668 1,85 |
| E 0,5 850 668 1,85 |
| F 1,0 850 668 l,85 |
| C 2,0 850 668 l,85 |
| H 5,0 850 668 l,85 |
| 1 10,0 850 668 l,85 |
Durch einen Zusatz von 1 bis 2 Gewichtsprozent Lithiumfluorid zu dem zu vierpressenden
Magnesiumoxyd werden offensichtlich maximale Durchlässigkeiten erzielt. Wie sich
aus F i g. 4 ergibt, führt eine weitere Steigerung der Lithiumfluoridmenge zu einer
Abnahme der Durchlässigkeit bei kurzen Wellenlängen, und zwar wahrscheinlich auf
Grund der zweiten Phasenzerstreuung. Ein Zusatz von weniger als 0,5°/o Lithiumfluorid
zum zu verpressenden Magnei siumoxyd führt ebenfalls noch zu einer Verminderung
der Durchlässigkeit, wahrscheinlich auf Grund der Porosität unter den angewandten
Druck- und Temperaturbedingungen.
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Bei 850°C wird eine maximale Durchlässigkeit bei einem Lithiumfluoridgehalt
von 1 "/" bei einem Preßdruck von etwa 668 kg/cml erzielt. höhere Drücke bis zu
etwa 4010 kg/cm2 führen zu keiner weiteren Verbesserung der Durchlässigkeitseigenschaften.
Bei einem Druck von etwa 340 kg/cm2 wird das Pulver nicht gleichförmig verpreßt,
obgleich transparente Zonen und Bezirke erzielt werden. Genaueste Angaben darüber,
bei welchem Druck Pressungen noch durchführbar sind, liegen nicht vor, doch wird
angenommen, daß die untere Druckgrenze etwas unterhalb 668 kg/cm2 liegt.
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Wird das Verfahren ausgehend von einem 0,50,'"
Lithiumfluorid
enthaltenden Pulver durchgeführt, dann. liegt der zur Erzielüng eines transparenten
Fensters erforderliche Druck, bei einer -Temperatur von 850°C bei etwa 2004 kg/cm=.
Bei Verwendung eines 2"/o Lithiumfluorid enthaltenden Magnesitiinoxydes kann die
Temperatur auf 700'C vermindert werden, wenn ein Druck von 3374 kg;'cm2 angewandt
wird-. Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, daß Druck und Temperatur verändert
werden können und daß gleiche Ergebnisse erhalten werden können, in Abhängigkeit
von der zugesetzten Lithiumfluoridmenge.
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Der durch Zusatz von Lithiumfluorid erzeugte Effekt scheint ganz spezifisch
zu sein. Wird beispielsweise Magnesiumoxydpulver mit jeweils 1 Gewichtsprozent Lithiumchlorid,
Lithiumcarbonat, Natriumfluorid, Rubidiumfluorid, Magnesiumfluorid, Manganfluorid,
Ferrifluorid, Bleifluorid oder Berylliumfluorid versetzt, so besitzen die aus dem
Pulvergemisch hergestellten, bei einer Temperatur von 850'C und einem Druck von
4010 kg/cm'= heißverpreßten Elemente nicht die hervorragenden Eigenschaften der
nach dem Verfahren der Erfindung herstellbaren Elemente, weil sie undurchsichtig
sind.
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Für die mit dem Verfahren der Erfindung erzielten vorteilhaften Ergebnisse
können verschiedene Gründe verantwortlich sein.
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Das Heißverpressen wird erfindungsgemäß nahe am Schmelzpunkt des Lithiumfluorides
durchgeführt. Es ist bekannt, daß Magnesiumoxydpulver normalerweise etwas Wasser
enthält, welches als Schicht auf der Oberfläche der Kristalle vorhanden ist. Dies
ergibt sich leicht aus Kurve @1 der F i g. 2. Der Zusatz des Lithiumfluorides zum
Magnesiumoxydpulver wirkt sich nach der Erhitzung auf 700 bis 850'C dahingehend
aus, daß das Wasser entfernt wird, wie sich aus Kurve B der F i g. 2 ergibt, in
welcher die breite Absorptionsbande bei 2,8 Mikron verschwunden ist. Das Lithiumfluorid
wirkt somit wie ein Flußtnittel. um die Wasserschicht von den Kristallen zu entfernen,
so daß das Lithiumfluorid mit dem Magnesiumoxyd reagieren kann.
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Da Lithiumfluorid und Magnesiumoxyd miteinander reagieren, bleiben
die Reaktionsprodukte auf der Oberfläche der einzelnen Kristalle. Es ist nicht anzunehmen,
daß eine größere Volumendiffusion eintritt. und zwar weil die angewandten Temperaturen
zu gering
und die angewandten Zeiten zu kurz sind. Es scheint daher
möglich zu sein, daß nach der Reaktionsgleichung 2 LiF -f- Mg0 -> MgF2 -1- Li20
Oberflächenstörungen auf der Oberfläche der Magnesiumoxydkristalle beseitigt werden
und daß eine aktive Magnesiumoxydoberfläche gebildet wird, welche mit Magnesiumfluorid
und Lithiumoxyd bedeckt wird. Es ist anzunehmen, daß die Fähigkeit der Magnesiumoxydpartikeln
eine plastische Deformation unter niederen Temperaturen und niederen Drücken zu
erleiden, wenn Lithiumfluorid anwesend ist, auf der schwächeren Bindung zwischen
Magnesiumfluorid und Lithiumoxyd auf der Oberfläche der Kristalle und der Leichtigkeit
beruht, mit der diese verschoben werden kann, im Verhältnis zur stärkeren Bindung,
die überwunden werden muß, bevor das Magnesiumoxyd eine Verschiebung erleidet.
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Die Entfernung des Wassers aus dem verpreßteri Element befähigt dieses,
großen Temperaturen zu widerstehen. Die nach dem Verfahren der Erfindung herstellbaren
Elemente können höheren Temperaturen widerstehen als jene Elemente, die aus Magnesiumoxyd
allein hergestellt werden. Die Ursache hierfür liegt offensichtlich darin, daß in
den heißverpreßten Elementen vorhandenes Wasser bei erhöhten Temperaturen Drücke
entwickelt, die Mikrobrüche oder Mikrospalte hervorrufen, welche Licht streuen und
zu einer Verminderung der Durchlässigkeit führen. Die Abnahme des Wassergehaltes
in den Elementen führt zu einer Verminderung dieses Effektes.