DE3118361A1 - Infrarot-lichtleitfaser - Google Patents
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Description
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Infrarot-Lichtleitfasern aus polykristallinen oder Einkristall-Metallhalogeniden
sind bereits bekannt, zeichnen sich jedoch gewöhnlich durch geringere Bruchfestigkeit als
Quarzglasfasern aus. Bei Untersuchungen zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit der Fasern wurde gefunden,
daß aufgrund der Tatsache, daß beim Extrudieren eines Metallhalogenidkristalls ein lineares polykristallines Element
entsteht, die Metallhalogenidfaser durch Verringerung
der Kristallkorngröße in ähnlicher Weise verstärkt werden kann, wie Metalle durch Verringerung ihrer Kristallkorngröße
verstärkt werden können. Silberhalogenid- und Thalliumhalogenidkristalle sind zwar duktilι um jedoch eine
glatte Oberfläche zu erzielen und die für die anschließende Verarbeitung erforderliche Energie zu verringern, werden
sie zu linearer Form heiß-extrudiert. Der Kristall unterliegt dabei einer Gleitdeformation zu einem polykristallinen Produkt?
gleichzeitig werden jedoch durch die Rekristallisation große Kristallkörner gebildet. Alkalimetallhalogenide,
die bei Normaltemperatur spröde sind, müssen bei erhöhten Temperaturen, bei denen eine plastische Verformung erfolgt,
heiß-bearbeitet werden. Die auf diese Weise hergestellten Fasern bestehen aus großen Kristallkörnern mit einer Größe
von 400 μπι bis 1 mm und haben im wesentlichen dieselben
mechanischen Eigenschaften wie Einkristalle. Eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Fasern durch Verringerung
der Kristallkorngröße läßt sich somit nicht erzielen.
Weitere Untersuchungen haben nun zur vorliegenden Erfindung geführt. Ausgangspunkt war die Erkenntnis, daß bei Zusatz
eines Erdalkalimetalls zu einem Alkalimetallhalogenid? Silberhalogenid-
oder Thalliumhalogenidkristall die feste Lö-
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sung des Erdalkalimetalls den Kristall verstärkt und insbesondere seine Bruchfestigkeit erhöht. Beim Heißextrudieren
eines Alkalimefallhalogenid-, Silberhalogenid- oder Thalliumhalogenidkristalls/
der ein Erdalkalimetall enthielt/ wurde überraschenderweise gefunden, daß die erhaltene Faser aus
kleineren Kristallkörnern bestand als Fasern, die durch Heißextrudieren desselben, jedoch erdalkalimetallfreien
Kristalls unter denselben Temperaturbedingungen und bei Erzielung desselben Extrusionsgrades hergestellt wurden.
Der ein Erdalkalimetall enthaltende Kristall hatte eine höhere Bruchfestigkeit als ein Kristall, der kein derartiges
Metall enthielt.
Da das Erdalkalimetall in Form eines Halogenids zugesetzt werden kann, wie sich aus dem Infrarot-durchlässigen Material,
dem es zugesetzt wird, schließen läßt, und da eine Verringerung der Korngröße des Halogenidkristalls bereits
bei Zusatz von nur etwa 100 ppm des Erdalkalimetalls erzielt werden kann, werden die optischen Eigenschaften des
Alkalimetallhalogenids, Silberhalogenids oder Thallium-
halogenids nicht beeinträchtigt. Da jedoch Metalloxide oder anionische Gruppen, wie SO4 oder CO- , Licht im Infrarotbereich
absorbieren, muß sorgfältig darauf geachtet werden, daß sie nicht den Halogenidkristall verunreinigen.
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Beispiele für erfindungsgemäß verwendbare Alkalimetallhalogenide
sind die Halogenide von Natrium, Kalium, Rubidium oder Cäsium. Das Erdalkalimetall kann z.b! in Form eines
Halogenids eingesetzt werden. Beispiele für verwendbare Erdalkalimetalle sind Magnesium, Calcium, Strontium und Barium.
Unter "Halogeniden" werden die Fluoride, Chloride, Bromide und Jodide verstanden.
Als Alkalimetallhalogenide, Silberhalogenide oder Thalliumhalogenide
sowie Erdalkalimetallhalogenide werden vorzugsweise solche verwendet, die als Halogenid dasselbe Halogen-
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atom aufweisen. Wenn z.B. das Alkalimetallhalogenid ein Alkalimetallchlorid ist, verwendet man das Erdalkalimetall
vorzugsweise in Form eines Erdalkalimetallchlorids, Es können jedoch auch unterschiedliche Kalogenide angewandt wer-
S den, ohne daß schädliche Effekte auftreten.
Bei Verwendung von Alkalimetallhalogeniden sind das Alkaliifietallhaiogenid
und das Erdalkalimetall vorzugsweise eine Kombination von Metallhalogeniden derselben Perioden des .
Periodensystems, d.h. eine ,Kombination der Halogenide von Na und Mg, K und Ca, Rb und Sr oder Cs und Ba. Es können
jedoch auch Kombinationen von Metallhalogeniden aus unterschiedlichen Perioden des Periodensystems angewandt werden.
Das Erdalkalimetall kann in einem Anteil von etwa 5000 ppm oder weniger, vorzugsweise 1000 ppm oder weniger, in der
Faser verwendet werden.
Die mit einem Erdalkalimetall verstärkte polykristalline Faser wird in keiner Weise in ihren optischen Eigenschaften
beeinträchtigt und kann als stabile Infrarot-Lichtleitfaser verwendet werden, z.B. zur übertragung von C0~-Laserstrahlen,
wobei der Ubertragungsverlust etwa 10 %/m beträgt,
d.h. genausoviel wie bei der polykristallinen Faser, die kein Erdalkalimetall enthält.
Erfindungsgemäß wird durch Extrudieren eines Alkalimetallhalogenid-,
Silberhalogenid- oder Thalliumhalogenidkristalls, der ein Erdalkalimetall enthält, eine polykrisialline Faser
aus feinen Kristallkörnern mit verbesserter Zugfestigkeit erhalten. Wie die nachstehenden experimentellen Daten
zeigen, beruht dies auf einer Verstärkung der Faser durch den kombinierten Einfluß der festen Lösung des Erdalkalimetalls
und der reduzierten Kristallkorngröße. Durch Zusatz des Erdalkalimetalls wird die Migration der bei der Heißbearbeitung
erzeugten Kristallgrenzen verhindert und das auf
der Rekristallisation beruhende Kristallkornwachstum verzögert. Als Ergebnis entsteht eine haltbare und leicht
handhabbare Faser.
Die erfindungsgemäße Faser eignet sich für den Anschluß von
entlegenen Photodetektoren, insbesondere Infrarotdetektoren, z.B. in Infrarot-Alarrasysteinen. Die erfindungsgemäße Faser
kann auch dazu verwendet werden, hochenergetische Infrarotstrahlung/ z.B. CO2 - oder CO-Laserstrahlen, einer entlegenen
oder schwer zugänglichen Laser-Heizeinrichtung oder -Bearbeitungsmaschine zuzuführen.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.
Zu Kaliumchlorid (Alkalimetallhalogenid) werden 100 bis 5000 ppm Calcium in Form von Calciumchlorid gegeben,
worauf man nach der Bridgman-Methode einen zylindrischen
Kaliumchloridkristall herstellt. Der Kristallblock wird mit einem Extruder, wie er in der Zeichnung im Querschnitt
dargestellt ist, bei einer Temperatur von 500 bis 6000C
zu einer polykristallinen Faser mit einem Durchmesser von 1,0 mm extrudiert. In der Zeichnung bedeuten 1 das Extrusionswerkzeug,
3 das Extrusionsgefäß, 4 den Extrusionsstempel und 5 eine Heizeinrichtung.
Silberchlorid (Silberhalogenid) wird mit 100 bis 5000 ppm • Strontium in Form von Strontiumchlorid versetzt, worauf
man nach der Bridgman-Methode einen zylindrischen Silberchloridkristall
herstellt. Der erhaltene Kristall wird an beiden Enden abgeschnitten und nur der mittlere Teil von
gleichmäßiger Zusammensetzung wird zum Extrudieren verwendet. Der Kristallblock wird mit dem in der Zeichnung dargestellten
Extruder bei einer Temperatur von 180 bis 35O0C zu einer polykristallinen Faser von 1,0 mm Durchmesser
extrudiert.
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Die polykristallinen Fasern der Beispiele 1 und 2 werden einem Zugfestigkeitstest unterworfen. Die Ergebnisse sind
zusammen mit den Daten für polykristalline Fasern, die durch Extrudieren von reinem Kaliumchlorid bzw. Silberchlorid
unter denselben Bedingungen wie in den Beispielen 1 und 2 erhalten wurden, in Tabelle I angegeben.
| Tabelle J | Reine poly kristalline Faser |
Beispiele *2 |
|
| Zugfestigkeit | 0,55 kg/mm2 2,30 kg/mm2 |
1,75 kg/mm2 3,20 kg/mm2 |
|
| Material | der polykristallinen Fasern | ||
| Kaliumchlorid Silberchlorid |
Reiner Ein kristall *1 |
||
| 0,50 kg/mm2 2,20 kg/mm2 |
*1: Jeder der zur Messung verwendeten Einkristalle hat einen Durchmesser von 2,0 cm und eine Länge von 5 cm,
*2: Zur Messung werden polykristalline Fasern verwendet, die jeweils 1000 ppm Erdalkalimetall enthalten.
Die Kristallkorngröße der in den Beispielen 1 und 2 hergestellten polykristallinen Fasern wird durch mikroskopische
Untersuchung des Querschnitts jeder Faser bestimmt. Die Ergebnisse sind zusammen mit den Daten für reine poly-,
kristalline Fasern in Tabelle II genannt.
30
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Material reine polykristal- Beispiele *3 line Faser
Kaliumchlorid 300 - 500 um ' 5 - 30 um
Silberchlorid 300 - 800 um 15 - 50 um
*3: Wie in Tabelle I werden zur Messung polykristalline
Fasern verwendet, die jeweils 1000 ppm des Erdalkalimetalls enthalten.
Aus den Tabellen I und II ist ersichtlich, daß die ein Erdalkalimetall enthaltenden Alkalimetallhalogenide und
Silberhalogenide feinere Kristallkörner aufweisen und polykristalline Fasern mit erhöhter Zugfestigkeit ergeben.
In weiteren Versuchen wurde bestätigt, daß ähnlich wie Alkalimetallhalogenide auch Thalliumhalogenide, die ein
Erdalkalimetall enthalten, zu polykristallinen Fasern mit feinen Kristallkörnern und entsprechend erhöhter Zugfestigkeit
verarbeitet werden können.
Claims (5)
1. Infrarot-Lichtleitfaser, herstellbar durch Heißextrusion eines Alkalimetallhalogenid-, Silberhalogenid-
oder Thalliumhalogenidkristalls, der ein Erdalkalimetall enthält.
2. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Alkalimetallhalogenid ein Fluorid, Chlorid, Bromid oder
Jodid von Natrium, Kalium, Rubidium oder Cäsium ist.
3. Faser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdalkalimetall Magnesium, Calcium, Strontium
oder Barium ist.
4. Faser nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Erdalkalimetall dem Alkalimetallhalogenid, Silberhalogenid oder Thalliumhalogenid
in Form eines Fluorids, Chlorids, Bromids oder Jodids des Erdalkalimetalls zugesetzt ist.
5. Faser nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie das Erdalkalimetall in
einem Anteil von 5000 ppm oder weniger enthält.
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