MÉTODO Y APARATO PARA FORMAR PARTÍCULAS POLICRISTALINAS CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un método y
^ aparato para la producción de partículas policristalinas, y
5 más específicamente, un método económico y aparato para formar partículas policristalinas mediante condensación en fase gaseosa. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las partículas policristalinas típicamente tienen 10 un tamaño de cristalito por arriba de aproximadamente 25
• nanómetros y un tamaño de partícula por arriba de aproximadamente 50 nanómetros. En la técnica previa, otros han definido materiales que tienen un tamaño de partícula de entre aproximadamente 1-100 nanómetros como materiales de 15 nanofase, prolicristalinos o nanocristalinos . Las partículas policristalinas han demostrado propiedades químicas y físicas únicas, tales como alta reactividad, absorción de infrarrojo mejorada, propiedades electrónicas novedosas, propiedades
• magnéticas, y dureza y ductilidad mejoradas. Desde un punto 20 de vista práctico, los materiales policristalinos también tienen aplicaciones potenciales en las tecnologías de información y de energía superiores o avanzadas, así como en aplicaciones militares. Se conocen varias técnicas en el arte para formar 25 partículas policristalinas. Dos categorías generales para el procesamiento de partículas policristalinas son: 1) el procesamiento acuoso y 2) el procesamiento en fase gaseosa. El procesamiento acuoso incluye técnicas tales como
• la pirólisis de conversión por rocío, deposición de sol gel y 5 electrodeposición. El procesamiento en fase gaseosa puede incorporar técnicas tales como la deposición electrónica, erosión con láser, evaporación óhmica, molienda de alta energía, condensación química de vapor y condensación en fase gaseosa. Cada una de las técnicas mencionadas anteriormente
10 tienen sus características únicas, sin embargo, cada una es
• identificada mediante los procesos básicos de nucleación y crecimiento de una estructura cristalina. En el campo de la condensación en fase gaseosa para la preparación de partículas policristalinas, los procesos
15 básicos incluyen la evaporación de un material o materiales fuente, la nucleación del material y el crecimiento dentro de una fase de vapor. Típicamente, los materiales policristalinos que son producidos mediante la condensación en fase gaseosa pueden formarse dentro de una atmósfera
20 inerte o en una atmósfera que consiste de una mezcla de gases inertes y gases reactivos. Dentro del campo de la condensación en fase gaseosa, hay varias técnicas para vaporizar materiales. Una técnica de tal clase es el calentamiento de joule eléctrico, también conocido como
25 calentamiento óhmico, en donde el material a ser vaporizado
- ^ -*»« **•-* es colocado en un crisol refractario y en la aplicación de suficiente corriente eléctrica, el crisol es calentado y el material es vaporizado. • Un método de evaporación óhmica es descrito en la 5 Patente Norteamericana No. 5,128,081 expedida a Siegel y colaboradores, para "METHOD OF MAKING NANOCRYSTALLINE ALPHA ALUMINA". Sin embargo, una desventaja de utilizar la evaporación óhmica, tal como la técnica descrita en la Patente '081, es la limitación de temperatura debido a que el
10 material fuente es calentado indirectamente. Por lo tanto,
• materiales de alta temperatura de fusión tal como el níquel son difíciles de preparar de acuerdo con las enseñanzas de Siegel. Existen otras desventajas asociadas con el calentamiento resistivo para la evaporación, tal como una
15 proporción de conductancia térmica limitada y eficiencia deficiente. Como resultado, el calentamiento resistivo eléctrico experimenta una baja velocidad de producción. Además, la contaminación de las especies evaporadas a partir
• del elemento de calentamiento y los materiales de crisol del
20 aparato de calentamiento también es un problema. Otro método conocido en la técnica para la evaporación de materiales para la condensación en fase gaseosa es la evaporación con haz electrónico. Un método de tal clase para la evaporación con haz electrónico utilizada
25 en el procesamiento de condensación en fase gaseosa de partículas policristalinas es descrito en la Patente Norteamericana No. 5,728,195 expedida a Eastman y colaboradores para "METHOD FOR PRODUCING NANOCRYSTALLINE
• MULTICOMPONENT AND MULTIPHASE MATERIALS". Aunque la Patente 5 '195 describe un buen método para evaporar diferentes materiales fuente para formar partículas "nanocristalinas", este procedimiento tiene sus desventajas. Las técnicas de haz electrónico implican equipo sofisticado que requiere un sistema de bombeo de vacío diferencial y un sistema óptico
10 electrónico delicado. Además, la evaporación con haz
• electrónico no es un proceso continuo, lo que impide que sea una técnica industrial adecuada. Además, el haz electrónico mismo emite radiación de alta energía peligrosa. Otra aplicación de la evaporación con haz electrónico es descrita
15 en la Patente Norteamericana No. 4,448,802 expedida a Buhl y colaboradores, para "METHODO AND APPARATUS FOR EVAPORATING MATERIAL UNDER VACUUM USING BOTH AN ARC DISCHARGE AND ELECTRON BEAM". La patente ?802 describe una técnica para
• evaporar materiales mediante la incorporación de energía
20 desde un disparador electrónico junto con una descarga de arco de bajo voltaje. Aunque este es un procedimiento interesante, este dispositivo experimenta las complejidades discutidas con respecto a la patente *195, junto con la complejidad adicional de incorporar un disparador electrónico
25 con una técnica de descarga de arco para la evaporación.
Otra técnica disponible para la evaporación de materiales por condensación en fase gaseosa, es conocida como descarga de arco y también es referida como plasma de arco o evaporación de arco. El plasma de arco es una buena técnica para evaporar metales de transición de alto punto de fusión y de baja presión de vapor. Un aparato para la evaporación de arco de materiales es descrito en la Patente Norteamericana No. 4,732,369 expedida a Araya y colaboradores, para "ARC APPARATUS FOR PRODUCING ULTRAFINE PARTICLES". Araya describe un aparato para formar partículas ultrafinas mediante evaporación de arco, que está caracterizado por la formación de una descarga magnética a un arco eléctrico al inclinar un electrodo al material que es evaporado, provocando un desequilibrio en la fuerza electromagnética debido a la inclinación del electrodo con relación al material fuente horizontalmente dispuesto. También descrita en la patente *369 está la etapa de incorporar un "gas de inducción" también comúnmente conocido como un gas de trabajo, en el gas de trabajo. Un gas de trabajo es comúnmente, un gas inerte que actúa para proteger uno o más de los electrodos, y más importantemente, está ionizado para establecer y sostener un arco. Araya describe la utilización de un gas de inducción de Argón mezclado con Hidrógeno, Nitrógeno u Oxígeno con el fin de incrementar la cantidad de calor producido. Sin embargo, la Patente Norteamericana No.
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5,514,349 expedida a Parker y colaboradores, para "A SYSTEM FOR MAKING POLYCRYSTALLINED MATERIALS", describió una desventaja asociada con la practica de utilizar Oxígeno como un gas disociable. El Oxígeno de preferencia no es utilizado en un gas de trabajo debido a la erosión resultante del electrodo no consumible. La patente ?349 también describe un electrodo no consumible inclinado a un ángulo con respecto al material fuente, o evaporatorio, para crear una flama trasera o de cola de plasma de arco alargado. Al incluir Nitrógeno, Hidrógeno o ambos en el gas de trabajo, se incrementa la temperatura de la flama trasera o de cola de plasma, lo cual dará por resultado una reacción más completa del material evaporatorio con un gas de reacción tal como Oxígeno, Nitrógeno, Helio, Aire o una combinación de estos gases. La presencia de un gas de reacción permite que el material fuente forme compuestos nanodimensionados. Por ejemplo, si el material fuente es Titanio el cual es evaporado y luego expuesto a un gas de reacción que contiene alguna concentración de Oxígeno, pueden resultar materiales policristalinos de Titanio (Ti02) . Las patentes mencionadas anteriormente en la presente, emplean inyección de gas continua a una cámara de vaporización, lo cual hace necesario incluir un sistema de bombeo de vacío continuo para la circulación de gas. Además, a medida que el gas es inyectado en la cámara de
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vaporización, se incrementará la presión de la cámara. La inyección de gas dinámica y la circulación de gas requerirán un proceso de control de sistema más sofisticado para la operación, incrementando la complejidad de este sistema. 5 Aunque la productividad se ha mejorado mediante las técnicas mencionadas anteriormente, estos procesos de condensación en fase gaseosa todavía implican una gran cantidad de complejidad técnica. Además, la circulación de gas requiere la adición de filtros y válvulas de gas que requerirán
10 mantenimiento y limpieza después de un período de operación,
• dando por resultado un tiempo de paro del sistema y todavía más complejidad del sistema. También, la inyección de gas continua a la cámara de evaporación, y la liberación subsecuente del gas desde la cámara, consumirá una gran
15 cantidad de gas, lo cual conduce a costos de operación más elevados . Un método simplificado para evaporar materiales es á^ descrito en la Patente Norteamericana No. 5,096,558 expedida a Ehrich, para "METHOD AND APPARATUS FOR EVAPORATING MATERIAL
20 IN VACUUM". La patente x558 describe una técnica para la evaporación de materiales a muy bajas presiones (10~4 milibares a 10"2 milibares) para el propósito de recubrimiento de superficies. El método y aparato descrito pone mucho énfasis sobre el beneficio de la evaporación de ánodo. Los
25 materiales descritos para la evaporación mediante este método
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Los métodos de evaporación de arco de baja presión operan en una cámara a una presión por debajo de aproximadamente 10 Torr. En un sistema de evaporación de arco de baja presión, el arco es sostenido mediante la evaporación sustancial de los materiales de electrodo. El arco es iniciado mediante algún medio tal como un encendido de alta frecuencia o encendido de contacto simple. Alternativamente, la evaporación de arco de baja presión puede ser referida como evaporación de arco de vacío. Básicamente, un arco de vacío es sostenido mediante el vapor emitido de un electrodo consumible que puede ser ya sea el ánodo o el cátodo. Un arco de vacío efectivo utiliza las especies evaporadas como el conductor primario para el arco. El electrodo consumible proporciona el medio para la trayectoria de la corriente, lo cual hace la tecnología de arco de vacío, adecuada para un amplio espectro de aplicaciones para el recubrimiento de película delgada al vacío, sin embargo, esta tecnología no es adecuada para la producción de partículas policristalinas. Por consiguiente, existe una necesidad por una técnica eficiente, simple, para la formación de partículas policristalinas. BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención supera las limitaciones de la técnica previa, al proveer un método para fabricar partículas policristalinas mediante la condensación en fase gaseosa, que
ÍAs?,? Jt? t* -? . -—*->* comprende las etapas de proveer una cámara de vacío; proveer un electrodo no consumible en la cámara de vacío; disponer espacialmente un electrodo consumible adyacente al electrodo
• no consumible, el electrodo consumible que comprende material 5 evaporatorio; evacuar la cámara de vacío a entre aproximadamente 10 torr y 100 militorr; crear un potencial entre el electrodo no consumible y el electrodo consumible; iniciar una descargci de arco entre el electrodo no consumible y el electrodo consumible para formar vapores ionizados del
10 material evaporatorio del electrodo consumible, mediante lo
• cual se provee una trayectoria de arco y evaporar el electrodo consumible con una descarga de arco, mediante lo cual los vapores del electrodo consumible se condensan para formar partículas policristalinas. En una modalidad
15 preferida, la cámara primero es evacuada por debajo de aproximadamente 10'5 Torr luego incrementada entre aproximadamente 10 torr y 100 militorr al proveer un gas inerte. Además, se puede proporcionar un gas de reacción a la
• cámara de vacío para reaccionar con los materiales
20 vaporizados para formar un compuesto químico. La descarga de arco puede ser iniciada al poner en contacto el electrodo consumible y el electrodo no consumible. También, el electrodo no consumible puede ser enfriado. También se provee un aparato para formar partículas 25 policristalinas mediante la condensación en fase gaseosa, al
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emplear evaporación de arco sin un gas de sostenimiento de arco, que comprende una cámara de vacío; un medio para evacuar la cámara de vacío a una precisión entre aproximadamente 100 militorr y 10 torr; un electrodo no 5 consumible dispuesto dentro de la cámara de vacío; un electrodo consumible espacialmente dispuesto adyacente al electrodo no consumible, el electrodo consumible que comprende material evaporatorio; un suministro de energía que tiene una terminal positiva y una terminal negativa, la
10 terminal positiva conectada a uno del electrodo no consumible
• o electrodo consumible, la terminal negativa conectada al otro del electrodo no consumible o electrodo consumible; un medio para iniciar una descarga de arco entre el electrodo no consumible y el electrodo consumible para formar vapores
15 ionizados, mediante lo cual se provee una trayectoria de arco; y un medio para evaporar el electrodo consumible mediante una descarga de arco sostenida, mediante lo cual los vapores del electrodo consumible se condensan para formar partículas policristalinas. • 20 BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Figura 1 es una vista en sección transversal, esquemática, de una modalidad del aparato de acuerdo con los principios de la presente invención; la Figura 2 es una ilustración de un electrodo no
25 consumible de acuerdo con los principios de la presente
invención; la Figura 3 es una ilustración de un electrodo consumible de acuerdo con los principios de la presente invención; la Figura 4 es una micrografía de SEM de partículas de Mg policristalinas, preparadas mediante la condensación de plasma de gas de plasma de arco a una presión de 5 torr; la Figura 5 es una representación gráfica de un patrón o modelo de difracción de rayos x para MgO (indicado por "A") y Zr02 (indicado por "B") . DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Un arco al vacío es sostenido mediante el vapor emitido de cualquiera de los electrodos consumibles, y por lo tanto es referido como la evaporación de arco de ánodo, si los materiales consumibles se emiten desde el ánodo, o evaporación de arco de cátodo si los vapores se emiten desde el cátodo. El vapor procedente del cátodo es provocado mediante un fenómeno bien conocido, referido como "punto de cátodo", el cual es un punto de formación de arco que se mueve rápidamente de un lugar a otro sobre la superficie del cátodo. El tamaño real del punto de cátodo es muy pequeño, y en algunos casos de menos de una miera. Debido a su tamaño, la densidad de corriente del punto de cátodo es por consiguiente muy grande, en algunos casos se ha estimado una densidad de corriente de 106 A/cm2. Por consiguiente, el punto
de cátodo tiene una temperatura extremadamente alta, en algunos casos la temperatura puede alcanzar 104oC o mayor. El cátodo puede ser un cátodo frío o un cátodo caliente dependiendo de los materiales y el objetivo. Un cátodo frío comúnmente es formado de un material conductor altamente térmico y es más grande en tamaño que el ánodo. Además, un cátodo frío puede estar en comunicación con el medio de enfriamiento para reducir adicionalmente la temperatura del cátodo. Alternativamente, un cátodo caliente es uno que no es enfriado y que se permite operar en un estado no enfriado. Un cátodo caliente puede ser empleado durante la evaporación de ánodo, mientras que la presión de vapor del cátodo sea menor que, y la temperatura de fusión sea mayor que, aquellas del ánodo. Durante la evaporación del arco los electrones del cátodo viajan a través de un espacio vacío al ánodo. Como se mencionó anteriormente, el medio de transporte puede ser un gas inerte, un gas reactivo mezclado con un gas inerte o como en el caso de la evaporación de arco de baja presión, materiales evaporados de un electrodo consumible. El medio que sostiene la descarga de arco es un plasma. El plasma es un vapor ionizado que proporciona una trayectoria de arco para que la corriente fluya desde el cátodo al ánodo. Comúnmente, el electrodo con una presión de vapor mayor o punto de fusión menor será el electrodo consumido.
ft -TlrltlHillnrt-riTi ??Hp¡É«l anir-»'"'-"— »•- Cualquiera del cátodo o el ánodo puede ser el electrodo consumido. Como se estableció anteriormente, si el ánodo es consumido, el proceso es referido como evaporación de ánodo. En este caso el vapor de ánodo puede condensarse 5 rápidamente sobre la superficie del cátodo y puede ser reevaporado mediante el punto de cátodo, lo que reduce el consumo del cátodo. Cuando el ánodo se fabrica mucho más pequeño en diámetro que el cátodo, el ánodo puede ser elevado a muy alta temperatura, tan alta como varios miles de grados
10 centígrados debido a la baja masa térmica y el área en
• sección transversal pequeña para la conductancia térmica. La invención descrita en la presente es un método novedoso para formar partículas policristalinas mediante la condensación en fase gaseosa, donde la evaporación es
15 obtenida mediante un arco de plasma. Con referencia ahora a la Figura 1, se muestra una ilustración en sección transversal, esquemática, de una modalidad del aparato 10 para formar materiales policristalinos mediante la
• condensación en fase gaseosa. El aparato 10 incluye una
20 cámara de vacío 20 en comunicación con el medio para evacuación 30 de la cámara 30 a presión subatmosferica. El medio para evacuación 30 puede ser una bomba mecánica o bomba de difusión, o cualquier otro medio adecuado conocido en la técnica para evacuación de la cámara 20. El aparato 10 además
25 comprende un electrodo no consumible 100 dispuesto dentro de la cámara 20 adyacente a un electrodo consumible 40 también dispuesto dentro de la cámara 20. El aparato 10 además comprende un suministro de energía 160 que tiene una terminal
• negativa 170 y una terminal positiva 180, la terminal 5 positiva 180 está conectada a uno de ya sea el electrodo no consumible 100 o el electrodo consumible 40, y la terminal negativa 170 está conectada al otro del electrodo no consumible 100 o electrodo consumible 40. Con referencia ahora a la Figura 2, se muestra una 10 ilustración en sección transversal, esquemática, del electrodo no consumible 100. El electrodo no consumible 100 tiene una punta refractaria 110 y puede incluir una cavidad 120. La cavidad 120 se puede proveer para hacer circular un enfriador al electrodo no consumible 100 mediante lineas de
15 enfriamiento 130. En la modalidad preferida, el electrodo no consumible 100 es eléctricamente aislado de la cámara 20 mediante el medio de aislamiento de electrodo no consumible 240. • El medio de aislamiento de electrodo no consumible
20 240 se provee para prevenir un corto entre el electrodo no consumible 100 y la cámara 20. En la modalidad ejemplar, el medio de aislamiento 240 es una hoja de vidrio Pyrex con una abertura en la misma. El electrodo no consumible 100 está dispuesto dentro de la abertura del medio de aislamiento 240. 25 La distancia entre el electrodo no consumible 100 y la cámara 20, ocupada mediante el medio de aislamiento 240, debe ser suficiente para evitar un corto de arco entre el electrodo no consumible 100 y la pared de la cámara 20 con el fin de que
• sea efectivo el medio de aislamiento 240. En la modalidad 5 preferida, la pared de la cámara 20 está conectada a tierra para prevenir una acumulación de carga. Con referencia ahora a la Figura 3, se muestra una ilustración de un electrodo consumible 40 de acuerdo con los principios de la presente invención. El electrodo consumible
10 40 incluye un material fuente o evaporatorio 50 sostenido mediante un manguito de soporte 60. El material evaporatorio 50 es acoplado eléctricamente a una de ya sea la terminal negativa 170 o la terminal positiva 180. En el presente ejemplo, el manguito de soporte 60 está dispuesto dentro de
15 un cuerpo de electrodo consumible 90. Una varilla de empuje selectivamente acoplable 70 es provista para localizar el material evaporatorio 50 dentro de la cámara 20. Las líneas de enfriamiento 80 también pueden ser provistas para estar en
• comunicación con el cuerpo de electrodo consumible 90. En la
20 presente modalidad, el electrodo consumible 40 está eléctricamente aislado mediante el medio de aislamiento de electrodo consumible 250. En la modalidad ejemplar, el medio de aislamiento de electrodo consumible 250 es material Pyrex con una abertura. El electrodo consumible 40 está dispuesto
25 dentro de la abertura del medio de aislamiento 250. La
distancia entre la cámara 20 y el electrodo consumible 40, ocupada por el medio de aislamiento 250, debe ser suficiente para evitar una descarga de arco entre la cámara 20 y el
• electrodo consumible 40, con el fin de que sea efectivo el 5 medio de aislamiento 250. El aparato 10 de la presente invención opera en una presión entre aproximadamente 10 torr a 100 militorr para formar partículas policristalinas, mediante evaporación de arco al vacío. El medio para evacuación 30 está en
10 comunicación con la cámara de vacío 20, y en la modalidad preferida debe ser apto para evacuar la cámara 20 a una presión por debajo de aproximadamente 10"5 torr. Un tubo múltiple de entrada de gas 220 se proporciona para estar en comunicación con la cámara 20, mediante el cual los gases
15 tales como gases inertes, de reacción, de trabajo, o cualquier combinación de los mismos pueden ser proporcionados a la cámara 20. á^ Con referencia nuevamente a la Figura 1, el aparato 10 de la presente invención tiene una terminal negativa 170
20 unida a uno del electrodo consumible 40 o el electrodo no consumible 100, formando de esta manera un cátodo. La terminal positiva 180 está unida al otro del electrodo consumible 40 o electrodo no consumible 100, formando un ánodo. Durante la evaporación, existe un espacio vacío entre
25 el electrodo consumible 40 y el electrodo no consumible 100.
|¡j ,^i*^A ah?fc^^AMj^>ui.-t¿^-^> ^~.. ^....^ ...., . ..—^ . -~»,A~ ... ,JtJt.Uj, Para que la corriente eléctrica viaje desde el cátodo al ánodo, un conductor, tal como un plasma, debe estar presente entre los electrodos. Los materiales evaporados del material fuente 50 proporcionan una trayectoria de arco entre el electrodo no consumible 100 y el electrodo consumible 40. El medio para iniciar una descarga de arco entre el electrodo consumible 40 y el electrodo no consumible 100 forma vapores ionizados del material fuente 50 para proporcionar una trayectoria de arco. Cualquier medio adecuado, conocido en la técnica para iniciar una descarga de arco, puede ser incorporado en el aparato de la presente invención. Dos técnicas que son conocidas en el arte para iniciar una descarga de arco son el encendido de alta frecuencia y el encendido de contacto. En la modalidad preferida de la presente invención, el medio para iniciar una descarga de arco es una técnica de contacto simple. La varilla de empuje 70 está unida adecuadamente al material evaporatorio 50. En la modalidad ejemplar, el material evaporatorio 50 está en la forma de una varilla soportada mediante el manguito de soporte 60, que tiene un diámetro interior suficiente para permitir que el material evaporatorio 50 atraviese el manguito 60. El manguito de soporte 60, puede ser formado de cualquier aislador refractario adecuado, incluyendo Nitruro de Boro (BN) y Oxido de Aluminio (A102) . En la modalidad preferida, la varilla de
empuje 70 está acoplada a ya sea la terminal negativa 170 o la terminal positiva 180 y está formada de Cobre, sin embargo, debe ser evidente para aquellas personas
• experimentadas en la técnica que cualquier material 5 alternativo adecuado puede ser sustituido por el Cobre. En la modalidad ejemplar, el electrodo consumible 40 está acoplado a la terminal negativa 170 del suministro de energía 160 a través de la varilla de empuje 70 para obtener evaporación de arco de cátodo. Como es descrito
10 anteriormente, la evaporación de arco de cátodo tiene
• significantes ventajas sobre la evaporación de arco de ánodo, en que una temperatura mayor puede ser obtenida con la evaporación de arco de cátodo debido al tamaño más pequeño del punto de cátodo que el punto de ánodo. Aunque la
15 evaporación de arco de ánodo trabaja bien para materiales de baja temperatura de fusión, tal como Magnesio, el proceso de evaporación de arco de cátodo en la presente invención se puede emplear para evaporar metales de transición de alta temperatura de fusión que incluyen, Hierro, Molibdeno,
20 Níquel, Tungsteno y Zirconio. En la modalidad ejemplar, la descarga de arco es iniciada al poner en contacto el electrodo consumible 40 con el electrodo no consumible 100. La varilla de empuje 70 es acoplada para hacer contacto con el material fuente 50,
25 dispuesto dentro del electrodo consumible 40, con la punta
«JM.AA.jk.tA^ti*,. «-^nn ». ,.. n dfgjüim iri- u n """' - » -• »- - **->* »~- »• -->» * .«.-.-.»*- „ .^ ,-. * OJ M Á refractaria 110, dispuesta dentro del electrodo no consumible 100. La punta refractaria 110 puede ser formada de cualquier material adecuado conocido en la técnica, incluyendo Tungsteno, Hafnio y Grafito. Idealmente, el material evaporatorio 50 debe tener un punto de fusión menor que la punta refractaria 110. Los problemas de temperatura pueden ser compensados mediante la adición del medio de enfriamiento del electrodo no consumible o el medio de enfriamiento del electrodo consumible, la necesidad para éstas se puede determinar mediante el material fuente 50, entre otros parámetros del proceso. La varilla de empuje 70 está acoplada, mediante lo cual el material evaporatorio 50 hace contacto con, o es llevado en estrecha proximidad lo suficiente a, la punta refractaria 110, para iniciar una descarga de arco. La descarga de arco es formada desde una corriente eléctrica que viaja del cátodo al ánodo, creando una temperatura muy alta, mediante lo cual se evapora una porción del material evaporatorio 50. Los vapores ionizados son formados al pasar una alta corriente a través de un punto muy pequeño para obtener una densidad de corriente suficiente para calentar una porción del material evaporatorio 50 al punto de evaporación. Una vez que son formados los vapores, se provee una trayectoria de arco mediante la cual la corriente eléctrica puede viajar del cátodo al ánodo. En este punto, el
electrodo no consumible 100 y el electrodo consumible 40 pueden ser retirados aparte para formar un espacio vacío. Es dentro de este espacio vacío que ocurre el ciclo continuo de descarga de arco y evaporación. Los materiales que son evaporados son los que proveen una trayectoria para la corriente eléctrica para sostener la evaporación. En la modalidad preferida, la cámara 20 es preparada al evacuar la cámara 20 por debajo de aproximadamente 10"5 torr y luego al liberar un gas de relleno, un gas inerte, vía el tubo múltiple de entrada de gas 220 a la cámara 20, para incrementar la presión de la cámara entre aproximadamente 100 militorr y 10 torr. Esta etapa puede ser repetida un número de veces para retirar los materiales indeseables de la cámara 20. En la modalidad ejemplar, el Argón es el gas de relleno que es utilizado para proporcionar la presión de la cámara correcta. El medio de manejo de presión, tal como una válvula de control de presión, es provisto para mantener la presión de la cámara en toda la producción de las partículas policristalinas. El medio de manejo de presión proporciona el mantenimiento de la presión dentro de la cámara 20, conforme se incrementa la temperatura dentro de la cámara 20. También, a medida que son consumidos los gases de reacción, gases adicionales deben ser proporcionados para mantener la presión de la cámara. El rango de presión de la cámara se ha
I?^?A* ****.^.^. ,. ^XjMi—XX encontrado que es un parámetro de operación importante en la formación de materiales policristalinos. También, si la presión dentro de la cámara 20 llega a ser demasiado alta, la trayectoria de arco será sostenida mediante el gas inerte, opuesto a las especies evaporadas. Si la presión de la cámara llega a ser demasiado baja, las especies evaporadas no se aglomerarán lo suficiente dando por resultado una deposición de película delgada. Una vez que es iniciada la descarga de arco mediante el contacto de los electrodos 40 y 100, y la separación, el material fuente 50 es evaporado para sostener la descarga de arco. En la modalidad preferida, el electrodo no consumible 100 tiene un diámetro más grande que el electrodo consumible 40. Se debe observar que aunque la presente invención describe electrodos con una sección transversal redonda, cualquier geometría de electrodo adecuada puede ser sustituida. El diámetro más grande ayudará al electrodo no consumible 100 a mantener una temperatura de operación menor, debido a la masa térmica más grande. Al reducir la temperatura de operación del electrodo no consumible 100, se reduce la probabilidad de que la punta refractaria 110 se evaporará. En la modalidad ejemplar, el electrodo no consumible 100 tiene un diámetro de aproximadamente 2.54 cm (1 pulgada (1")) y es suficientemente enfriado mediante el medio de enfriamiento de electrodo no
IA.A.A é,?»?^*^.. ... .. . **^ .. ^ ..^a^,,^. ,. ..... . . ... . . > ,.i...i "" consumible 140, y el electrodo consumible 40 tiene un diámetro de aproximadamente 0.635 cm (1/4") o menor. El manguito de soporte 60 aisla los lados del material evaporatorio 50 conformado en la varilla, previniendo la 5 evaporación. Además, el manguito de soporte 60 también previene que el material evaporatorio 50 se desplome, ya que no es poco común que se funda el material evaporatorio 50, puesto que un vapor sustancial solamente es obtenible a una temperatura mayor que el punto de fusión del material á^ 10 evaporatorio 50. Como se afirmó anteriormente, la descarga de arco a presiones por debajo de aproximadamente 10 torr son principalmente soportadas mediante el vapor del electrodo consumible 40, y más específicamente, el material
15 evaporatorio 50 que realmente actúa como una punta para el electrodo consumible 40. Puesto que la descarga de arco de la presente invención es principalmente soportada mediante el material evaporatorio, una porción grande del vapor es
• ionizada. El plasma que es sostenido dentro del espacio vacío
20 en el electrodo no consumible 100 y el electrodo consumible 40 es impulsado lejos de la descarga de arco, o región de plasma, debido a la alta energía de las especies ionizadas, la alta temperatura de la región de plasma y la diferencia de presión entre la región de plasma y la atmósfera circundante. 25 A medida que la mezcla de iones positivamente cargados y especies atómicas neutras, se mueve rápidamente dentro de la
región de plasma, la carga eléctrica es perdida al capturar electrones y la energía térmica es perdida al emitir luz. A medida que continua la expansión, las especies vaporizadas chocan entre sí o con los gases dentro de la cámara. Como se afirmó anteriormente, los gases dentro de la cámara pueden ser gases de relleno, es decir, gases inertes tales como Argón o Helio. También gases reactivos tales como Oxígeno, Nitrógeno e Hidrógeno pueden ser proporcionados a la cámara 20 para reaccionar con las especies evaporadas para formar óxidos, nitruros e hidruros moleculares. Eventualmente, las especies vaporizadas o productos de reacción pierden la mayoria de su energía térmica y llegan a ser sobresaturados. El vapor sobresaturado se forma en núcleos homogéneamente para formar agrupamientos policristalinos. La presión de la cámara controla la velocidad de nucleación de las partículas policristalinas, dando por resultado tamaños de partícula de entre aproximadamente 150 nanómetros y 200 nanómetros. Las partículas policristalinas eventualmente se asientan dentro de la cámara de vacío 20 y son guiadas en un recipiente de recolección de partículas 260 mediante cualquier método adecuado conocido en la técnica. El recipiente de recolección de partículas 260 puede ser aislado de la cámara de vacío 20 mediante una o más válvulas 270. Con referencia ahora a la Figura 4, se muestra una micrografía de microscopio electrónico de exploración de las
ÜJ hH-lt-irt -ttilrt * '*-* —""t— ?riÉMiMiililMitlíiiiitTTiltT ?v- — partículas de Magnesio policristalinas, preparadas mediante la presente invención. La inspección cercana de la micrografía revela tamaños de partícula de entre aproximadamente 100 y 200 nanómetros en diámetro. Un número de partículas aglomeradas conjuntamente forman agrupamientos de partículas. Con referencia ahora a .la Figura 5, se muestra una representación gráfica de un patrón o modelo de difracción de rayos x para Oxiao de Magnesio, indicado por "A" y Oxido de Zirconio indicado por "B", donde el eje X es la intensidad y el eje Y es el ángulo de refracción, también conocido como 2 teta. Las espigas o picos de intensidad de la línea "A" de la Figura 5 muestran que en realidad se produjo Oxido de Magnesio. Las espigas o picos de la línea "B" de la Figura 5 indican que se formaron dos especies separadas de Oxido de Zirconio. El aparato 10 y el método de la presente invención requieren una potencia relativamente baja para formar partículas policristalinas. En general, el voltaje requerido está entre aproximadamente 18-26 voltios, y la corriente esta entre aproximadamente 20-50 amperios. La presente invención puede formar 40 gramos de Magnesio por hora a un voltaje de 20 voltios y corriente de menos de aproximadamente 50 amperios. Para materiales de temperatura de fusión muy alta tal como Zirconio, uno a dos gramos por hora pueden ser
formados a un voltaje de 24 voltios y una corriente de menos de 50 amperios. La presente invención ha demostrado un muy alto rendimiento con potencia relativamente menor en la
• formación de partículas policristalinas. Por consiguiente, se 5 ha mostrado que la simplicidad de la presente invención junto con los bajos requerimientos de potencia, hacen la presente invención una adición bien recibida a la técnica de condensación en fase gaseosa mediante plasma de arco.
10 EJEMPLO 1 • El Magnesio es un material que tiene una alta presión de vapor a temperaturas por arriba de 600 °C. La alta presión de vapor a una temperatura relativamente baja hace al Magnesio un candidato para la producción eficiente de
15 partículas policristalinas mediante la condensación en fase gaseosa de plasma de arco, debido a los requerimientos de temperatura para la evaporación. Una varilla de magnesio que tiene un diámetro de aproximadamente 1.27 cm (media pulgada (1/2")) se proporcionó como el electrodo consumible, y más
20 específicamente, como un ánodo en cuanto a que es conectado a la terminal positiva de un suministro de energía DC. Sin embargo, se debe observar que la polaridad de la varilla de Magnesio puede ser conmutada o cambiada para hacerlo un cátodo consumible. 25 La cámara primero se evacuó mediante bombeo
tÚAm * .Jí?¡íí*í*1...a*a*?*~J~~.^,l?**tL- ? ~. ~, ,.,..„ * . .. ^.^. ........ ..^^..^..^..^ ......„...^...,.^.. ,_,_,.,__. ?.?.,t ^ A mecánico a una presión de 20 militorr, y luego se rellenó nuevamente con gas Argón a una presión de aproximadamente 5 Torr. La etapa de bombeo para bajar la presión de la cámara y rellenar nuevamente, se repite un número de veces para obtener un contenido de Oxígeno dentro de la cámara 20, tan bajo como sea posible. Para encender el arco se utiliza un método de separación de toque directo, aunque también se puede utilizar un plasma de alta frecuencia para iniciar el arco. La luz emitida desde el plasma de arco es verde, el cual es el espectro atómico del Magnesio, indicando que la mayor parte de especies ionizadas es vapor de Magnesio. Una muestra de material particulado de Magnesio se tomó del recipiente y se examinó mediante un microscopio electrónico de exploración (SEM) . El Magnesio es un metal activo y, cuando está en forma de partícula, puede ser flamable cuando se expone al aire. La precaución para el manejo y almacenamiento de estas partículas de Magnesio es muy importante. Una manera efectiva para recolectar y almacenar de manera segura los materiales, se encuentra en un recipiente herméticamente sellado, rellenado con una atmósfera de gas Argón. La muestra de Magnesio tomada para el análisis, que es de solo aproximadamente 1/10 de un miligramo, se extrajo de un recipiente libre de Oxigeno. La capa superficial de partículas de Magnesio es lentamente oxidada dentro del recipiente para hacer la capa superficial inactiva. Los detalles de la morfología de partícula y el tamaño de partícula del material particulado de Magnesio, son mostrados en la Figura 4. La Figura 4 muestra que las partículas están aglomeradas sin cohesión y que la partícula individual tiene morfología esférica o sin faceta. El rango de tamaño de partícula está entre aproximadamente 10 a 200 nanómetros.
EJEMPLO 2 El Oxido de Magnesio (MgO) puro es un material de cerámica refractario para aplicaciones de alta temperatura, tal como un crisol o aislador térmico. Las partículas policristalinas de Oxido de Magnesio tienen la ventaja de una temperatura de sinterización mucho menor que los materiales convencionales. Las partes sinterizadas de partículas policristalinas de Oxido de Magnesio tienen una microestructura más fina, que mejora la dureza y maquinabilídad de las partes. Con el fin de formar partículas policristalinas de Oxido de Magnesio, se requiere una etapa adicional además de las etapas requeridas para formar partículas policristalinas de Magnesio. Se provee ya sea Oxígeno puro o una mezcla de Oxígeno/gas inerte dentro de la cámara para la preparación de Oxido de Magnesio. En el presente ejemplo, se utiliza una mezcla de Oxígeno al 20% (porcentaje volumétrico) con Argón. Se prefiere esta mezcla
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debido a que se observó que el Oxígeno puro reacciona rápidamente con la punta del electrodo consumible para formar una capa de óxido. La capa de óxido disminuye
^ß significativamente la velocidad de vaporización del material 5 evaporatorio, por lo tanto se reduce significativamente la velocidad de producción de las partículas policristalinas de óxido. Debido a que el Magnesio tiene una presión de vapor muy alta, el Magnesio puede ser adaptado para ser evaporado desde ya sea un cátodo consumible o un ánodo consumible. La
10 cámara de presión del presente ejemplo para la producción de Oxido de Magnesio está a 5 torr. El patrón o modelo de difracción de rayos x de las partículas policristalinas de Oxido de Magnesio se muestra en la Figura 5, como la gráfica "A" . 15 EJEMPLO 3 El Zirconio (Zr) es un material que tiene un punto de fusión alto y una baja presión de vapor, por consiguiente
• la evaporación térmica de este metal es extremadamente
20 difícil. Como se discutió anteriormente, un punto de cátodo es distinguido de un punto de ánodo mediante su tamaño del punto, que es estimado que es de unas cuantas mieras o menor.
• La temperatura de un punto de cátodo puede alcanzar 9727 °C
(diez mil (10,000) grados Kelvin) o mayor. La presente
25 invención ha demostrado la capacidad para formar partículas
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policristalinas mediante la condensación en fase gaseosa a partir de la evaporación de arco de plasma de materiales refractarios tal como Zr. En el presente ejemplo, el material fuente, Zr, se provee en la forma de una varilla y se acopla 5 eléctricamente a la guía negativa de un suministro de energía DC, por lo tanto, la varilla de Zr puede ser un cátodo. El arco de Zr es muy estable a una corriente de aproximadamente 50 amperios y un potencial de 22 voltios. En la producción de Oxido de Zirconio, la concentración y presión de la mezcla de
10 Oxígeno/Argón dentro de la cámara 20 es similar a la
• concentración y presión para la producción de Oxido de Magnesio en el ejemplo previo. La eficiencia de rendimiento para el Oxido de Zirconio se estima que es de unos cuantos kilogramos por kilowatt hora (kWh) . El patrón o modelo de
15 difracción de rayos x del Oxido de Zirconio (Zr02) policristalino se muestra en la Figura 5, como la gráfica "B". Por lo tanto, se puede observar claramente que las
• enseñanzas novedosas de la presente invención muestran
20 resolución o garantía para el procesamiento comercial e industrial de partículas policristalinas. Mientras que la invención se ha descrito en relación con las modalidades y procedimientos preferidos, se debe entender que no se propone limitar la invención a las modalidades y procedimientos
25 descritos. Por el contrario, se propone cubrir todas las
ka .*A *.t? ^..?. .~. 8* .8. j-^-**'^^^.^^ -.-.. - -- -.¡-¿ -i alternativas, modificaciones y equivalentes que pueden estar incluidas dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones adjuntas a la presente.