DE19546992C2 - Hochfrequenz-Induktionsofen mit Faserführung, Suszeptor hierfür, einkristalline oxidische Aluminiumoxidendlosfasern und Herstellungsverfahren für diese Fasern - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochfrequenz- Induktionsofen mit Faserführung und einen Suszeptor hierfür sowie einkristalline, oxidische Aluminiumoxid-Endlosfasern mit definierten Durchmessern und ein Verfahren zum Herstellen von derartigen Endlosfasern.

Zur Herstellung von einkristallinen oxidischen Fasern werden in der Literatur verschiedene Verfahren beschrieben:

Nach der Stepanov-Methode [1, 2] wird eine Aluminiumoxid-Schmelze aus einem Vorratsbehälter durch eine feine Kapillare gedrückt. Es entsteht an der oberen Mündung der Kapillare ein Meniskus, von dem mit einem Impfkristall eine einkristalline Faser abgezogen werden kann. Die kristallographische Orientierung der gewonnenen Faser ist durch die Orientierung des Impfkristalls vorgegeben. Wenn mehrere Kapillaren verwendet werden, können mit dem Stepanov-Verfahren auch mehrere Saphir-Fasern gleichzeitig abgezogen werden. Es werden Ziehgeschwindigkeiten von 10 mm/min bis 15 mm/min, bei einem Faserdurchmesser von 120 µm bis 1200 µm und einer Gesamtlänge von 7 m bis 8 m erreicht.

Das EFG-Verfahren (Edge-Defined, Film-Fed-Growth) [3, 4] stellt eine Erweiterung der Stepanov-Methode dar. An der oberen Mündung einer Kapillare, die in einen Vorratsbehälter mit Aluminiumoxid- Schmelze reicht, bildet sich durch Kapillarkräfte ein Schmelzfilm. Eine Saphir-Faser wächst ausgehend von einem faserförmigen Impfkristall, der aus dem Schmelzfilm herausgezogen wird. Die Temperatur der Schmelze und die Ziehgeschwindigkeit der Faser wird so eingestellt, daß stets ausreichend Schmelze über Kapillarkräfte nachgeführt werden kann. Es werden Ziehgeschwindigkeiten von 15 cm/h bis 60 cm/h erzielt und es können Saphir-Fasern mit Durchmessern von minimal 80 µm bis 300 µm [5] hergestellt werden. Auch mit diesem Verfahren werden mit mehreren Kapillaren mehrere Fasern gleichzeitig in einem kontinuierlichen Prozeß abgezogen, bis der Vorrat der Schmelze aufgebraucht ist.

Bei einem weiteren Verfahren, der LHPG-Methode (Laser Heated Pestal Growth) [6, 7], wird ein polykristalliner Aluminiumoxid- Stab lokal mit einem fokussierten CO₂-Laser aufgeschmolzen. Der Stab dient als Materialquelle und kann sowohl aus einem polykristallinen Preßling als auch aus einem α-Al₂O₃-Einkristall bestehen. In die entstandene Schmelzkappe wird ein Impfkristall eingetaucht und eine Faser herausgezogen. Das Faserwachstum erfolgt bei einer gleichzeitigen Aufwärtstranslation des vorgegebenen Impfkristalls und der Materialquelle, die durch eine Schmelzzone miteinander verbunden sind.

Wachstumsgeschwindigkeiten von 60 mm/h bis 120 mm/h bei Faserdurchmessern von angeblich 25 µm bis 170 µm können erreicht werden.

Allen vorgenannten Verfahren ist gemeinsam, daß die Fasern aus einer niederviskosen Aluminiumoxidschmelze heraus erzeugt werden. Mittels dieser Verfahren lassen sich Fasern mit einem Durchmesser von de facto minimal 80 µm herstellen. Die in der Literatur angegebenen möglichen Faserdurchmesser von 25 µm bei der LHPG-Methode lassen sich beim Nacharbeiten nicht erzielen. Ursache hierfür ist wahrscheinlich folgendes: Der Aluminiumoxid- Stab muß mit einer geringeren Geschwindigkeit auf die Schmelzzone zugeschoben werden, als die Faser aus der Schmelzkappe abgezogen wird. Dies bewirkt, daß die flüssige Schmelzperle Einschnürungen ausbildet. Zum Erreichen von Faserdurchmessern von nicht mehr als 25 µm müßte das Abziehen der Faser so schnell erfolgen, daß die flüssige Schmelzperle abtropfen würde.

Fasern mit geringen Durchmessern können nach einem nicht kontinuierlichen Verfahren von Schmitt [9] hergestellt werden. Beim AVT (Atmospheric Vapor Transport)-Verfahren wird bei hohen Temperaturen gasförmiges Al₂O über ein gekühltes Substrat geleitet, das mit einem Sol-Gel-Film beschichtet ist. In diesem Sol-Gel-Film befinden sich α-Al₂O₃-Kristallite, die als Impfkristalle dienen. Es können Whisker mit einer Länge von 2,5 cm und einem Durchmesser von 2 µm bis 5 µm auf den vorgegebenen Impfkristallen aufwachsen. Nachteil dieser Methode ist der eckige Querschnitt und die schwierige Handhabung der Saphir-Whisker aufgrund ihres geringen Durchmessers, darüberhinaus sind Bruchstücke der Whisker lungengängig und damit gesundheitsgefährdend.

Molybdän-beschichtetet Aluminiumfasern mit Durchmessern im Bereich von ca. 8-20 µm beschreibt die US 5,200,370. Anhand von Rasterelektronenmikroskopie wird den Fasern Einkristallinität zugeschrieben. Eine Kohärenzlänge dieser Bereiche ist nicht offenbart und kann vom Fachmann auch nicht implizit abgeleitet werden, da die gewählte Methode für den Nachweis der Kristallinität und - erst recht - für den der kristallographischen Orientierung ungeeignet ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einkristalline Aluminiumoxid-Endlosfasern ("Saphir"-Endlosfasern) mit variablen, kontrollierbaren Durchmessern im Bereich von 5 µm (oberhalb der Lungengängigkeit) bis mindestens 50 µm und mehr, bevorzugt im Bereich von über 5 µm bis unter 25 µm herzustellen. Dabei sollte eine Kohärenzlänge der einkristallinen Bereiche von mindestens 1000 µm erreicht werden. Die Erzeugung solcher Fasern ist erwünscht, da sie sich beispielsweise mit großem Vorteil als Verstärkungskomponenten in keramischen Verbundwerkstoffen einsetzen lassen. Für solche Verwendungen wünscht man insbesondere Fasern mit Durchmessern unter 15 µm und der genannten Länge, da diese die Unterdrückung des Rißlaufs (Rißumlenkung) besonders günstig beeinflussen.

Durch Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen der genannten Fasern (Ansprüche 10 bis 14) lassen sich Fasern mit den genannten Eigenschaften herstellen. Überraschenderweise hat sich dabei gezeigt, daß der gewünschte Durchmesser der Fasern vorbestimmt werden kann, weil das Kornwachstum formtreu im wesentlichen innerhalb der vorgegebenen Geometrie erfolgt und die Dimension der eingesetzten polykristallinen Fasern daher erhalten bleibt, so daß man zur Einstellung einer bestimmten Faserdicke eine entsprechend dimensionierte polykristalline Ausgangsfaser wählen kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl für die Herstellung von (a- und/oder c-orientierten) reinen Saphir- Fasern Der Ausdruck "Saphir" bezeichnet vorliegend das Aluminiumoxid als solches, wie unter den einschlägigen Fachleuten üblich, nicht jedoch den mit Fe, Co oder dgl. dotierten Korund- Edelstein. (α-Al₂O₃), als auch für dotierte Aluminiumoxide. Dotierungselemente können beispielsweise Chrom, Titan und Eisen sein. Chrom, Yttrium und Calcium wirken sich fördernd auf das Wachstum der einkristallinen Faser aus, während Bor, Eisen, Silicium, Titan und Magnesium, die ebenfalls als Dotierungselemente möglich sind, dieses Wachstum eher hemmen. Alkalien sind ungeeignet. Besonders bevorzugt sind mit Chrom dotierte Aluminiumoxide, da die dabei erzielten einkristallinen Fasern besonders gute Eigenschaften bei sehr hohen Temperaturen haben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß, wie erwähnt, die Wahl des Durchmessers der Ausgangsfaser den Durchmesser der erhaltenen Faser bestimmt. Erreicht wird dies dadurch, daß ein Temperaturgradient von ≧ 50 K/cm, bevorzugt von 200-400 K/cm, bei Temperaturen von ≧ 1000°C, bevorzugt von ≧ 1500°C, und ganz besonders bevorzugt bei 1600-1900°C, auf die Fasern einwirkt. Die einzusetzende Ausgangstemperatur hängt im einzelnen von der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials ab. Der extreme Temperaturanstieg wird bevorzugt dadurch erzielt, daß die Fasern durch den Temperaturgradienten gezogen werden, der vom Suszeptor eines Hochfrequenz-Ofen erzeugt wird. Der Temperaturgradient entsteht aufgrund der speziellen Geometrie des Suszeptors.

Die Beschickung des zentralen Ofenrohrs mit dem entsprechenden Fasermaterial erfolgt üblicherweise bei einer stand by- Temperatur zwischen 1000 und 1300°C, bevorzugt 1200°C bis 1300°C. Nach Einbringen der Ausgangsfasern in das Ofenrohr, beispielsweise mit dem nachstehend beschriebenen Verfahren, wird der Ofen mit einer Rate von etwa 5 K/min auf die entsprechende Temperatur erhitzt. Sodann werden die Fasern durch den scharfen Temperaturgradienten bewegt.

Die Geschwindigkeit, mit der sich der Temperaturgradient relativ zur Faser bewegt, sollte im Bereich von 1-10000 mm/h, bevorzugt von 100-1000 mm und ganz besonders bevorzugt bei etwa 500 mm/h liegen. Die nach Durchlaufen des Temperaturgradienten erzielte erhöhte Temperatur von ≧ 1500°C wird in Abhängigkeit der Dimensionierung der Faser und der Ziehgeschwindigkeit nur kurz aufrechterhalten, danach fällt sie wieder auf den vorherigen Wert ab. Eine isotherme Länge von 1 mm bei der Maximaltemperatur sei beispielhaft genannt.

Die Fasern sollten unter Bedingungen erzeugt werden, die das Eintragen von Verunreinigungen vermeiden. Die Ofenatmosphäre, z. B. eine oxidierende Atmosphäre, die möglichst trocken und kohlenwasserstoffrei ist, sollte deshalb die Fasern in der Umwandlungszone mit niedrigem Gasdruck umspülen, aus Gründen der Erschütterungsfreiheit in Gleichrichtung mit dem Faserverlauf (z. B. 31/h). Die gewählte Atmosphäre beeinflußt den Rekristallisationsvorgang und hat Auswirkungen auf die Oberflächenbeschaffenheit der Fasern.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Fasern können als Ausgangsfasern polykristalline Mono- oder Multifilamente wahlweise eingesetzt werden. Als Beispiel seien die kommerziell erhältlichen Al₂O₃-Fasern Nextel 610 und Almax erwähnt. Auch über ein Sol-Gel-Verfahren hergestellte polykristalline Al₂O₃- Monofilamente, beispielsweise solche, die gemäß Sporn und Glaubitt, ISC-Tätigkeitsbericht 1992 [10] hergestellt wurden, sind einsetzbar. Letztgenannter Fasertyp hat den Vorteil, daß er im Gegensatz zu den ersterwähnten keinerlei Zusatzstoffe enthält.

Durch den vorgenannten Verfahrensschritt wird ein Zonenschmelzen vermieden. Es findet eine Rekristallisation statt, die sich am besten mit "Zonen-Rekristallisation" umschreiben ließe. Die erreichte Orientierung (a bzw. c) hängt von den vorhandenen Kristalliten in der Ausgangsfaser ab.

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten einkristallinen Fasern können Kohärenzlängen von bis zu 500 µm oder sogar noch größer erreichen. Temperaturschwankungen sind weniger kritisch als in den diversen Schmelzverfahren, da die Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen der Temperatur dort bei etwa 1°C liegt, vorliegend jedoch Varianzen von ±10°C tolerabel sind. Die erhaltenen Fasern weisen, wie zuvor detailliert beschrieben, einen mit der Ausgangsfaser identischen Durchmesser auf. Ihre Oberfläche ist wesentlich weniger rauh als die von aus der Schmelze erhaltenen Fasern. Ein weiterer Vorteil ist die Reinheit der erzielten Fasern, da der heißeste Bereich nicht mit Tiegeln oder anderen Gefäßwänden in Berührung kommt.

Zum Durchführen des vorgenannten Verfahrens kann ein erfindungsgemäßer Hochfrequenz-Induktionsofen verwendet werden (Ansprüche 1 bis 6). Induktionsöfen werden im Stand der Technik üblicherweise mit Graphitrohren unter reduzierender Atmosphäre betrieben ("Bridgeman-Ofen"). Mit dem Induktionsofen verbunden sind die üblichen Teile, wie Netzteil, Generator, eine Reglereinheit mit beispielsweise Infrarot(IR)-Pyrometer. Die GB 2 192 698 A offenbart einen Ofen mit einem röhrenförmigen Suszeptorelement aus Zirkoniumdioxid, angeordnet zwischen zwei Ringen aus Siliciumdioxid. Dieses schmilzt allerdings bereits bei knapp 1800°C, so daß der beschriebene Ofen nicht aus bis zu 2000°C stabilen Materialien besteht. Dieser Ofen ist im Gegensatz zu dem der vorliegenden Erfindung auch nicht gasdicht.

Herzstück des erfindungsgemäßen Induktionsofens ist ein Ofenkern mit einem scharfen Temperaturgradienten. Der Ofen wird von einem Gehäuse, beispielsweise einem zylindrischen Metallgehäuse, umschlossen. Die äußere Mantelfläche und die Unterseite des Gehäuses werden zweckmäßigerweise gekühlt. Weil meist aus unten dargelegten Praktikabilitätserwägungen heraus Ofenrohre mit relativ geringem Durchmesser zum Einsatz gelangen, ist es empfehlenswert, daß der Ofen erschütterungsfrei gelagert wird, um zu verhindern, daß die sich durch das Ofenrohr bewegenden Fasern gegen die Ofenwand stoßen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß der Ofen auf einer Metallplatte aufgebaut ist, die auf Luftschläuchen oder dergleichen gelagert ist.

Die Fasern werden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch ein hochtemperaturstabiles, gasdichtes Rohr gezogen, beispielsweise ein solches aus bevorzugt mit CaO oder Y₂O₃ stabilisiertem ZrO₂. Dieses Röhrchen oder Rohr stellt den eigentlichen Ofenraum innerhalb des Ofengehäuses dar. Sein Innendurchmesser sollte so gewählt sein, daß beim Ofenbetrieb trotz des herrschenden starken Temperaturgradienten möglichst wenig bzw. keine unerwünschte Konvektion auftritt. Auf der anderen Seite muß der Abstand der zentral durch dieses Röhrchen geführten Fasern von der Wandung ausreichend groß sein, damit bei geringen Irritationen in der Faserführung kein Verkleben der Faser mit der Wandung auftritt. Empfehlenswert sind 2 bis 8 mm, ganz besonders bevorzugt 5 mm Durchmesser. In einer speziellen Ausführungsform wird die Faser senkrecht geführt. Dabei befindet sich auf der Ober- und Unterseite des Metallgehäuses jeweils eine Bohrung für das - senkrecht angeordnete - Ofenrohr.

In einem mittleren Bereich ist das Röhrchen von einem Suszeptor umgeben. Dieser wiederum befindet sich inmitten eines Induktors. Der Suszeptor koppelt mit dem elektromagnetischen Feld der Induktorspule ein und stellt die eigentliche Ofenheizung dar.

Bezüglich der Geometrien ist es praktikabel, den Ofenraum zentral im Metallgehäuse anzuordnen und/oder den Suszeptor etwa auf halber Höhe anzuordnen. Der Suszeptor kann beispielsweise zylindrisch sein. Die Induktorspule besteht zweckmäßigerweise aus Kupfer und ist in empfehlenswerter Weise mit Wasser gekühlt.

Der Suszeptor wird am vorgesehenen Ort beispielsweise dadurch gehalten, daß zwei oder mehr unter- und oberhalb des Suszeptors angeordnete ZrO₂-Rohre ihn in der vorgesehenen Position inmitten der Induktorspule halten. Diese Anordnung verhindert ein Verkippen des Suszeptors und damit eine mechanische Beanspruchung des zentralen Ofenrohrs durch seitlich wirkende Schwerkräfte, gegen die ein solches Keramikrohr bei der Betriebstemperatur äußerst empfindlich ist. Selbstverständlich sind auch andere Befestigungsmittel möglich, die eine vergleichbare Wirkung haben. Der Suszeptor kann in verschiedenen Materialien und Geometrien ausgeführt sein. Als Materialien kommen beispielsweise Graphit, Molybdän, Wolfram oder Tantal in Frage. Graphit ist besonders bevorzugt, da es eine einfache Bearbeitung zuläßt und ein kostengünstiger Werkstoff ist.

Die Gestalt des Suszeptors ist frei wählbar, sofern sie scharfe Temperaturgradienten ermöglicht. Unter dem Begriff "scharfe Temperaturgradienten" sollen vorliegend Temperaturgradienten von mindestens +50 K/cm verstanden werden. Die Temperaturprofile können symmetrisch oder asymmetrisch sein. Beispielhafte Temperaturprofile sind in den Fig. 1 und 2 dargestellt. In ihnen ist die Temperatur (T) gegen den Ort im zentralen Ofenrohr (x) aufgetragen. Fig. 1 zeigt ein asymmetrisches Temperaturprofil. Es läßt sich beispielsweise mit einem Suszeptor mit U-Form erzielen. Ein solcher Suszeptor ist in Fig. 3 dargestellt. Das Profil besitzt eine schmale, heiße Zone, eine hohe Flankensteilheit auf der einen Seite und eine flachere Flanke auf der anderen Seite des Suszeptors. Symmetrische Temperaturprofile gemäß Fig. 2 können mit Suszeptoren in H-Form erzeugt werden, wie in Fig. 4 beispielhaft dargestellt. Durch die H-Form erhält man Profile mit schmalen, heißen Zonen und flacheren Flanken. Die Zuordnung von Profil zu Suszeptor in den Fig. 1-4 ist nicht maßstabgenau. Fig. 9 zeigt ein Profil, wie es von einem H-Typ Suszeptor mit Abmessungen, die in etwa denen des in Fig. 4 (Maßstab 1 : 1) gezeigten Suszeptors entsprechen, erzeugt werden kann. Die erreichten bzw. erreichbaren Temperaturgradienten liegen für beide Formen in einem Bereich von 0,005 K/µm bis 0,1 K/µm. Der Ofeninnenraum kann in einem Temperaturbereich von etwa Raumtemperatur bis 2400°C betrieben werden. Die Ofentemperatur wird über die Netzteilleistung oder über eine externe, z. B. mit dem IR-Pyrometer gekoppelte Reglereinheit gesteuert.

Der Suszeptor sollte insbesondere dann, wenn er gegenüber der natürlichen Atmosphäre empfindlich ist, zusätzlich mit Schutzgas gespült werden. Hierfür ist eine Zuleitung zu dem den Suszeptor umgebenden Raum vorgesehen. Das Einleiten des Schutzgases erfolgt üblicherweise bei einem konstanten Volumenstrom. Als Inertgas sind die Edelgase Helium, Argon und Krypton ungeeignet, da sie im elektromagnetischen Feld der Induktorspule ionisiert werden und so zu unerwünschten Überschlägen an der Induktorspule führen. Stickstoff dagegen kann mit Erfolg als Schutzgas eingesetzt werden. Das Schutzgas kann nicht in den Ofenraum eindringen, kann aber (z. B. im Falle von Stickstoff und Zirkonoxid-Ofenrohr) - eine stabilisierende Schicht - (hier eine Oxinitridschicht) auf dessen Außenseite bilden.

Wie bereits oben erwähnt, kann der Hochfrequenz-Induktionsofen mit einem Temperaturmesser ausgestattet sein. Hierfür eignet sich ein Infrarot(IR)-Pyrometer. Zur Erfassung des direkten Strahlengangs vom Suszeptor kann ein temperaturstabiles Röhrchen, beispielsweise aus CaO- bzw. Y₂O₃-stabilisiertem ZrO₂, eingesetzt werden. Das eine Ende des Röhrchens ist dabei zweckmäßigerweise in einer Aussparung im Suszeptormantel gelagert, das andere Ende ist von außen mit einem Fenster, beispielsweise aus Calciumfluorid, verschlossen. Das Röhrchen wird im Falle eines oxidationsempfindlichen Suszeptors (beispielsweise wenn es sich um einen C-Suszeptor handelt) mit einem Inertgas gespült. In vorteilhafter Weise wird ein Verschmutzen des Schauglases vermieden, indem das Schutzgas gegen das Fenster geleitet wird. Das Eichen des IR-Pyrometers erfolgt auf übliche Weise, beispielsweise wird die maximale Temperatur im zentralen Ofenröhrchen mit einem Thermoelement gemessen und mit derjenigen Temperatur verglichen, die mit dem IR-Pyrometer bestimmt wurde. Dies geschieht in vorteilhafter Weise bei verschiedenen Temperaturen zwischen 1000 und 1500°C.

In vorteilhafter Weise ist die innere Mantelfläche des Metallgehäuses mit einem hitzestabilen Fasermaterial, beispielsweise aus ZrO₂, ausgekleidet. Der frei verbleibende Innenraum sollte bevorzugt ebenfalls mit hitzestabilem Material aufgefüllt sein, beispielsweise mit ZrO₂-Bubble-Granulat. Der vorgenannte Ofen kann in seinem Innenraum in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 2400°C betrieben werden. Das Innere des Ofenrohrs kann mit Luft, Wasserdampf, Gemischen von Wasserstoff, H₂O und Luft oder anderen Gasen mit verschiedenen Volumenanteilen, die insbesondere im Bereich von 1 bis 80 Vol.-% liegen, beschickt werden. Die Ofentemperatur wird über die Netzteilleistung oder über eine externe, beispielsweise mit dem IR-Pyrometer gekoppelte Reglereinheit gesteuert.

In einer weiteren Ausführungsform kann der Ofen eine senkrechte Faserführungsvorrichtung besitzen, die in folgender Weise ausgestaltet ist: Es sind zwei Schneckenvortriebe vorgesehen, die in verschiedenen Geschwindigkeiten stufenlos eingestellt werden können. Ein grober Vortrieb ist für die Positionierung der Ausgangsfaser in der heißen Zone des Ofens vorgesehen. Ein zweiter feinerer, vorzugsweise mit einem Gleichstrommotor bewegter Vortrieb soll der eigentlichen Translation des Fasermaterials im Temperaturgradienten der heißen Zone dienen. Die Ziehvorrichtung arbeitet schwingungsfrei, so daß bei erschütterungsfreier Lagerung des Ofens Geschwindigkeiten von 1 mm/h bis 10000 mm/h durch den Zonenofen möglich sind.

Mono- oder Multifilamente der Ausgangsfasern werden in einem kurzen, temperaturbeständigen Trägerröhrchen (bevorzugt aus α-Al₂O₃) befestigt, zum Beispiel darin eingeklebt. Das Trägerröhrchen hat entsprechend zum Durchmesser des Ofenrohrs passende Abmessungen, beispielsweise einen Außendurchmesser von 1 mm und einen Innendurchmesser von 0,5 mm. Als temperaturbeständiger Kleber eignet sich ein Aluminiumoxid-Sol, das in das Trägerröhrchen eingespritzt wird. Selbstverständlich sind auch andere Befestigungen möglich. Ein Führungsröhrchen, das für die Aufnahme des Trägerröhrchens vorgesehen und dimensioniert ist (beispielsweise mit einem Außendurchmesser von 2 mm und einem Innendurchmesser von 1 mm) wird von einer Ziehvorrichtung gehalten und mit dem Grobvortrieb vollständig von oben nach unten durch das zentrale Ofenrohr geführt. Eine solche Ziehvorrichtung ist in den Fig. 7 und 8 beispielhaft dargestellt. Das Trägerröhrchen wird mit dem Führungsröhrchen verbunden, beispielsweise durch eine Steckverbindung (siehe Fig. 6). Eine solche Steckverbindung ist bevorzugt, weil sie durch die Reibhaftung zwischen Trägerröhrchen und Führungsröhrchen auch bei hohen Temperaturen hält. Dann wird oder werden das oder die Filamente durch die untere Öffnung des Ofenmantels mit dem Führungsröhrchen nach oben gezogen und in die heiße Zone des Ofens gebracht. Das Führungsröhrchen kann sich frei im zentralen Ofenröhrchen bewegen. Bevorzugt kann die Ausgangsfaser dadurch leicht gestrafft werden, daß sie aus einem Behälter gezogen wird, der mit entspanntem VE-Wasser gefüllt ist. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Berührung der Ausgangsfaser mit der Innenwand des zentralen Ofenröhrchens auch bei einer engen Dimensionierung dieses Röhrchens während des Ofenbetriebs vermieden werden. Ein Kontakt von Al₂O₃-Faser und Innenwand des Ofenrohrs bei der entsprechenden Temperatur hätte die Bildung einer eutektischen Schmelze zur Folge und würde so zu einem Verkleben der Ausgangsfaser mit der Innenwand führen.

In Fig. 5 ist der Aufbau einer Ofeneinheit schematisch und beispielhaft dargestellt. Der Ofen wird von einem zylindrischen Metallbehälter 1 umschlossen, der von einem nicht gezeigten Stativ senkrecht gehalten wird. Eine obere Abdeckung 2 läßt sich abnehmen, so daß innere Ofenbauteile zugänglich sind. Auf der Ober- und Unterseite des Metallzylinders befindet sich jeweils eine zentrale Bohrung 3, 4. Auf halber Höhe des Ofengehäuses ist eine verschließbare Öffnung 19 in der Metallmantelung für die Einführung einer wassergekühlten Kupfer-Indukturspule 5 vom Hochfrequenzgenerator aus sowie für die Zuleitungen 16 hierfür. Der Öffnung für die Induktorspule 5 gegenüber befindet sich eine weitere Öffnung im Metallmantel 1, durch die ein bis zum Suszeptor reichendes ZrO₂-Rohr 9 angeordnet ist. Das eine Ende dieses Rohrs ist in einer Ausnehmung im Suszeptormantel des Suszeptors 8 gelagert, das andere Ende ist von außen mit einem Fenster 10 verschlossen. Durch die Öffnung 11 kann der Innenraum von Rohr und Schauglas mit einem Inertgas gespült werden. Zentral im Ofengehäuse steht senkrecht das zentrale Ofenrohr 6, dessen oberes und unteres Ende in einer eine Mittelbohrung aufweisenden Saphir-Aufnahme 7 mit Schirmblechen 18 gelagert ist. Von außen sind diese über die Öffnungen 3 und 4 mit ebenfalls senkrecht angeordneten Rohren 15, 17 verbunden, die für die Faserdurchführung vorgesehen sind. Durch die Öffnung 15 werden die Fasern von unten nach oben durch die Faserführung geführt. Oberhalb der Faserdurchführung 17 sind zwei Schneckenvortriebe für das Durchziehen der Fasern angeordnet (nicht gezeigt). Über den Gaseinlaß 20 wird der Innenraum des Metallgehäuses und damit der oxidationsempfindliche Suszeptor mit Inertgas gespült. Über die Gasauslaßöffnung 20' entweicht das Schutzgas wieder. Über den Gaseinlaß bzw. Gasauslaß 21 bzw. 21' erfolgt der Zustrom bzw. Abstrom der Atmosphäre für das zentrale Ofenrohr. Das innere Ofenrohr 6 ist auf halber Höhe von einem zylindrischen Suszeptor 8 umgeben. Dieser wiederum befindet sich inmitten der wassergekühlten Kupfer- Induktorspule 5. Der Suszeptor wird von zwei Rohren 22 bzw. 22' gehalten. Durch die Gaseinlaßöffnung 11 kann weiteres Schutzgas in den Innenraum des Metallzylinders geleitet werden. Die innere Mantelfläche 13 des Metallbehälters ist mit temperaturstabilem Fasermaterial ausgekleidet. Der Inneraum 14 ist mit einer Schüttung aus temperaturstabilem Granulat aufgefüllt.

Bauteile der Ziehanlage (Fig. 6)

• 1. Zonenofen
• 2. Stativ für Zonenofen
• 3. Stativ Ziehanlage
• 4. Motor und Getriebe für Grobportionierung
• 5. Schneckenvortrieb; grob
• 6. Motor und Getriebe für Feinvortrieb
• 7. Halterung für Feinvortrieb; Schlitten
• 8. Schneckenvortrieb, fein
• 9. Halterung für Keramikröhrchen

Literatur

[1] Dianov, M. E., Dmitruk, L. M., Plotnichenko, V. G.; Two Layer Single Crystal Growth by Stepanov-Method, Proc. Spie.-Int. Soc. Eng., 799, 84-88, 1993.

[2] Perry, W. B., Ventura, R.; Advanced Crystal Products, Micro Technica GMBH; 1993.

[3] Pollock, J., T., Filamentary Sapphire, J. Material Science, Vol 7, 787-792, 1972.

[4] Backman, D. G., Wei, D., Filler, L. C., Irwin, R., Collins, J.; Modeling of the Sapphire Fiber Growth Process; Adv. Sensing, Modelling and Control of Materials Processing, The Minerals, Metals & Materials Soc., 3-17, 1992.

[5] Bunsell, A. R.; persönliche Mitteilung, 1994.

[6] Jundt, D. H.; Fejer, M.; Byer, L.; Growth of Optical-Quality Sapphire Single Crystals Sapphire; Applied Physics Department, Standford University, California; Mat. Res. Symp. Proc., Vol 172, 1990.

[7] Fu, S., Jiang, S., Chen, J., Zuchang, D. The Growth of Single-Crystal Fibers directly from Source Rods made of Ultrafine Powders; J. Mat. Sci., 28, 1659-1622, 1993.

[9] Schmitt, W.; New Process of Cost-Effective Production of Sapphire Whisker and Spheres, Technological Advances, Mat. Tech., 144, 1994.

[10] Sporn, D., Glaubitt, W.; Entwicklung von polykristallinen Langfasern im System α-Al₂O₃ über Sol-Gel-Verfahren, ISC- Tätigkeitsbericht 1992.

Claims (16)

1. Hochfrequenz-Induktionsofen mit Faserführung, worin der Ofenraum aus einem bis mindestens 2000°C stabilen, gasdichten Material besteht und in einem Teilbereich von einem Suszeptor umgeben ist, dessen Geometrie einen Temperaturgradienten von ≧ 50 K/cm, bevorzugt ≧ 300 K/cm ermöglicht.

2. Hochfrequenz-Induktionsofen nach Anspruch 1, worin der Ofenraum aus einem bis 2300°C stabilen Material besteht.

3. Hochfrequenz-Induktionsofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofenraum ein Rohr mit einem Innendurchmesser von ≦ 8 mm ist.

4. Hochfrequenz-Induktionsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Suszeptor eine U-Form oder eine H-Form aufweist.

5. Hochfrequenz-Induktionsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Suszeptor aus Graphit hergestellt ist.

6. Hochfrequenz-Induktionsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das den Ofenraum bildende Rohr aus ggf. stabilisiertem ZrO₂ besteht.

7. Einkristalline, oxidische Aluminiumoxidendlosfasern mit einem Durchmesser von < 5 µm bis < 80 µm und einer Kohärenzlänge des einkristallinen Bereichs von mindestens 1000 µm.

8. Einkristalline, oxidische Aluminiumoxidendlosfasern nach Anspruch 7 mit einem Durchmesser von < 5 µm bis < 25 µm.

9. Einkristalline, oxidische Aluminiumoxidendlosfasern nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus reinem Al₂O₃ oder aus mit Cr, Y oder Ca dotiertem Al₂O₃ bestehen.

10. Verfahren zum Herstellen einkristalliner, oxidischer Aluminiumoxid-Endlosfasern mit Durchmessern im Bereich von mindestens 5 µm bis mehr als 50 µm, dadurch gekennzeichnet, daß polykristalline Fasern mit entsprechenden Durchmessern kontinuierlich durch einen langgestreckten Ofenraum geführt werden, der zumindest in einem Teilbereich von einer Ofenheizung umgeben ist, wobei die Fasern im Heizungsbereich bei Ausgangstemperaturen von ≧ 1000°C durch einen scharfen Temperaturgradienten mit einem Anstieg von ≧ +50 K/cm und einem anschließenden Abfall auf die Ausgangstemperatur geführt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Fasern im Heizungsbereich bei Ausgangstemperaturen von 1200-1300°C durch den Temperaturgradienten geführt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Temperaturgradient mit ≧ 300 K/cm ansteigt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Fasern von einem oxidierenden, trockenen kohlenwasserstoffreien Gas umspült werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, worin das Gas in Gleichrichtung mit dem Faserverlauf strömt.

15. Suszeptor für einen Hochfrequenz-Induktionsofen, in U-Form oder H-Form, dessen Geometrie einen Temperaturgradienten von ≧50 K/cm ermöglicht.

16. Suszeptor nach Anspruch 15, bestehend aus Graphit.