DE1667953C - Verfahren zur Herstellung eines opti sehen Elementes - Google Patents

Description

1 J 2

In dem Hauptpatent werden optische Elemente aus F i g. 3 ein Diagramm, aus dem sich das Durch-

leißverpreßtem Magnesiumoxyd sowie ein Verfahren lässigkeitsverhalten eines nach dem Verfahren der jur Hersteilung derselben beschrieben. Zur Durch- Erfindung hergestellten optischen Elementes im infra-

fährung des Verfahrens sind Drücke von mindestens roten Bereich in Abhängigkeit vom Lithiumfluorid-

ftwa 2810 kg/cm³ sowie Temperaturen von 800 bis 5 gehalt ergibt,

|60°C erforderlich. Die Preßdauer beträgt unter F i g. 4 ein Diagramm, entsprechend dem Diagramm diesen Temperatur- und Druckbedingungen min- der F i g. 3, jedoch mit anderen Lithiumfluoridgehalten.

destens 5 Minuten. Wird diese Preßdauer nicht ein- Das Verfahren nach der Erfindung kann unter

gehalten, werden oftmals nicht ausgepreßte Elemente Verwendung der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung,

irhalten. Es hat sich zwar gezeigt, daß bei einer Aus- io die der F i g. 2 des Hauptpatentes entspricht, beispiels-

dehnung der Erhitzungs- und Preßzeiten die Preß- weise wie folgt hergestellt werden:

temperatur etwas vermindert werden kann, doch sind Magnesiumoxydpulver wird mit 0,5 bis 10 Gewichts-

die Unterschiede gering. Im übrigen besitzen die nach prozent Lithiumfluoridpulver vermischt. Das Mischen

dem Verfahren des Hauptpatentes heißgepreßten kann während etwa einer Stunde bei Raumtemperatur

Optischen Elemente eine starke Absorptionsbande bei 15 erfolgen. Das erhaltene Pulvergemisch wird dann in den

einer Wellenlänge von 2,8 Mikron. Hohlraum des Zylinders 12 unter dem Stempel 17

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis eingeführt. Dann wird die Kammer 30 durch die zugrunde, daß man die im Hauptpatent beschriebenen Leitung 24 evakuiert. Gleichzeitig wird Kühlwasser optischen Elemente weiter verbessern kann, wenn durch die Kühlschlangen 25 sowie durch nicht daririan sie aus Magnesiumoxyd herstellt, das Lithium- ao gestellte Platten der hydraulischen Presse zirkuliert, fiuorid enthält. Es wurde gefunden, daß ein 0,5 bis Dann wird den Heizspulen 11 über die Anschlüsse 27 10 Gewichtsprozent Lithiumfluorid enthaltendes Ma- elektrischer Strom zugeführt. Die Temperatur der gnesiumoxyd bereits bei Drücken von etwa 668 kg/cm^J Form wird mit Hilfe von Platin-Rhodiumelementen 28 und bei Temperaturen von etwa 700⁰C heiß verpreßt und 31 überwacht. Ist die Preßform auf eine Tempewerden kann. Es hat sich weiterhin gezeigt, daß der 35 ratur von mindestens 700⁰C erhitzt, was durch das Lithiumfluoridzusatz die Lichtdurchlässigkeit der op- Thermoelement 31 angezeigt wird, so wird auf den tischen Elemente verbessert. Von besonders wichtiger Kopf 8 des Stempels 17 über die nicht dargestellte Bedeutung ist jedoch die Feststellung, daß der hydraulische Presse Druck ausgeübt, welcher bis auf Lithiumzusatz die Absorptionsbande bei einer Wellen- etwa 668 kg/cm¹ gesteigert wird. Dieser auf das Pulverlänge von 2,8 Mikron faat vollständig eliminiert. 30 gemisch ausgeübte Druck wird etwa 2 Minuten lang

Demzufolge betrifft di; Erfii Jung ein Verfahren aufrechterhalten, wobei eine Temperatur von 700 bis

zur Herstellung eines optischen Elementes aus poly- 85O⁰C eingehalten wird. Am Ende der Preßperiode

kristallinem Magnesiumoxyd, das Licht der sichtbaren wird der Strom abgeschaltet und der Druck wird

und Infrarotbereiche des elektromagnetischen Spek- langsam vermindert. Die Vakuumpumpe wird ab-

trums durchläßt, nach dem Hauptpatent, welches da- 35 geschaltet, und Argon oder ein anderes inertes Gas

durch gekennzeichnet ist, daß Magnesiumoxyd mit wird in die Kammer 30 geblasen. Die Vorrichtung

einem Gehalt von 0,5 bis 10 Gewichtsprozent Lithium- wird dann auf etwa Raumtemr>eratur abkühlen ge-

fluorid bei einem Druck von etwa 668 bis 4010 kg/cm* lassen, was von den Thermoelementen angezeigt wird,

sowie bei Temperaturen von 700 bis 85O⁰C verpreßt Der Stempel 17 wird nun aus dem Zylinder 12

wird. 40 gezogen, und das gepreßte polykristalline, trans-

Das Verfahren der Erfindung kann in der in der im parente Magnesiumoxyd-Lithiumfruoridelement 10

Hauptpatent beschriebenen Formpreßvorrichtung wird abkühlen gelassen und aus der Vorrichtung

durchgeführt werden. Dabei kann in vorteilhafter entnommen.

Weise im Vakuum und/oder einer inerten Atmosphäre Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des

gearbeitet werden. Die Formpresse kann dabei Form- 45 Verfahrens der Erfindung wird Magnesiumoxydpulver

einsätze verschiedenster Form besitzen, so daß Fenster mit 1 Gewichtsprozent hochreinem Lithiumfiuorid-

und Linsen jeder gewünschten Form erhalten werden pulver 1 Stunde lang bei Raumtemperatur vermischt,

können. Die erfindungsgemäß hergestellten optischen Die Teilchengröße der Pulver liegt unter 1 Mikron.

Elemente besitzen eine polykristalline Struktur. Die Die Pulvermischung wird dann in den Formzylinder

Elemente stellen homogene, gleichförmige Körper 5° gebracht und in der Kälte bei einem Druck von

mit einer Dichte von mindestens 99⁹/₀ der theore- 703 kg/cm* verpreßt. Die Preßvorrichtung wird dann

tischen Dichte bis einschließlich zur theoretischen evakuiert und das Pulver wird auf 85O⁰C erhitzt. Hat

Dichte dar. Sie eignen sich wie die im Hauptpatent das Pulver eine Temperatur von 85O⁰C erreicht, so

beschriebenen optischen Elemente auf Grund ihrer wird mit einem Druck von etwa 703 kg/cm' verpreßt,

hervorragenden Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen 55 Der Druck wird so lange aufrechterhalten, bis das

Temperaturen zur Herstellung von Fenstern in Ge- Pulver völlig kompakt geworden ist, was normaler-

kchossen und Projektilen, in Satelliten. weise etwa 2 Minuten dauert. Die Druckbelastung

In der Zeichnung ist dargestellt in wird dann aufgehoben, die Vakuumverbindung wird F i g. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des unterbrochen, und da« Innere der Formvorrichtung Verfahrens nach der Erfindung, 60 wird mit Argon gefüllt, während der Preßkörper ab- Fig. la ein gegenüber dem im Hauptpatent be· kühlen gelassen wird. Nahe Raumtemperatur kann

schriebenen Preflzylinder etwas abgewandelter Zy· das Element aus der Vorrichtung entnommen werden,

linder, Nach Schleifen und Polieren, zwecks Entfernung der

F i g. 2 ein Diagramm, aus dem sich das Durch· Oberflächenverunreinigungen erhalt man ein nahezu

lässigkeitsverhalten eines nach dem Verfahren der «5 wasserweißes, transparentes Material von im wesent·

Erfindung hergestellten optischen Elementes im infra· liehen theoretischer Dichte,

roten Bereich im Vergleich mit einem Element aus An Stelle des in F i g. 1 dargestellten Zylinders 12

reinem Magnesiumoxyd nach dem Hauptpatent ergibt, kann auch ein Zylinder verwendet werden, der, wie aus

Fig. la 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.

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 verpressenden 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 Absorpiionsbande bei einer Wellenlänge von 6,57 bis 7,6 Mikron. Dar der Kurve A zugrunde liegende Element wurde bei 85O⁰C und einem Druck von 4010 kg/cm² gepreßt, während das der Kurve B zugrunde liegende Element bei einer Temperatur von 850⁰C und einem Druck von 668 kg/cm¹ gepreßt wurde.

Aus F i g. 3 ergibt sich der Effekt, der durch Zusatz verschiedener Mengen Lithiumfluorid zum zu verpressendem 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.

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.

Kurve	"/.Li zugesetzt	Preß temperatur	Preß druck	Stärke des Elementes in mm,
		0C	in kg/cm1	korrigiert
A	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	1,85
G	2,0	850	668	1,85
H	5,0	850	668	1,85
1	10,0	850	668	1,85

Durch einen Zusatz von 1 bis 2 Gewichtsprozent Lithiumfluorid zu dem zu verpassenden Magnesium' oxyd werden offensichtlich maximale Durchlässig* keiten erzielt. Wie sich aus P 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 ⁰/₀ Lithiumfluorid zum zu verpressenden Magne-

siumoxyd führt ebenfalls noch zu einer Verminderung der Durchlässigkeit, wahrscheinlich auf Grund der Porosität unter den angewandten Druck- und Temperaturbedingungen.
Bei 85O⁰C wird eine maximale Durchlässigkeit bei

ίο einem Lithiumfluoridgehalt von 1 °/o ^be> einem Preßdruck von etwa 668 kg/cm¹ erzielt. Höhere Drücke bis zu etwa 4010 kg/cm¹ führen zu keiner weiteren Verbesserung der Durchlässigkeitseigenschaften. Bei einem Druck von etwa 340 kg/cm¹ 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, dich wird angenommen, daß die untere Druckgrenze etwas unterhalb 668 kg/cm²

ίο Hegt.

Wird das Verfahren ausgehend von einem 0,5 °/₀ Lithiumfluorid enthaltenden Pulver durchgeführt, dann liegt der zur Erzielung eines transparenten Fensters erforderliche Druck bei einer Temperatur von 850⁰C bei etwa 2004 kg/cm¹. Bei Verwendung eines 2°/₀ Lithiumfluorid enthaltenden Magnesiumoxydes kann die Temperatur auf 700⁰C 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, ih Abhängigkeit von der zugesetzten Lithiumfluoridmenge.
Der durch Zusatz von Lithiumfluorid erzeugte Effekt scheint ganz spezifisch zu sein. W'rd beispielsweise Magnesiumoxydpulv«r 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 85O°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.

Für die mit dem Verfahren der Erfindung erzielten vorteilhaften Ergebnisse können verschiedene Gründe verantwortlich sein.
Das Heißverpressen wird erfindungsgemäß nahe am

Schmelzpunkt des Lithiumfluorides durchgeführt. Es ist bekannt, daß MagnesiumoxyJpulver normalerweise etwas Wasser enthält, weiches als Schicht auf der Oberfläche der Kristalle vorhanden ist. Dies ergibt sich leicht aus Kurve A der F i g. 2. Der Zusatz des

Lithiumfluoridee zum Magnesiumoxydpulver wirkt sich nach der Erhitzung auf 700 bis 85O°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.

&o Das LithiumfSuorid wirkt somit wie ein Flußmittel, um die Wasserschicht von den Kristallen zu entfernen, so daß das Lithiumfluorid mit dem Magnesiumoxyd reagieren kann.

Da Lithiumfluorid und Magnesiumoxyd miteinander

«s 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 ge-

ring und die angewandten Zeiten zu kurz sind. Es scheint daher möglich zu sein, daß nach der Reaktionsgleichung

2 LiF + MgO -* MgF₁ + Li₁O

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 Magnesium· oxydpartikeln 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.

Die Entfernung des Wassers aus dem verpreßten 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 hnißverpreßten Elementen vorhandenes Wasser bei erhöhten Temperaturen DrUcke entwickelt, die Mikrobrüche oder Mikrospalte hervorrufen, welche S Licht streuen und zu einer Verminderung der Durchlässigkeit fahren. Die Abnahme des Wassergehaltes in den Elementen führt zu einer Verminderung dieses Effektes.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines optischen Elementes aus polykristallinem Magnesiumoxyd, das Licht der sichtbaren und Infrarotbereiche des elektromagnetischen Spektrums durchläßt, nach dem Hauptpatent 1 244435, dadurch gekennzeichnet, daß Magnesiumoxyd mit einem Gehalt von O₁S bis 10 Gewichtsprozent Lithiumfluorid bei einem Druck von etwa 668 bis 4010 kg/cm* sowie bei Temperaturen von 700 bis 85O°C verpreßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es in einer inerten Atmosphäre durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn- »5 zeichnet, daß es im Vakuum durchgeführt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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