ES2204291B2 - Procedure for obtaining monocrystalline fibers of alpha-alumina doped with transition metals, such as fibers or ruby, sapphire and others with semi-precious characteristics - Google Patents
Procedure for obtaining monocrystalline fibers of alpha-alumina doped with transition metals, such as fibers or ruby, sapphire and others with semi-precious characteristicsInfo
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- ES2204291B2 ES2204291B2 ES200201470A ES200201470A ES2204291B2 ES 2204291 B2 ES2204291 B2 ES 2204291B2 ES 200201470 A ES200201470 A ES 200201470A ES 200201470 A ES200201470 A ES 200201470A ES 2204291 B2 ES2204291 B2 ES 2204291B2
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Procedimiento de obtención de fibras monocristalinas de \alpha-alumina dopadas con metales de transición, como fibras de rubí, zafiro y otras de características semipreciosas.Fiber obtaining procedure α-alumina monocrystallines doped with transition metals, such as ruby, sapphire and other fibers semi-precious features.
Procedimiento de obtención de fibras monocristalinas de \alpha-alúmina dopadas con metales de transición, como fibras de rubí, zafiro y otras de características semipreciosas obtenidas a partir de fibras cristalinas de \alpha-alúmina (corindón), éstas últimas obtenidas a partir de la reacción de aluminio y sílice en hornos de atmósfera controlada.Fiber obtaining procedure α-alumina monocrystallines doped with transition metals, such as ruby, sapphire and other fibers semi-precious characteristics obtained from fibers α-alumina crystals (corundum), these last obtained from the reaction of aluminum and silica in controlled atmosphere ovens.
La composición química de las fibras cristalinas de \alpha-alúmina se modifica con la adición de elementos dopantes (Cr, Fe, Ti, V) al sistema. De este modo las fibras de \alpha-alúmina dopadas resultantes adquieren nuevas propiedades: sobre todo forma, color, dureza, resistencia mecánica, etc. Resaltar en el procedimiento que la incorporación de los elementos dopantes se produce simultáneamente al crecimiento de las fibras.The chemical composition of crystalline fibers of α-alumina is modified with the addition of doping elements (Cr, Fe, Ti, V) to the system. In this way the resulting doped α-alumina fibers acquire new properties: especially shape, color, hardness, mechanical resistance, etc. Highlight in the procedure that the incorporation of doping elements occurs simultaneously to fiber growth.
La producción de fibras de alúmina para su utilización en materiales multifásicos, conocidos como composites, ha sido objeto de numerosos estudios en el área de los materiales avanzados. Las fibras de \alpha-alúmina o corindón (\alpha-Al_{2}O_{3}) son resistentes a altas temperaturas (punto de fusión 2040ºC), tienen elevado módulo elástico y presentan gran estabilidad tanto térmica como química (Das. Gopal, Thermal Stability of Single Crystal and Polycrystalline Fibers and 85% Al_{2}O_{3} - 15% SiO_{2} Fibers, Ceramic Engineering & Science Proceedings, Sep. 01, Vol. 16, n° 5, pp. 977-991 (1995)).The production of alumina fibers for use in multiphase materials, known as composites, He has been the subject of numerous studies in the area of materials advanced. Α-alumina or corundum fibers (α-Al 2 O 3) are resistant to high temperatures (melting point 2040 ° C), have high modulus elastic and have great thermal and chemical stability (Das. Gopal, Thermal Stability of Single Crystal and Polycrystalline Fibers and 85% Al 2 O 3 - 15% SiO 2 Fibers, Ceramic Engineering & Science Proceedings, Sep. 01, Vol. 16, No. 5, pp. 977-991 (1995)).
Como ejemplo, al utilizar fibras de \alpha-Al_{2}O_{3} en combinación con otros materiales se obtienen composites con propiedades mecánicas similares incluso a las del acero, pero sólo un tercio de su densidad. Estos materiales avanzados tienen también un gran potencial de aplicación en la industria aeroespacial (M. Touratier and A. Béakou, on the Mechanical Behavior of Aluminum Alloys reinforced by Long or Short Alumina fibers or SiC Whiskers. Laboratoire Génie de Production-ENIT, Composites Science and Technology vol. 44, pp. 369-383 (1992)) y (T. L. Dragone and W. D. Nix, Steady State and Transient Creep Properties of an Aluminum Alloy Reinforced with Alumina Fibers. Department of materials Science and Engineering, Stanford University, Stanford, Acta Metall. Mater. Vol. 40, n° 10, pp. 2781-2791 (1992)).As an example, when using fibers of α-Al 2 O 3 in combination with others materials are obtained composites with mechanical properties similar to those of steel, but only one third of its density. These advanced materials also have a great application potential in the aerospace industry (M. Touratier and A. Béakou, on the Mechanical Behavior of Aluminum Alloys reinforced by Long or Short Alumina fibers or SiC Whiskers. Laboratoire Génie de Production-ENIT, Composites Science and Technology vol. 44, pp. 369-383 (1992)) and (T. L. Dragone and W. D. Nix, Steady State and Transient Creep Properties of an Aluminum Alloy Reinforced with Alumina Fibers. Department of materials Science and Engineering, Stanford University, Stanford, Metall Act. Mater. Vol. 40, No. 10, pp. 2781-2791 (1992)).
En la presente invención se describe un procedimiento para obtener fibras de corindón conteniendo pequeñas cantidades de metales de transición, en un proceso de dopaje que proporciona a las fibras nuevas propiedades. El interés de estos cambios reside en que las variaciones de color, de dureza, de reactividad, de forma... pueden resultar muy beneficiosas para algunas aplicaciones de las fibras.In the present invention a procedure to obtain corundum fibers containing small quantities of transition metals, in a doping process that It gives the fibers new properties. The interest of these changes resides in that the variations of color, of hardness, of reactivity, so ... they can be very beneficial for Some applications of the fibers.
Por ejemplo, la longitud promedio de un conjunto de fibras es importante de cara a las propiedades mecánicas del composite, ya que cuanto mayor sea la relación longitud/diámetro, conocida como "relación de aspecto", de un conjunto de fibras, mayor será el efecto reforzador que se consigue ("Ceramic Matrix Composites" K.K. Chawla, Ed. Chapman & Hall, (1993)), así que siempre resulta interesante el control sobre las características morfológicas de las fibras producidas.For example, the average length of a set fiber is important for the mechanical properties of composite, since the greater the length / diameter ratio, known as "aspect ratio" of a set of fibers, the greater the reinforcing effect achieved ("Ceramic Matrix Composites "K.K. Chawla, Ed. Chapman & Hall, (1993)), so control over features is always interesting morphological of the fibers produced.
Las aplicaciones de estas nuevas fibras de corindón dopadas podrían ser desde las meramente decorativas, hasta materiales para protecciones anticorrosión. Por ejemplo las láminas delgadas de alúmina dopadas con metales vienen siendo usadas para multitud de aplicaciones ("CVD of Chromium-doped Alumina" Ruby "Thin Films", Bradley D. Fahlman and Adrew R. Barron, Chem. Vap. Deposition, 7, n°2, 62-66, (2001)).The applications of these new fibers of doped corundum could be from the merely decorative, to materials for corrosion protection. For example the sheets thin alumina doped with metals have been used for multitude of applications ("CVD of Chromium-doped Alumina "Ruby" Thin Films ", Bradley D. Fahlman and Adrew R. Barron, Chem. Vap. Deposition, 7, No. 2, 62-66, (2001)).
En la Tabla 1 se muestra un resumen de las variedades de alúminas cristalinas conocidas como semipreciosas, con su nombre usual y el metal (o metales) de transición, con la valencia correspondiente, que le confieren las nuevas propiedades.Table 1 shows a summary of the varieties of crystalline aluminas known as semiprecious, with its usual name and the transition metal (or metals), with the corresponding valence, conferred by the new properties.
Comentamos a continuación alguna de las características que acompañan al color en las gemas o materiales semipreciosos.We comment below some of the features that accompany color in gems or materials semi-precious
En general, los materiales semipreciosos (ya sean gemas naturales o artificiales) tienen especiales propiedades ópticas: brillo característico, luminiscencia (por fluorescencia o por fosforescencia), pleocroísmo, dispersión, refracción, birrefringencia, etc. Cualquiera de estas propiedades puede proporcionar nuevas aplicaciones para las fibras dopadas con metales de transición.In general, semi-precious materials (whether natural or artificial gems) have special properties Optics: characteristic brightness, luminescence (by fluorescence or by phosphorescence), pleocroism, dispersion, refraction, birefringence, etc. Any of these properties can provide new applications for metal doped fibers of Transition.
Por ejemplo, el Ti produce un aumento de la resistencia mecánica de las superficies cristalinas. El dopaje con Cr^{3+} da lugar a rubís que pueden ser empleados en la fabricación de láseres en la longitud de onda de 694 nm. Los rubís tienen además aplicaciones en sensores de daño por bombardeo de iones, en sensores de presión, en aparatos para detectar fonones,... Además, produce mejoras en la interfaz metal-cerámica debido a fenómenos de transferencia de carga.For example, Ti produces an increase in mechanical resistance of crystalline surfaces. Doping with Cr 3+ gives rise to rubies that can be used in the manufacture of lasers at the wavelength of 694 nm. Rubies they also have applications in bombardment damage sensors of ions, in pressure sensors, in devices to detect fonons, ... In addition, it produces improvements in the interface metal-ceramic due to transfer phenomena loading
Conseguir estos materiales con propiedades especiales presenta diversas dificultades. Mientras en los sistemas orgánicos los colorantes son muy abundantes (están descritos más de 5000), en los sistemas cerámicos estos elementos son sólo unos 30, incluidos dentro de los metales de transición y las tierras raras. En particular, en los sistemas cerámicos el rojo siempre resulta insuficiente o es inestable a altas temperaturas ("Chromium -based Ceramic Colors" F. Ren, S. Ishida, N. Takeuchi, and K. Fujiyoshi, Ceramic Bulletin, Vol 71, N°5, 759-764 (1992)).Get these materials with properties Special presents various difficulties. While in the systems Organic dyes are very abundant (more than 5000), in ceramic systems these elements are only about 30, included within transition metals and rare earths. In particular, in ceramic systems, red always results insufficient or unstable at high temperatures ("Chromium -based Ceramic Colors "F. Ren, S. Ishida, N. Takeuchi, and K. Fujiyoshi, Ceramic Bulletin, Vol 71, No. 5, 759-764 (1992)).
Los iones de los metales de transición producen varios colores, dependiendo sobre todo de las fuerzas de enlace presentes en la red cristalina donde se reparten estos iones cromóforos.Transition metal ions produce various colors, depending mainly on the binding forces present in the crystalline network where these ions are distributed chromophores
Por ejemplo, el incremento en el contenido en cromo causa un aumento de las constantes de red de la alúmina, provocando cambios de color desde el púrpura al rojo, llegando incluso al verde. La introducción de iones tetravalentes consigue intensificar el campo que actúa sobre el ión cromóforo, observándose la transición de la tonalidad verde, típica del Cr^{3+} en un campo débil, a la tonalidad roja típica para el mismo ión en un campo fuerte ("Síntesis de nuevos pigmentos cerámicos de color rojo mediante el método de Pechini", R. Pavlov, V. Blasco, E. Cordoncillo, P. Escribano y J.B. Carda, Bol. Soc. Esp. Ceram. Vidrio, 39, [5], 609-616, (2000)). El rubí requiere para su formación la presencia de cromo. En el color, además de la cantidad de Cr^{3+}, influye la presencia de otros elementos colorantes, tales como el hierro, que oscurece el tono agranatándolo.For example, the increase in content in Chromium causes an increase in alumina network constants, causing color changes from purple to red, reaching Even to green. The introduction of tetravalent ions gets intensify the field that acts on the chromophore ion, observing the transition of the green hue, typical of Cr 3+ in a weak field, at the typical red hue for the same ion in a strong field ("Synthesis of new colored ceramic pigments red by the Pechini method ", R. Pavlov, V. Blasco, E. Cordoncillo, P. Escribano and J.B. Carda, Bol. Soc. Esp. Ceram. Glass, 39, [5], 609-616, (2000)). The ruby requires for its formation the presence of chromium. In color, in addition to the amount of Cr 3+, influences the presence of other elements dyes, such as iron, that darkens the tone enlarging it.
El zafiro, que contiene Fe^{2+,3+} y Ti^{4+}, precisa también de unas condiciones adecuadas de cristalización. Además de los característicos colores azules existen también zafiros tales como los verdes y amarillos (debidos a la presencia de Fe^{3+}), púrpuras y violetas (con Fe^{2+}, Ti^{4+} y Cr^{3+}), y rosas (con pequeñas cantidades de Cr^{3+}). En los zafiros, la presencia de Fe y Ti otorgan una apariencia azul y azul-verdosa a la alúmina ("Defect Clustering and Color in Fe, Ti:\alpha-Al_{2}O_{3}", Anthony R. Moon and Mathew R. Phillips, J. Am. Ceram. Soc. 77 [2] 356-67 (1994)).Sapphire, which contains Fe 2+, 3+ and Ti 4+, It also requires adequate crystallization conditions. In addition to the characteristic blue colors there are also Sapphires such as green and yellow (due to presence Fe 3+), purple and violet (with Fe 2+, Ti 4+ and Cr 3+), and roses (with small amounts of Cr 3+). In the Sapphires, the presence of Faith and You give a blue appearance and blue-green alumina ("Defect Clustering and Color in Fe, Ti: α-Al 2 O 3 ", Anthony R. Moon and Mathew R. Phillips, J. Am. Ceram. Soc. 77 [2] 356-67 (1994)).
La propuesta de invención para obtener fibras monocristalinas de corindón dopadas se basa en adaptar un método para la producción de fibras de corindón, modificándolo sustancialmente de manera que durante el crecimiento de las fibras se van incorporando los metales de transición que constituyen el dopaje. Sobre la base de los cristales de \alpha-Al_{2}O_{3}, la adición de pequeñas cantidades de estos metales de transición (fundamentalmente Cr, V, Ti y Fe) permite obtener una gran variedad de especies cristalinas.The proposed invention to obtain fibers doped corundum monocrystalline is based on adapting a method for the production of corundum fibers, modifying it substantially so that during fiber growth the transition metals that constitute the doping Based on the crystals of α-Al 2 O 3, the addition of small amounts of these transition metals (primarily Cr, V, Ti y Fe) allows to obtain a great variety of species crystalline
La patente española ES2146506 describe un procedimiento de obtención de fibras cristalinas de alúmina por deposición Vapor Líquido Sólido a partir de sílice y aluminio metal, ("Obtención de fibras de \alpha-Al_{2}O_{3} por VLS para su utilización en composites". V. Valcárcel. Publicación de tesis en CD-ROM. ISBN: 84-8121-750-6; "Novel ribbon shaped \alpha-Al_{2}O_{3} fibers", V. Valcárcel, A. Pérez, M. Cyrklaff, and F. Guitián. Advanced Materials 10, N° 16, (1370-1373), 1998. ; "Development of single crystal \alpha-Al_{2}O_{3} fibers by vapor-liquid-solid deposition (VLS) from Aluminum and powdered silica" V. Valcárcel, A. Souto, and F. Guitián Advanced Materials, 10, N° 2, pp. 138-140, (1998)). Posteriormente, en la patente P200100703 ("Procedimiento de obtención de fibras cristalinas de \alpha-alúmina (corindón) a partir de aluminio y sílice (cuarzo), en atmósferas controladas conteniendo gases de metales" V. Valcárcel, et al) se describe un procedimiento para aumentar la producción de fibras depositadas por VLS.Spanish patent ES2146506 describes a method of obtaining crystalline alumina fibers by deposition Solid Liquid Steam from silica and aluminum metal, ("Obtaining α-Al2 O3 fibers by VLS for use in composites ". V. Valcárcel. Thesis publication on CD-ROM. ISBN: 84-8121-750-6;" Novel ribbon shaped \ alpha-Al_ {2} 3 fibers ", V. Valcárcel, A. Pérez , M. Cyrklaff, and F. Guitián. Advanced Materials 10, No. 16, (1370-1373), 1998.; "Development of single crystal? -A_ {2} 3 fibers by vapor-liquid-solid deposition (VLS) from Aluminum and powdered silica "V. Valcárcel, A. Souto, and F. Guitián Advanced Materials, 10, No. 2, pp. 138-140, (1998)). Subsequently, in the patent P200100703 ("Method of obtaining crystalline fibers of α-alumina (corundum) from aluminum and silica (quartz), in controlled atmospheres containing metal gases" V. Valcárcel, et al ) describes a procedure to increase the production of fibers deposited by VLS.
En estas patentes se describe un procedimiento que utiliza piezas de Al depositadas sobre sílice, en el interior de hornos de cámara cerrada, con atmósferas controladas. Se utilizan temperaturas entre 1300ºC y 1550ºC. En esas condiciones, se producen fibras de \alpha-alúmina monocristalinas, que aparecen sobre el aluminio después de cada ciclo térmico.In these patents a procedure is described which uses pieces of Al deposited on silica, inside of closed chamber furnaces, with controlled atmospheres. Be They use temperatures between 1300ºC and 1550ºC. Under those conditions, α-alumina fibers are produced monocrystalline, which appear on the aluminum after each thermal cycle.
Estas fibras crecen siguiendo el proceso físico-químico denominado Vapor- Líquido-Sólido o también VLS. En este proceso, las especies gaseosas (Al_{2}O, AlO, SiO, Al y Si) que constituirán el material de las fibras se disuelven en una gota líquida, saturándola, y comenzando la precipitación de la alúmina.These fibers grow following the process physicochemical called Steam- Liquid-Solid or also VLS. In this process, the gaseous species (Al 2 O, AlO, SiO, Al and Si) that will constitute the fiber material dissolves in a liquid drop, saturating it, and starting the precipitation of alumina.
La invención consiste en realizar el crecimiento de las fibras en una atmósfera en la cual coexistan iones de los metales de transición con las especies gaseosas descritas en el párrafo anterior. De este modo estos iones se van depositando simultáneamente con la alúmina durante el crecimiento de las fibras, alterando ligeramente las energías de enlace de la red de la alúmina, y actuando como agentes cromóforos.The invention consists in carrying out the growth of the fibers in an atmosphere in which ions of the coexist transition metals with the gaseous species described in the previous paragraph. In this way these ions are deposited simultaneously with alumina during fiber growth, slightly altering the link energies of the network of the alumina, and acting as chromophores agents.
El procedimiento propuesto en la presente invención describe varios sistemas alternativos para la obtención de fibras de corindón dopadas con metales de transición. Para conseguir que las sustancias dopantes entren en la estructura del corindón se utiliza un procedimiento de obtención de fibras de alúmina aportando los elementos dopantes a la atmósfera del horno al mismo tiempo que las fibras están creciendo, y a un ritmo adecuado que permite el control sobre cómo y cuánto se modifican las propiedades de las fibras de corindón puras.The procedure proposed herein invention describes several alternative systems for obtaining of corundum fibers doped with transition metals. For get the doping substances into the structure of the corundum is used a procedure for obtaining fibers of alumina contributing the doping elements to the oven atmosphere at the same time that the fibers are growing, and at a rate adequate that allows control over how and how much they are modified the properties of pure corundum fibers.
El problema esencial resuelto es proporcionar métodos que solucionan el aporte de los metales de transición adecuados con la valencia adecuada, al mismo tiempo que las fibras de alúmina están creciendo, sin alterar el mecanismo de deposición vapor-líquido-sólido (VLS). Casi todos estos metales son de alto punto de fusión (ver Tabla 2), por tanto es una tarea difícil evaporarlos simplemente por temperatura.The essential problem solved is to provide methods that solve the contribution of transition metals suitable with the appropriate valence, at the same time as the fibers alumina are growing without altering the deposition mechanism vapor-liquid-solid (VLS). Almost all these metals are high melting point (see Table 2), for so much is a difficult task to evaporate them simply by temperature.
En la Tabla 2 aparece una selección de los metales utilizados en este procedimiento. Como sabemos, las temperaturas para el crecimiento de las fibras siguiendo el proceso VLS van desde los 1300ºC hasta los 1550ºC, que son inferiores a las que aparecen en la Tabla 2, y por tanto es difícil que estos metales se encuentren en la atmósfera del horno empleado para el crecimiento de las fibras de corindón. Además, los metales no tienen el estado de ionización adecuado para el dopaje.Table 2 shows a selection of the metals used in this procedure. As we know, the temperatures for fiber growth following the process VLS range from 1300ºC to 1550ºC, which are lower than that appear in Table 2, and therefore it is difficult for these metals are in the atmosphere of the furnace used for the corundum fiber growth. In addition, metals do not They have the proper ionization state for doping.
Para conseguir el dopaje con los iones de la Tabla 1 proponemos:To get doping with the ions of the Table 1 we propose:
Para la obtención de las fibras dopadas se utiliza un procedimiento de deposición VLS en hornos de atmósfera controlada. Esta deposición se altera introduciendo metales de transición en la atmósfera del horno, de modo que las fibras crecen con un dopaje que les confiere propiedades especiales.To obtain the doped fibers, uses a VLS deposition procedure in atmosphere furnaces controlled. This deposition is altered by introducing metals of transition in the oven atmosphere, so that the fibers grow with a doping that gives them special properties.
La primera alternativa consiste en generar los iones dopantes colocando un material precursor directamente en el mismo horno donde están creciendo las fibras. Entendemos por precursores aquellas sustancias capaces de aportar los iones metálicos necesarios para el dopaje durante el crecimiento de las fibras. En general, para lograr un dopaje con un ión metálico concreto podrá utilizarse como precursor el propio metal pero también un óxido o una sal que lo contengan.The first alternative is to generate the doping ions by placing a precursor material directly on the same oven where the fibers are growing. We understand by precursors those substances capable of providing the ions metallic necessary for doping during the growth of fibers In general, to achieve doping with a metal ion concrete may be used as a precursor to the metal itself but also an oxide or a salt containing it.
Como primer ejemplo es posible utilizar los óxidos de los metales ya que éstos pueden reducirse a su estado metálico por reacción con el Al(g), dada la gran afinidad que este elemento presenta por el oxígeno, una de las mayores de la tabla periódica. Pero también es posible utilizar las sales ya que estas pueden separarse en sus iones constituyentes por disolución, por medio de elevadas temperaturas, mediante campos eléctricos, etc. Asimismo, es posible utilizar otros compuestos, incluyendo algunos orgánicos.As a first example it is possible to use the metal oxides as these can be reduced to their state metallic by reaction with Al (g), given the great affinity that this element presents by oxygen, one of the largest of the periodic table. But it is also possible to use the salts since these can be separated into their constituent ions by dissolution, through high temperatures, through electric fields, etc. It is also possible to use other compounds, including Some organic
Cuando la producción de los iones metálicos de transición a partir de los precursores elegidos requiera las mismas condiciones (atmósfera, temperatura, etc) que las existentes en el interior del horno, los precursores pueden ser colocados directamente en las proximidades de las materias primas que generan las fibras (el aluminio y la sílice).When the production of metal ions of transition from the chosen precursors requires the same conditions (atmosphere, temperature, etc.) than those existing in the oven interior, precursors can be placed directly in the vicinity of the raw materials they generate the fibers (aluminum and silica).
Cuando estos precursores son colocados en el interior de la cámara de crecimiento de las fibras, y el horno es calentado hasta la temperatura de crecimiento, estos precursores generan los iones necesarios para el dopaje de las fibras de corindón.When these precursors are placed in the inside the fiber growth chamber, and the oven is heated to growing temperature, these precursors generate the necessary ions for doping the fibers of corundum
A veces, para generar los iones metálicos los precursores mencionados necesitan una temperatura diferente a la temperatura a la que se generan las fibras de \alpha-alúmina que se pretenden dopar (1300-1550ºC). La primera alternativa que proponemos consiste en utilizar sistemas capaces de proporcionar temperaturas distintas en distintos puntos del horno, empleando hornos donde es posible establecer distintas zonas con temperaturas diferentes. La segunda alternativa consiste en emplear una cámara aislada donde el precursor es calentado a una temperatura específica y luego arrastrada a la cámara donde las fibras de alúmina están creciendo. Para este transporte, lo más adecuado es emplear una corriente de argón. Como tercera alternativa, es posible realizar un calentamiento específico del precursor empleando un sistema focalizador de calor, por ejemplo un láser.Sometimes, to generate the metal ions the mentioned precursors need a different temperature than the temperature at which the fibers of α-alumina that are intended to dop (1300-1550 ° C). The first alternative that we propose is to use systems capable of providing different temperatures in different parts of the oven, using ovens where it is possible to establish different zones with temperatures different. The second alternative is to use a camera insulated where the precursor is heated to a temperature specific and then dragged into the chamber where the fibers of alumina are growing. For this transport, the most appropriate is employ a stream of argon. As a third alternative, it is possible perform a specific heating of the precursor using a heat focusing system, for example a laser.
Existen multitud de aplicaciones para las que se han desarrollado técnicas que consiguen la producción de iones metálicos mediante fuertes campos eléctricos. Todas estas técnicas son aprovechables en el procedimiento de dopaje de las fibras. De este modo, los iones necesarios pueden ser generados por técnicas de CVD, de sputtering, etc. También en este caso puede separarse en dos alternativas, considerando por separado el caso que estas técnicas se realicen dentro del horno donde se producen las fibras, o fuera. En este último caso, las especies generadas deben ser arrastradas después, por ejemplo a través de una corriente de argón, hasta la zona de crecimiento de las fibras.There are many applications for which they have developed techniques that achieve ion production Metallic through strong electric fields. All these techniques they are useful in the fiber doping process. From In this way, the necessary ions can be generated by techniques of CVD, sputtering, etc. Also in this case it can be separated into two alternatives, considering separately the case that you are techniques are performed inside the oven where the fibers are produced, Or outside. In the latter case, the species generated must be dragged afterwards, for example through a stream of Argon, to the zone of fiber growth.
Muchos de los precursores descritos son solubles en medios acuosos, ácidos o básicos (generalmente ácidos). Una vez disueltos, se produce la separación iónica del compuesto precursor. Si se hace borbotear a través del ácido una corriente de gas, por ejemplo argón, este arrastra unas pocas partes por millón del líquido, transportando los iones metálicos a la cámara donde crecen las fibras. Este arrastre del líquido puede llevarse a cabo también mediante un Venturi, un dispositivo atomizador que permite mayor control sobre la cantidad de líquido que se introduce en la cámara del horno.Many of the precursors described are soluble in aqueous, acidic or basic media (generally acidic). One time dissolved, ionic separation of the precursor compound occurs. If a gas stream is bubbled through the acid, then Argon example, this drags a few parts per million of the liquid, transporting metal ions to the chamber where they grow the fibers This liquid carryover can also be carried out. through a Venturi, an atomizing device that allows greater control over the amount of liquid that is introduced into the chamber from the oven.
Describimos a continuación como partiendo de un óxido, pueden obtenerse fibras de alúmina dopadas con metales de transición. La elección del óxido adecuado resulta de la mayor importancia para la formación de fibras dopadas debido a que muchos de estos óxidos son también de carácter refractario, como se describe en la Tabla 3, y por tanto permanecen estables hasta temperaturas elevadas, salvo que reaccionen con alguna de las especies presentes en el horno, que son básicamente Al_{2}O, A1O, SiO, Al y Si.We describe below as starting from a oxide, alumina fibers doped with metals of transition. The choice of the appropriate oxide results from the greatest importance for the formation of doped fibers because many of these oxides are also refractory, as described in Table 3, and therefore remain stable until high temperatures, unless they react with any of the species present in the oven, which are basically Al2O, A1O, SiO, Al and Si.
Las reacciones químicas entre las especies gaseosas presentes en el horno y los óxidos pueden ser muy diversas. Sin pretender hacer un análisis exhaustivo de todas las posibilidades, las describimos de forma diferenciada según el dopaje pretendido.The chemical reactions between species Sodas present in the oven and oxides can be very diverse. Without intending to make an exhaustive analysis of all possibilities, we describe them differently according to doping alleged.
Considerando los zafiros (que necesitan hierro en la estructura de la alúmina), son relevantes todas las reacciones que produzcan Fe_{(gas)}, o bien Fe_{(liq)} que, por presión de vapor, dará nuevamente como resultado Fe_{(gas)}. Consideraremos las siguientes posibilidades:Considering the sapphires (which need iron in alumina structure), all reactions are relevant producing Fe (gas), or Fe (liq) which, by pressure of steam, will again result in Fe (gas). We will consider the following possibilities:
Considerando los rubís (que necesitan Cr), las posibilidades son más reducidas, siendo la más adecuada el empleo de CrO_{3}. El CrO_{3} tiene un punto de fusión bajo (196°C), y además se descompone a 400ºC, perdiendo oxígeno y generando Cr^{+3}.Considering the rubies (which need Cr), the possibilities are smaller, the most appropriate being the use of CrO_ {3}. The CrO 3 has a low melting point (196 ° C), and It also decomposes at 400ºC, losing oxygen and generating Cr + 3.
Hay que tener en cuenta que cualquier óxido en el cual el metal esté presente con una valencia inferior a la necesaria no proporcionará las propiedades deseadas a la alúmina. Sin embargo, si el óxido (como el CrO_{3}, en el que tenemos Cr^{+6}) tiene una valencia superior a la necesaria, puede ser reducido por el Al presente en la atmósfera del horno, generando el Cr^{+3}, necesario para la formación de rubís. Confirmándose por el cálculo directo a través de los potenciales redox.Keep in mind that any rust in the which metal is present with a valence lower than necessary will not provide the desired properties to alumina. However, if the oxide (like CrO_ {3}, in which we have Cr + 6) has a valence greater than necessary, it can be reduced by the Al present in the oven atmosphere, generating the Cr + 3, necessary for the formation of rubies. Confirming by Direct calculation through redox potentials.
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
Cr ^{6+} + 3e ^{-} \leftrightarrow Cr ^{3+} \+ E =1.10V \+ en
medio ácido\cr Cr ^{6+} + 3e ^{-} \leftrightarrow Cr ^{3+} \+ E
= -0.12V \+ en medio básico\cr Al ^{3+} + 3e ^{-}
\leftrightarrow Al \+ E=
-1.706V\+\cr}\ dotable {\ tabskip \ tabcolsep # \ hfil \ + # \ hfil \ + # \ hfil \ tabskip0ptplus1fil \ dddarstrut \ cr} {
Cr 6+ + 3e - \ leftrightarrow Cr 3+ \ + E = 1.10V \ + en
acidic medium Cr 6+ + 3e - \ leftrightarrow Cr 3+ \ + E
= -0.12V \ + in basic medium \ cr Al 3+ + 3e -
\ leftrightarrow Al \ + E =
-1.706V \ + \ cr}
Para el caso del resto de los metales seleccionados, se muestran a continuación alguna de las reacciones involucradas, que justifican la aparición de los iones metálicos adecuados en la atmósfera del horno, por reacción de los óxidos con las especies gaseosas presentes en la cámara de crecimiento de las fibras.In the case of the rest of the metals selected, some of the reactions are shown below involved, justifying the appearance of metal ions suitable in the oven atmosphere, by reaction of the oxides with gaseous species present in the growth chamber of fibers
En un crisol de alúmina se dispone una mezcla íntima de polvo de sílice finamente molido, por debajo de 63 \mum, con un 10% de níquel en polvo con tamaño de partícula también <63 \mum. Sobre esta mezcla se depositan unos pequeños hilos de aluminio de 4 mm de diámetro, enterrados aproximadamente hasta la mitad de su espesor (Figura 1). Dicha Figura 1 muestra esquemáticamente el montaje descrito a continuación, para producir fibras dopadas con Cr.A mixture is arranged in an alumina crucible intimate finely ground silica powder, below 63 um, with 10% nickel powder with particle size also <63 \ mum. Small ones are deposited on this mixture 4 mm diameter aluminum wires, buried approximately up to half its thickness (Figure 1). Said Figure 1 shows schematically the assembly described below, to produce fibers doped with Cr.
El crisol de alúmina tipo navecilla es introducido dentro de un horno de atmósfera controlada, que posee una cámara de alúmina conectada con cierres herméticos por uno de sus extremos a una fuente de gas argón cuyo flujo se mantiene constante en 0.2 L/min durante la rampa de temperaturas creciente. Por el otro extremo se coloca un borboteador lleno de agua que permite asegurar una presión de Ar superior a 1 atm en el interior de la cámara del horno. El crisol se calienta hasta una temperatura de meseta de 1550ºC con una rampa de subida de 10ºC/min. Entonces se corta el flujo de gas, manteniendo estanco el interior del horno y estable la temperatura durante 3 horas. Posteriormente se enfría a 10°C/min.The vessel type alumina crucible is introduced into a controlled atmosphere oven, which has an alumina chamber connected with seals by one of its ends to an argon gas source whose flow is maintained constant at 0.2 L / min during the rising temperature ramp. On the other end, a bubbler filled with water is placed that allows to ensure an Ar pressure greater than 1 atm inside from the oven chamber. The crucible is heated to a temperature of plateau of 1550ºC with a ramp of rise of 10ºC / min. So the gas flow is cut, keeping the inside of the oven tight and stable temperature for 3 hours. It subsequently cools to 10 ° C / min
Al mismo tiempo se prepara un tubo de ensayo con 2 g de CrO_{3}, colocado en un baño a temperatura de 250ºC y conectado por su extremo al tubo que transporta el gas hasta el horno. El CrO_{3} se licua y, por efecto Venturi, algunas moléculas son arrastradas hacia el interior del horno. Al atravesar una zona de temperatura >400°C, el CrO_{3} se descompone. Posteriormente, al llegar a la cámara del horno donde crecen las fibras el Cr^{6+} reacciona con el Al_{(gas)} presente originando Cr^{3+} que entra en las gotas del crecimiento VLS. Siguiendo este procedimiento aparecen en el crisol de forma generalizada fibras de rubí de color rojo (Figura 2).At the same time a test tube is prepared with 2 g of CrO 3, placed in a bath at a temperature of 250 ° C and connected at its end to the tube that carries the gas to the oven. The CrO_ {3} is liquefied and, by Venturi effect, some molecules are dragged into the oven. Going through a temperature zone> 400 ° C, the CrO 3 decomposes. Subsequently, upon reaching the oven chamber where the fibers Cr 6+ reacts with the Al (gas) present causing Cr 3+ that enters the drops of the VLS growth. Following this procedure they appear in the crucible Generalized red ruby fibers (Figure 2).
En un crisol de alúmina se dispone una mezcla íntima de polvo de sílice finamente molido, por debajo de 63 \mum, con un 10% de níquel, un 10% de Fe_{2}O_{3} y un 10% de TiO_{2}, también <63 \mum. Sobre esta mezcla se depositan unos pequeños hilos de aluminio de 4 mm de diámetro enterrados aproximadamente hasta la mitad de su espesor.A mixture is arranged in an alumina crucible intimate finely ground silica powder, below 63 um, with 10% nickel, 10% Fe 2 O 3 and 10% TiO_ {2}, also <63 µm. On this mixture they are deposited small 4 mm diameter aluminum wires buried approximately to half its thickness.
La Figura 3 muestra un esquema de uno de los montajes utilizados para la producción de zafiros. Un crisol de alúmina tipo navecilla es introducido dentro de un horno de atmósfera controlada. Este horno posee una cámara de alúmina conectada con cierres herméticos por uno de sus extremos a una fuente de gas argón cuyo flujo se mantiene constante en 0.2 L/min durante la rampa de temperaturas creciente. Por el otro extremo se coloca un borboteador lleno de agua que permite asegurar una presión de Ar en el interior de la cámara del horno ligeramente superior a 1 atm. El crisol se calienta hasta una temperatura de meseta de 1550ºC con una rampa de subida de 10ºC/min. Entonces se corta el flujo de gas manteniendo estanco el interior del horno y estable la temperatura durante 3 horas. Posteriormente se enfría a 10°C/min. Después de un ciclo térmico aparecen fibras de intenso color azul-zafiro en el crisol (Figura 4).Figure 3 shows a diagram of one of the mounts used for the production of sapphires. A crucible of ship type alumina is introduced into an oven of controlled atmosphere. This oven has an alumina chamber connected with hermetic seals by one of its ends to a argon gas source whose flow is kept constant at 0.2 L / min during the rising temperature ramp. On the other end is place a bubbler full of water that ensures a Ar pressure inside the oven chamber slightly greater than 1 atm. The crucible is heated to a temperature of plateau of 1550ºC with a ramp of rise of 10ºC / min. Then Cut off the gas flow by keeping the inside of the oven tight and stable temperature for 3 hours. It subsequently cools to 10 ° C / min After a thermal cycle, intense fibers appear Sapphire blue color in the crucible (Figure 4).
La Figura 5 representa un esquema del montaje. En un crisol de alúmina se dispone una mezcla íntima de sílice finamente molida (<63 \mum) con un 5% de níquel en polvo con tamaño de partícula también <63 \mum. Sobre esta mezcla se depositan unos pequeños hilos de aluminio de 4 mm de diámetro enterrados aproximadamente hasta la mitad de su espesor. El crisol de alúmina tipo navecilla es introducido dentro de un horno de atmósfera controlada. Este horno posee una cámara de alúmina conectada con cierres herméticos por uno de sus extremos a una fuente de gas argón cuyo flujo se mantiene constante en 0.2 L/min durante la rampa de temperaturas creciente. Por el otro extremo se coloca un borboteador lleno de agua. El crisol se calienta hasta una temperatura de meseta de 1550ºC con una rampa de subida de 10ºC/min. Al alcanzarse dicha temperatura de meseta se corta el flujo de gas manteniendo estanco el interior del horno y estable la temperatura durante 3 horas. Posteriormente se enfria a 10ºC/min.Figure 5 represents a diagram of the assembly. In an alumina crucible is arranged an intimate mixture of silica finely ground (<63 µm) with 5% nickel powder with particle size also <63 µm. About this mixture deposit small aluminum wires 4 mm in diameter buried approximately halfway to its thickness. The crucible alumina type boat is introduced into a furnace controlled atmosphere. This oven has an alumina chamber connected with hermetic seals by one of its ends to a argon gas source whose flow is kept constant at 0.2 L / min during the rising temperature ramp. On the other end is place a bubbler full of water. The crucible is heated until a plateau temperature of 1550ºC with a rise ramp of 10 ° C / min. Upon reaching said plateau temperature, the gas flow keeping the inside of the oven tight and stable temperature for 3 hours. It subsequently cools to 10 ° C / min.
Al mismo tiempo, se coloca acetil acetonato de Cr (Cr(AcAc)_{3}), o bien una mezcla estequiométrica de Cr(AcAc)_{3} con Al(AcAc)_{3}, en el interior de una cámara de deposición química en fase vapor (CVD). Esta cámara se sitúa en el camino de la corriente de gas entrante en el horno de alúmina de modo que los iones generados por CVD son arrastrados hacia el horno. De este modo se emplea el Ar tanto para el proceso de CVD como para el transporte de los iones hasta el horno.At the same time, Cr acetyl acetonate is placed (Cr (AcAc) 3), or a stoichiometric mixture of Cr (AcAc) 3 with Al (AcAc) 3, in the inside of a chemical vapor deposition chamber (CVD). This chamber is located in the path of the gas stream incoming into the alumina oven so that the ions generated by CVD are dragged into the oven. In this way the Ar is used both for the CVD process and for the transport of ions to the oven
A presión atmosférica, se ha encontrado que la temperatura óptima es de unos 195ºC. En el caso de emplear la mezcla de Cr(AcAc)_{3} con Al(AcAc)_{3} esta temperatura significa que el Cr(AcAc)_{3} se encuentra disuelto en Al(AcAc)_{3} líquido. Siguiendo este procedimiento, fibras de rubí aparecen de forma generalizada en el crisol.At atmospheric pressure, it has been found that the Optimum temperature is about 195ºC. In the case of using the Mixture of Cr (AcAc) 3 with At (AcAc) 3 this temperature means that the Cr (AcAc) 3 is dissolved in Al (AcAc) 3 liquid. Following this procedure, Ruby fibers appear widely in the crucible.
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