DE973895C

DE973895C - Monokristalline Masse mit hohem Brechungswert und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE973895C
Application number: DET8973A
Authority: DE
Inventors: Leon Merker
Original assignee: Titan GmbH
Current assignee: Titan GmbH
Priority date: 1953-02-02
Filing date: 1954-02-03
Publication date: 1960-07-14
Also published as: US2685524A; US2685525A

Description

Monokristalline Masse mit hohem Brechungswert und Verfahren zu ihrer Herstellung Zusatz zum Patent 9'73 4'70 Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine monokristalline Masse mit hohem Brechungswert und auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung und stellt eine Weiterbildung des im Hauptpatent geschützten Erfindungsgedankens dar, demzufolge Strontiumtitanatteilchen zu einem Einkristall zusammengeschmolzen werden.
Strontiumtitanat als solches ist bekannt, und man hat schon gesintertes Strontiumtitanat hergestellt, das eine multikristalline Masse darstellt, deren Kristalle mikroskopisch kleine Abmessungen besitzen. Das Strontiumtitanat in dieser bekannten Form ist für optische Systeme nicht verwendbar, da hier vielmehr monokristalline Körper entsprechender Größe und entsprechender Eigenschaften gefordert werden. Das erfinderische Verdienst des Erfinders besteht darin, erkannt zu haben, daß sich durch Zusammenschmelzen von Strontiumxteilchen monokristalline Körper erzielen lassen, die für optische Zwecke verwendet werden können und besonders günstige Eigenschaften aufweisen.
Monokristallines Strontiumtitanat ist gekennzeichnet durch einen hohen Brechungswert von ungefähr 2,4 und einen niedrigen reziproken Farbenzerstreuungswert oder v-Wert von ungefähr 13. Die Herstellung großer Einkristalle aus Strontiumtitanat von klarer, transparenter Beschaffenheit ist möglich. Derartige Kristalle besitzen günstige optische Eigenschaften, da der Brechungsindex beträchtlich höher und die reziproke Farbenzerstreuung beträchtlich niedriger liegen als bei den dichtesten Flintgläsern. Die farblosen und auch die farbigen Kristalle besitzen auf Grund ihrer hohen Brechung und Farbenzerstreuung weitgehende Ähnlichkeit mit Edelsteinen und gestatten daher eine entsprechende Anwendung.
Es besteht ein großer Bedarf an optischen Materialien mit hohem Brechungswert und hoher Farbenzerstreuung für die Herstellung von Linsen und Prismen. So werden beispielsweise Materialien mit hohem Brechungsindex bei der Konstruktion optischer Systeme, beispielsweise bei Fernrohren oder Mikroskopobjektiven mit hoher Vergrößerung, benötigt. Außerdem werden bei der Herstellung achromatischer Linsen Kombinationen optischer Materialien benötigt, die in weiten Grenzen unterschiedliche individuelle optische Eigenschaften aufweisen müssen. Für die Fertigung von Prismen u. dgl. sind ebenfalls Materialien mit hoher Farbenzerstreuung erforderlich. Einkristalle mit hohem Brechungswert können auch vorteilhafterweise für die Herstellung von Schmuckgegenständen, beispielsweise nach Art der Edelsteine, benutzt werden. Es besteht sowohl für Schmuckgegenstände als auch für industrielle Zwecke ein großer Bedarf an synthetischen Edelsteinen der verschiedensten Typen und Färbungen.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte monokristalline Masse besitzt einen außerordentlich hohen Brechungsindex bei hoher Farbenzerstreuung bzw. entsprechend niedrigem v-Wert; sie kann daher für die Fertigung von Linsen, Prismen, künstlichen Edelsteinen u. dgl. verwendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine einfache, ökonomische und vor allem schnelle Herstellung der monokristallinen Masse.
Die monokristalline Masse besteht erfindungsgemäß aus Strontiumtitanat mit einem wirksamen Anteil in Höhe bis i °/a Aluminiumoxyd. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Strontiumtitanat mit dem Anteil einer oxydischen Aluminiumverbindung periodisch einer Sauerstoff-Wasserstoff-Flamme zugeführt wird und daß das geschmolzene Material als monokristalline Masse zu einem flaschen- oder karottenförmigen Einkristall kristallisiert wird; erfindungsgemäß kann anschließend der Kristall einer oxydierenden Behandlung bei einer Temperatur zwischen 650 und i 7oo° C unterzogen werden.
Aus der Literatur ergibt sich, daß Strontiumtitänät in bekannter Form, d. h. also in multikristalliner Form, vielfach durch Aluminiumoxyd verunreinigt ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden praktisch reine Strontiumtitanatteilchen als Ausgangsmaterial benutzt, denen während der Schmelzung ein bestimmter Anteil an Aluminiumoxyd zugegeben wird, um eine Beschleunigung des erforderlichen Ausglühens zu erhalten. Für den erfindungsgemäßen Zweck kann praktisch jede oxydische Aluminiumverbindung verwendet werden, beispielsweise Aluminiumoxyd oder jede Aluminiumverbindung, die bei den angewendeten Temperaturen das Oxyd bildet.
Das monokristalline Strontiumtitanat gemäß dem Hauptpatent wird zu einem flaschen- oder karottenförmigen Einkristall kristallisiert. Dieser Kristall besitzt eine praktisch schwarze Farbe. Der schwarze Kristall wird dann einer oxydierenden Wärmebehandlung unterzogen, um einen weißen, transparenten Kristall zu erhalten. Die für die Oxydationsbehandlung erforderliche Zeit ist verhältnismäßig lang, bis der fertige transparente Kristall erhalten wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch, das als Zuschlagmittel zu dem als Ausgangsmaterial dienenden Strontiumtitanat ein Aluminiumoxyd verwendet, wird die zur Oxydationsbehandlung erforderliche Zeit verringert. Es wurde gefunden, daß bereits eine Zugabe von ungefähr 0,005 °/a Aluminiumoxyd wirksam ist.

Bei Anwendung geringer Mengen von Aluminiumoxyd beim Ausgangsmaterial hängt die Färbung des Kristalls ab von der Menge des verwendeten Aluminiumoxyds. Es wurde gefunden, daß bei Verwendung von Ausgangsmaterialien mit höheren Anteilen von Aluminiumoxyd sich rötliche und praktisch transparente Kristalle ergeben, während bei der Verwendung geringerer Mengen von Aluminiumoxyd beim Ausgangsmaterial eine blauschwarze Färbung des Kristalls erreicht wird. Wenn ungefähr 0,005 bis 0,05 °/o des Zuschlagstoffes dem Strontiumtitanat als Ausgangsmaterial zugegeben werden, wird ein Kristall von praktisch blauschwarzer Färbung erzielt. Bei Anwendung größerer Mengen von Zuschlagstoff, zwischen o,i und 10/, ergibt sich ein rötlicher transparenter Kristall. Bei einer Aluminiumoxydzugabe von ungefähr 0,05 bis o,i °/o erscheint der erzielte Kristall an seiner Oberfläche verhältnismäßig transparent, während das Innere in schwarzer Färbung verbleibt. Die Färbungen verschwinden jedoch, wenn der Kristall einer anschließenden Oxydationsbehandlung unterzogen wird. Um die Wirkungen der verschiedenen Mengen des Zuschlagmittels auf die Färbung des Kristalls vor und nach der Oxydationsbehandlung zu zeigen, sind in der nachstehenden Tabelle Untersuchungsergebnisse mit verschiedenen Prozentgehalten aufgezeigt.

Farbe Farbe

Zugegebenes des Kristalls des Kristalls

Aluminiumoxyd vor der nach der

Oxydations- Oxydations-

behandlung behandlung

o,oo5 °/o bis 0,05 °/o blauschwarz praktisch weiß

>0,050/, bis o,i °/o außen verhält- praktisch weiß

nismäßig

transparent,

innen schwarz

>o,i°/o bis i,o°/o rötlich und praktisch weiß

praktisch

transparent

Die in der Tabelle aufgeführten Kristalle wurden auf folgende Weise hergestellt: Das Ausgangsmaterial bestand aus einer Mischung aus Strontiumtitanat und verschiedenen Mengen Aluminiumoxyd. Dieses Ausgangsmaterial wurde nach -und nach. geschmolzen, indem das pulverförmige Material durch die Flamme gegeben wurde. Die Schmelzung wurde bei Temperaturen zwischen 208o und 225o° C durchgeführt. Der Kristall wurde auf einem Fuß aufgebaut, in dem Maße, wie das geschmolzene Material fortschreitend kristallisierte. Die fertigen Kristalle waren entweder rötlich oder schwarz gefärbt. Sie besaßen Karottenform und hatten eine mehr oder weniger matte eisartige Oberfläche. Nach der Spaltung waren die inneren Oberflächen der einzelnen Stücke glänzend. Die Kristalle wurden anschließend als Ganzes oder in gespaltenem Zustand einer Oxydationsbehandlung bei einer Temperatur zwischen 65o und 170o° C während einer Zeitdauer von 6 bis 12o Stunden unterworfen. Die oxydierten Kristalle wurden dann geschnitten und geschliffen zur Herstellung von ausgezeichneten, praktisch weißen Schmucksteinen oder von optischen Gegenständen, wie Linsen, Prismen u. dgl. Die zur Erzielung eines weißen transparenten Kristalls erforderliche Oxydationszeit war kürzer als diejenige bei Kristallen ohne Aluminiumoxyd.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine schnelle ökonomische und einfach anwendbare Methode zur Herstellung einer monokristallinen Masse dar, die einen hohen Brechungsindex und eine hohe Farbenzerstreuung besitzt; bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Zeit der zur Erzielung weißer Einkristalle erforderlichen anschließenden Oxydationsstufe verkürzt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Monokristalline Masse mit hohem Brechungswert nach Patent 973 47o, bestehend aus Strontiumtitanat und einem Anteil von Aluminiumoxyd, vorzugsweise in Höhe von etwa 0,005 bis etwa 1,o°/0.
2. Verfahren zur Herstellung einer monokristallinen Masse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erzielung einer gefärbten monokristallinen Masse das Strontiumtitanat mit dem Aluminiumoxydanteil in Pulverform periodisch einer Sauerstoff-Wasserstoff-Flamme zugeführt wird und daß das geschmolzene Material zu einem farbigen Einkristall kristallisiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Herstellung einer farblosen monokristallinen Masse das pulverförmige Strontiumtitanat mit dem Aluminiumoxydanteil einer Sauerstoff-Wasserstoff-Flamme zugeführt, daß das geschmolzene Material zu einem Einkristall kristallisiert wird und daß der Kristall anschließend bei einer Temperatur zwischen 650 und 1700° C einer oxydierenden Atmosphäre zwecks Erzielung eines praktisch farblosen Kristalls ausgesetzt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: »Enzyklopädie der technischen Chemie« von U11-mann, a. Auflage, 1929,
4. Bd., S. i27ff.; »Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie«, B. Auflage, Bd. 41, S. 433-