PL174375B1 - Sposób prowadzenia przemiany objętościowej polikrystalicznego tlenku glinowego w szafir - Google Patents

Sposób prowadzenia przemiany objętościowej polikrystalicznego tlenku glinowego w szafir

Info

Publication number
PL174375B1
PL174375B1 PL94303479A PL30347994A PL174375B1 PL 174375 B1 PL174375 B1 PL 174375B1 PL 94303479 A PL94303479 A PL 94303479A PL 30347994 A PL30347994 A PL 30347994A PL 174375 B1 PL174375 B1 PL 174375B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
polycrystalline alumina
sapphire
polycrystalline
alumina
tube
Prior art date
Application number
PL94303479A
Other languages
English (en)
Inventor
Randolph E. Maxwell
Curtis E. Scott
Mary S. Kaliszewski
Marshall G. Jones
Lionel M. Levinson
Carl E. Erikson
Original Assignee
Gen Electric
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Gen Electric filed Critical Gen Electric
Publication of PL174375B1 publication Critical patent/PL174375B1/pl

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B13/00—Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting
    • C30B13/06—Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting the molten zone not extending over the whole cross-section
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B1/00—Single-crystal growth directly from the solid state
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B1/00—Single-crystal growth directly from the solid state
    • C30B1/02—Single-crystal growth directly from the solid state by thermal treatment, e.g. strain annealing
    • C30B1/06—Recrystallisation under a temperature gradient
    • C30B1/08—Zone recrystallisation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B13/00—Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16—Oxides
    • C30B29/20—Aluminium oxides
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S117/00—Single-crystal, oriented-crystal, and epitaxy growth processes; non-coating apparatus therefor
    • Y10S117/903—Dendrite or web or cage technique
    • Y10S117/904—Laser beam

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Compounds Of Alkaline-Earth Elements, Aluminum Or Rare-Earth Metals (AREA)

Abstract

1. Sposób prowadzenia przemiany objetosciowej polikrystalicznego tlenku glino- wego w szafir, w którym stosuje sie cialo z polikrystalicznego tlenku glinowego o zawar- tosci tlenku magnezowego ponizej 100 czesci wagowych na milion, gestosci wiekszej od 3,97 g/cm i wymiarze ziaren mniejszym od 100 µm, znamienny tym, ze przemiane objetosciowa ciala z polikrystalicznego tlenku glinowego przeprowadza sie w stanie stalym przy pomocy zródla energii miejscowej, którym ogrzewa sie to cialo miejscowo do temperatury co najmniej 1800°C, a pozostala czesc ciala z polikrystalicznego tlenku glinowego pozostawia sie w temperaturze ponizej 1800°C, przetrzymuje sie ogrzana miejscowo czesc ciala z polikrystalicznego tlenku glinowego w temperaturze co najmniej 1800°C przez okres od pól do jednej godziny i nastepnie schladza sie to cialo do temperatury pokojowej. PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób prowadzenia przemiany objętościowej polikrystalicznego tlenku glinowego w szafir.
Znany jest sposób wytwarzania polikrystalicznego tlenku glinowego i zastosowanie go w wysokociśnieniowych sodowych lampach wyładowania łukowego, nazywanych lampami wyładowczymi. W opisach patentowych Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3 026 210,4 150 317 i 4 285 732 są przedstawione sposoby wytwarzania polikrystalicznego tlenku glinowego o dużej gęstości, o poprawionym przepuszczaniu światła widzialnego, przy wykorzystaniu stosunkowo czystego proszku tlenku glinowego i małych ilości tlenku magnezowego.
W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4 285 732 jest przedstawione zastosowanie dodatku tlenku cyrkonowego i dwutlenku hafnu do tlenku glinowego domieszkowanego tlenkiem magnezowym, aby zmniejszyć prawdopodobieństwo wydzielania się fazy spinelowej i przesadnego lub zbyt małego rozrostu ziaren podczas spiekania. Polikrystaliczny tlenek glinowy wykorzystywany w lampach wyładowczych, otrzymany zgodnie ze sposobami przedstawionymi w tych opisach patentowych, ma średni wymiar ziaren w zakresie od 15 pm do 100 pm. Wadą związaną z zastosowaniem polikrystalicznego tlenku glinowego w lampach wyładowczych jest to, że stanowi on materiał tylko częściowo przepuszczalny dla światła, a sód w łuku reaguje z tlenkiem glinowym na granicach ziaren, tworząc glinian sodu, który skraca żywotność lampy. Zwiększone wewnętrzne ciśnienie cząstkowego sodu w lampie łukowej z polikrystalicznym tlenkiem glinowym poprawia jakość barw i zapewnia bielsze światło emitowane, jednak jeszcze bardziej skraca żywotność lampy. Sód, który migruje przez ścianę komory łukowej, osadza się na wewnętrznej ścianie bańki lampy, powodując brązowawe plamy. Te
174 375 problemy występują w mniejszym stopniu w przypadku lamp łukowych z szafirem, to jest monokryształem tlenku glinowego.
Szafirowe rury łukowe stosowane jako komory łukowe dla wysokociśnieniowych lamp z wyładowaniem łukowym są wytwarzane różnymi sposobami, na przykład zmodyfikowaną metodą Czochralskiego, w której wykorzystuje się kryształ zarodkowy i matrycę ze stopionym tlenkiem glinowym, z którego wyciąga się w sposób ciągły rurę. Sposób ten jest powolny. Inny znany sposób, zwany metodą strefy pływającej, polega na tym, że pręt do podawania polikrystalicznego tlenku glinowego wprowadza się z określoną szybkością do strefy ogrzewania, w której promieniowanie laserów lub innych źródeł skupionego ciepła ogniskuje się na pręcie. Włókno szafirowe wyciąga się w sposób ciągły z wymaganą szybkością i równocześnie przesuwa się pręt podający tak, że proces przebiega w sposób ciągły. Sposób ten stosuje się przede wszystkim do wytwarzania włókien szafirowych i nie jest łatwy do zastosowania przy wytwarzaniu rury z monokryształu tlenku glinowego, chociaż takie zastosowanie jest ujawnione w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3 943 324. Natomiast w japońskim opisie patentowym nr 62-28118 jest przedstawiony proces piecowy do przemiany rur z polikrystalicznego tlenku glinowego w rury szafirowe.
Sposób według wynalazku polega na tym, że przemianę objętościową ciała z polikrystalicznego tlenku glinowego przeprowadza się w stanie stałym przy pomocy źródła energii miejscowej, którym ogrzewa się to ciało miejscowo do temperatury co najmniej 1800°C, a pozostałą część ciała z polikrystalicznego tlenku glinowego pozostawia się w temperaturze poniżej 1800°C, przetrzymuje się ogrzaną miejscowo część ciała z polikrystalicznego tlenku glinowego w temperaturze co najmniej 1800°C przez okres od pół do jednej godziny i następnie schładza się to ciało do temperatury pokojowej.
Korzystnie jako źródło energii miejscowej stosuje się laser.
Korzystnie stosuje się zawartość tlenku magnezowego poniżej 70 części wagowych na milion najkorzystniej poniżej 50 części wagowych na milion.
Korzystnie stosuje się ciało z polikrystalicznego tlenku glinowego bez zawartości tlenku magnezowego.
Korzystnie stosuje się polikrystaliczny tlenek glinowy o równoosiowej strukturze ziaren.
Korzystnie stosuje się ciało z polikrystalicznego tlenku glinowego, mająca ziarna o średnim wymiarze poniżej 70 pm i zawartości tlenku magnezowego poniżej 50 części wagowych na milion.
Zaletą wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania szafiru z polikrystalicznego tlenku glinowego w sposób prosty, bez konieczności stapiania zasadniczej części struktury, która podlega przemianie tak, że otrzymany monokryształ ma w zasadzie takie same wymiary i kształt jak przedmiot polikrystaliczny. Sposób prowadzenia przemiany w stanie stałym umożliwia wytworzenie przedmiotów monokrystalicznych mających nierównomierne, asymetryczne i złożone kształty, jak również proste kształty. Sposób według wynalazku jest skuteczny również przy poborze mniejszej energii i w krótszym czasie potrzebnym do wytworzenia struktury monokryształu szafiru ze struktury polikrystalicznego tlenku glinowego.
Proces w stanie stałym dla przemiany objętościowej polikrystalicznego tlenku glinowego w szafir jest prowadzony przy użyciu źródła energii miejscowej doprowadzanej do przedmiotu podlegającego przemianie. Przez przemianę objętościową rozumie się proces, w którym czoło monokryształu rozchodzi się na odległości makroskopowe, na przykład większe od 1)0 pm. Dzięki wykorzystaniu procesu przemiany w stanie stałym wytwarza się materiał polikrystaliczny o strukturze mającej kształty proste lub złożone i następnie poddaje się go przemianie w monokryształ szafiru, bez konieczności stapiania całego przedmiotu poddawanego przemianie, dzięki czemu zachowuje się jego pierwotny kształt.
Przedmiot z polikrystalicznego tlenku glinowego o dużej gęstości jest poddawany przemianie w szafir w procesie przemiany w stanie stałym, w którym wykorzystuje się źródło energii miejscowej, doprowadzanej do części tego przedmiotu i utrzymuje się to źródło energii skierowane na część przedmiotu przez okres czasu wystarczający do przemiany całego przedmiotu z polikrystalicznego tlenku glinowego w szafir. Jako miejscowe źródło energii wykorzystuje się źródło energii laserowej CO2 do przemiany rury z polikrystalicznego tlenku glinowego w rurę
174 375 z szafiru poprzez skierowanie wiązki laserowej tylko na jeden koniec pustej rury z polikrystalicznego tlenku glinowego, co powoduje przemianę całej rury w szafir w okresie czasu krótszym niż jedna godzina. Przed użyciem lasera do przemiany rur z polikrystalicznego tlenku glinowego w szafir, rury takie, zawierające także tlenek magnezowy w ilości około 325 części wagowych na milion, są ogrzewane w piecu elektrycznym oporowym w celu zmniejszenia ilości występującego tlenku magnezowego.
Szafir wytwarzany sposobem według wynalazku różni się od szafiru naturalnego i innych szafirów syntetycznych strukturą z całkowicie wolnymi porami i teksturą powierzchni stanowiącą strukturę topograficzną o nieznacznej falistości, mającej najwyższe punkty w przybliżeniu w punktach środkowych falistości istniejącej przed przemianą dla każdego ziarna polikrystalicznego tlenku glinowego i nieznacznie obniżone obszary odpowiadające granicom ziaren przed przemianą.
Przedmiot wynalazku jest objaśniony w oparciu o przykład wykonania uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1(a) przedstawia schematycznie urządzenie laserowe do prowadzenia przemiany polikrystalicznego tlenku glinowego w szafir sposobem według wynalazku, fig. 1(b)
- element skupiający wiązkę laserową na rurze z polikrystalicznego tlenku glinowego, fig. 1(c)
- położenie pirometru optycznego podczas przemiany i fig. 2 - optyczną mikrografię w powiększeniu 200-krotnym, pokazującą teksturę powierzchni szafiru wytworzonego sposobem według wynalazku.
Figura 1 (a) przedstawia schematycznie urządzenie laserowe do przemiany polikrystalicznego tlenku glinowego w szafir sposobem według wynalazku, zawierające laser 50 emitujący wiązkę laserową 59, która jest odbijana przez zwierciadło 52 i kierowana z powrotem przez rurową obudowę 54 i nie pokazane okno z germanu do przezroczystej komory 56 z pleksiglasu, w której występuje atmosfera zawierająca głównie argon z pewną ilością powietrza, a następnie poprzez soczewkę ogniskującą 58, która zmniejsza wymiary wiązki i kieruje wiązkę laserową o zmniejszonych wymiarach na jeden koniec pustej rury 60 z polikrystalicznego tlenku glinowego w miejscu 61. Rura 60 ma długość 100 mm, średnicę zewnętrzną 5,5 mm i grubość ściany około 0,5 mm. Wiązka laserowa 59 jest dostarczana przez 150-watowy laser CO2 fali ciągłej, który jest stosowany jako źródło miejscowej energii. Średnica wiązki laserowej wychodzącej z lasera 50 wynosi 12 mm i w jednym przykładzie wykonaniajest ogniskowana do średnicy 1mm w miejscu 61 przy pomocy soczewki ogniskującej 58.
W innym przykładzie wykonania jest stosowana cylindryczna soczewka ogniskująca do ogniskowania wiązki laserowej do postaci prostokąta o szerokości w przybliżeniu 1/4 mm i długości 2-3 mm, przy czym wymiar ten jest równoległy do osi wzdłużnej rury 60. W obu tych przykładach wykonania wiązka laserowa jest prostopadła do osi wzdłużnej rury 60 z polikrystalicznego tlenku glinowego. Ogniskowanie wiązki laserowej do prostokąta lub koła o średnicy 1 mm daje odpowiednio liniowe i punktowe źródło ogrzewania. W jeszcze innym przykładzie wykonania, w którym wiązka laserowa jest ogniskowana do średnicy 1 mm, wiązka laserowa jest dostarczana do rury pod kątem innym niż 90°, w celu zapewnienia źródła ogrzewania o kształcie owalnym. We wszystkich przykładach wykonania pusta rura 60 z polikrystalicznego tlenku glinowego jest obracana wokół osi wzdłużnej z szybkością około 200 obrotów na minutę przy pomocy silnika 62, przy czym rura 60 jest utrzymywana przez uchwyt 63. Miejsce 61 ogniskowania znajduje się w przybliżeniu 10 mm od wolnego końca rury 60. Ogniskowanie wiązki laserowej do średnicy 1 mm lub do kształtu prostokąta zapewnia punktowe albo liniowe źródło ogrzewania a obracanie rury wokół osi wzdłużnej jest dokonywane po to, aby uzyskać ogrzewanie obwodowe, które daje w wyniku skuteczne pierścieniowe źródło ogrzewania wokół struktury rurowej.
Zamiast obracania rury można zastosować podział wiązki laserowej ogniskowanej w kilku punktach wokół obwodu. Można zastosować także więcej niż jedną wiązkę laserową lub wiązka laserowa może być odbijana od reflektora w kształcie stożkowym, umieszczonego we wnęce eliptycznej, aby zapewnić pierścieniowe źródło ogrzewania. Temperaturę powierzchni rury z polikrystalicznego tlenku glinowego sprawdza się w różnych momentach czasu i w różnych punktach wzdłuż osi wzdłużnej, za pomocą pirometru optycznego 64 przedstawionego na fig. 1(c) w położeniu powyżej rury 60 i silnika 62. Moc lasera zwiększa się powoli w okresie 45 minut
174 375 w celu ogrzania rury z polikrystalicznego tlenku glinowego powoli, aby uniknąć pęknięcia rury spowodowanego nagłą zmianą temperatury, co nastąpiłoby w przypadku, gdyby szybkość ogrzewania była za duża. Końcowa maksymalna moc stosowanego lasera wynosi 120 watów, co powoduje wzrost temperatury powierzchni zewnętrznej rury w miejscu 61 do wartości powyżej około 1800°C.
Maksymalną temperaturę, którą pirometr optyczny był w stanie mierzyć z dowolną dokładnością, była temperatura 1800°C. Moc wiązki laserowej była utrzymywana na poziomie 120 watów w miejscu 61, przy czym rura obraca się podczas przemiany całej rury z polikrystalicznego tlenku glinowego w szafir czyli monokryształ tlenku glinowego. W jednym przykładzie doświadczalnym obserwowano topienie powierzchni w miejscu, gdzie wiązka laserowa była ogniskowana na rurze z polikrystalicznego tlenku glinowego, co oznaczało, że temperatura powierzchni wynosiła przynajmniej 2050°C, co stanowi temperaturę topienia szafiru. Jednak uważa się, że ta wysoka temperatura występuje tylko na powierzchni i prawdopodobnie nie przechodzi poprzez podwójną ścianę rury, ponieważ rura nie zapadała się ani nie wyginała się podczas tego doświadczenia. W innych przykładach doświadczalnych nie występowało widoczne topienie powierzchni. W obu przypadkach, przy występowaniu lub bez topienia powierzchni, cała rura z polikrystalicznego tlenku glinowego o długości 100 mm ulegała przemianie w szafir, nawet jeśli wiązka laserowa była kierowana tylko na mały obszar na jednym końcu rury. Podczas jednego doświadczenia, gdy wiązka laserowa była ogniskowana na wolnym końcu rury z polikrystalicznego tlenku glinowego, rura podlegała powolnej przemianie 1 mm wzdłuż osi wzdłużnej, co minimalizowało prawdopodobieństwo szoku cieplnego rury w miejscu 61 ogniskowania wiązki laserowej.
Rura z polikrystalicznego tlenku glinowego była z powodzeniem przemieniania w szafir we wszystkich tych doświadczeniach, zarówno przy występowaniu jak i bez bardzo małego ruchu poprzecznego oraz przy występowaniu jak i bez miejscowego topienia powierzchni. Po przetrzymaniu ogrzanej części pierścieniowej rury 60 w temperaturze około 1800°C, mierzonej przez pirometr, przez okres od pół do jednej godziny, moc lasera była powoli zmniejszana do poziomu zerowego w ciągu 45 minut i rurę pozostawiano schłodzeniu do temperatury pokojowej. Cały cykl procesu zajmował od 2 do 3 godzin.
Przemiana polikrystalicznego tlenku glinowego w szafir zachodzi podczas procesu w stanie stałym. Wartości temperatury mierzonej przez pirometr optyczny na długości rury z polikrystalicznego denku glinowego podczas procesu przemiany są podane w poniższej tabeli 1. Przemiana polikrystalicznego tlenku glinowego w szafir następowała w odległości nawet większej od 100 mm od ogniska lasera na rurze. Wartości przedstawione w tabeli wykazują, że przemiana ta następowała przy temperaturach w objętości rury znacznie niższych niż 2050°C, to oznacza temperaturę topienia tlenku glinowego. Odczyty temperatury są przybliżone, ponieważ nie ma standardów wzorcowania odpowiadających układowi szafiru, jednak odczyty uważa się za wykonane z dokładnością do ± 100°.
Tabela 1
Pomiar temperatury przez pirometr optyczny wzdłuż rury z polikrystalicznego tlenku glinowego
Odległość (w mm) od ogniska lasera Przybliżona temperatura
na rurze (°C)
0 1800-2050*
5 1300
10 800
>13** <600
* Wartość graniczna dla pirometru jest 1800°C, temperatura topienia denku glinowego jest 2050°C, próbka miała temperaturę powyżej 1800°C, lecz nie była stopiona.
** Całkowita długość badanej rury przemienianej w szafir wynosi 100 mm.
174 375
Określenie materiału szafiru wytwarzanego sposobem według wynalazku zostało dokonane przy zastosowaniu badania mikroskopowego optycznego, badania mikroskopowego elektronicznego (SEM), analizy rentgenowskiej dyfrakcyjnej, technik odbicia wstecznego Lauego i rentgenograficznej metody procesji. Analiza SEM wykazała, że rura z szafiru wytworzona sposobem według wynalazku miała strukturę topograficzną w postaci nieznacznych falistości, co pokazano na fig. 2, z najwyższymi punktami w przybliżeniu w punkcie środkowym obszarów, w których występowały ziarna polikrystalicznego tlenku glinowego przed procesem przemiany, oraz obszary nieznacznie obniżone, odpowiadające granicom poprzednich ziaren rury z polikrystalicznego tlenku glinowego. Parametry sieci krystalicznej komórki kryształu materiału wytwarzanego sposobem według wynalazku określono przy zastosowaniu analizy rentgenowskiej dyfrakcyjnej. Parametry sieci wynosiły: a=4,759 A i c=12,991 A, które odpowiadają danym dotyczącym monokryształu tlenku glinowego alfa (szafiru). Techniki odbicia wstecznego Lauego i rentgenograficzna metoda precesji były stosowane do potwierdzenia, że materiał wytworzony sposobem według wynalazku był monokryształem. Obie techniki potwierdziły, że została utrzymana stała orientacja na długości materiału.
Figura 2 przedstawia mikrografię optyczną w powiększeniu 200-krotnym, wykonaną poprzez mikroskop optyczny, dla odcinka rury z polikrystalicznego tlenku glinowego. Widoczne są granice pomiędzy ziarnami krystalicznymi oraz szafir wykonany podczas procesu według wynalazku. Jaśniejszy obszar to szafir, w którym można zauważyć nieznacznie obniżone punkty usytuowane tam, gdzie były granice ziaren przed przemianą polikrystalicznego tlenku glinowego w szafir. Powierzchnia szafiru ma teksturę o strukturze topograficznej w postaci nieznacznych falistości mających najwyższe punkty w przybliżeniu w punkcie środkowym obszarów, w których były ziarna polikrystalicznego tlenku glinowego przed przemianą, oraz nieznacznie obniżone obszary odpowiadające granicom ziaren przed przemianą.
Materiałem wyjściowym, który okazał się użyteczny przy przeprowadzaniu sposobu według wynalazku, w którym ciało z polikrystalicznego tlenku glinowego jest przemieniane w szafir, jest ciało z polikrystalicznego tlenku glinowego alfa stosunkowo czystego, wolnego od mikropęknięć, ponieważ mikropęknięcia przeciwdziałają przesuwaniu się czoła kryształu szafiru, a więc przeciwdziałają przemianie polikrystalicznego tlenku glinowego w szafir. Oznacza to ogólnie, że ciało z polikrystalicznego tlenku glinowego ma średni wymiar ziaren krystalicznych poniżej 100 μm, korzystnie nie większy od 70 pm, a najkorzystniej nie większy od 50 pm. Gęstość jest większa od 3,90 g/cm3, a zwykle większa od 3,97 g/cm3. Gęstość polikrystalicznego tlenku glinowego typu Lucalox, stosowanego w doświadczeniach, wynosi przynajmniej 3,97 g/cm3 i zwykle około 3,98 g/cm3. Ciało z polikrystalicznego tlenku glinowego ma korzystnie w zasadzie jednakowy wymiar ziaren, o średnim wymiarze ziaren w zakresie około 15-70 pm, a najkorzystniej pomiędzy około 20-50 pm. Przez wymiar ziarna rozumie się średni wymiar ziarna mierzony techniką liniowego przecinania toru ASTM El 12-88. Polikrystaliczny tlenek glinowy powinien mieć kryształy większe niż 99% wagowych tlenku glinowego alfa i wolne od zanieczyszczeń, których ilość przeciwdziałaby przemianie ciała z polikrystalicznego tlenku glinowego w szafir. Przykładem jest tu tlenek magnezowy w ilości rzędu 100 wppm, który przeciwdziałałby przemianie polikrystalicznego tlenku glinowego w szafir. Wobec tego tlenek magnezowy powinien występować w ilości mniejszej od 100 wppm, korzystnie poniżej 70 wppm, a najkorzystniej poniżej 50 wppm. Przez ilość poniżej 50 wppm rozumie się zawartość w polikrystalicznym tlenku glinowym zerową tlenku magnezowego lub 0-50 wppm.
Materiał wyjściowy polikrystalicznego tlenku glinowego może być przygotowany z proszku tlenku glinowego i właściwych domieszek lub może to być dostępny w handlu materiał z polikrystalicznego tlenku glinowego spełniający wymagania co do czystości, gęstości, wymiaru ziaren itd., na przykład polikrystaliczny tlenek glinowy typu Lucalox firmy General Electric Company z USA, który ma równoosiową strukturę ziaren i w zasadzie jednakowy wymiar ziaren, rzędu 20-35 pm dla przeciętnego kryształu lub ziarna.
W przypadku ziaren o średnim wymiarze, o średnicy w przybliżeniu 26 pm, większość, tj. ponad 50% ziaren ma wartość średnicy od około 20 pm do około 30 pm przy czym żadne ziarna nie są większe od 100 pm i kilka tj. ponad 1% jest większych od 70 pm. Tlenek magnezowy MgO występuje w ilości około 300-400 wppm i omawiany polikrystaliczny tlenek
174 375 glinowy ma temperaturę topienia około 2050°C. Typowa analiza chemiczna tego materiału, który zawiera 99,9% tlenku glinowego, jest przedstawiona poniżej:
Pierwiastek śladowy Si Fe Ca Mg K Na Li Mo Cr Cu
Mierzone ppm 50 4 7 180 50 80 <1 10 2 4
Wartość 180 wppm magnezu jest równoważna 325 wppm tlenku magnezowego, co stanowi typowy poziom tlenku magnezowego występującego w tym materiale. Gęstość spieczonego polikrystalicznego tlenku glinowego typu Lucalox wynosi zwykle przynajmniej 3,97 g/cm3 i zbliża się do 3,98 g/cm3, co daje wygląd przezroczysto-biały. Jeżeli ilość tlenku magnezowego występującego w materiale Lucalox jest zbyt duża, aby pozwolić na jego przemianę w szafir sposobem według wynalazku, ilość występującego w nim tlenku magnezowego należy zmniejszyć do poziomu poniżej 100 wppm, korzystnie poniżej 70 wppm, a najkorzystniej poniżej 50 wppm w celu umożliwienia tej przemiany.
Tlenek magnezowy można usunąć przez ogrzanie ciała z polikrystalicznego tlenku glinowego w atmosferze zawierającej wodór, w próżni lub w gazie obojętnym do temperatury pomiędzy około 1700-1980°C. Ogrzanie ciała z polikrystalicznego tlenku glinowego do tego zakresu temperatur w celu zmniejszenia zawartości tlenku magnezowego, po którym schłodzenie do temperatury pokojowej, jest realizowane powoli, aby zapobiec szokowi cieplnemu i pęknięciom tego ciała. Przeprowadzano to w prosty sposób w wysokotemperaturowym piecu elektrycznym oporowym przez powolne ogrzanie ciała z polikrystalicznego tlenku glinowego do temperatury około 1880°C w suchym wodorze, utrzymanie w temperaturze 1880°C i następnie powolne schłodzenie do temperatury pokojowej. Korzystne jest zastosowanie wodoru mającego temperaturę rosy poniżej 0°C. Im bardziej suchy jest wodór, tym mniej czasu jest potrzebne do usunięcia tlenku magnezowego. W innych przypadkach można zastosować temperatury i atmosfery zmniejszające zawartość tlenku magnezowego. Próbki o większej grubości będą wymagały zastosowania dłuższego czasu.
W przypadku omawianego polikrystalicznego tlenku glinowego typu Lucalox w postaci pustej rury mającej średnicę 5,5 mm i grubość ściany 1/2 mm, konieczne było około 9-12 godzin do zmniejszenia zawartości tlenku magnezowego w temperaturze 1880°C do poziomu poniżej 50 wppm. Poziom tlenku magnezowego określano we wszystkich przypadkach przy zastosowaniu analizy plazmowej. Najmniejszą wartością graniczną tlenku magnezowego mierzonego tą metodą było 10 wppm.
Przy realizacji sposobu według wynalazku można wykorzystać dowolny dostępny materiał z polikrystalicznego tlenku glinowego, mający własności przedstawione powyżej, nawet bez zawartości tlenku magnezowego. W razie potrzeby można zastosować jako materiał wyjściowy cząsteczkowy tlenek glinowy o właściwym stopniu czystości, na przykład typu Baikowskiego CR-10, wykorzystując techniki dające materiał polikrystalicznego tlenku glinowego o dużej gęstości i własnościach opisanych powyżej.
Wynalazek można zrealizować także stosując modyfikacje, na przykład źródło miejscowej energii może stanowić jeden lub więcej laserów albo jedna lub więcej lamp grzejnych, których promieniowanie jest ogniskowane przy pomocy reflektorów. Można zastosować palnik plazmowy, susceptor ogrzewany prądem o wielkich częstotliwościach w pobliżu części artykułu z polikrystalicznego tlenku glinowego przemienianego w szafir, strefę ogrzewaną bezpośrednio lub mikrofalami albo strefę ogrzewaną energią o wielkich częstotliwościach albo wiązką elektronów lub cząstek o wielkiej energii. Jeszcze inne źródło miejscowej energii zawiera materiał stopionego tlenku glinowego lub inny właściwy materiał, w którym to przypadku część artykułu z polikrystalicznego tlenku glinowego, poddawanego przemianie w szafir, jest zanurzana lub styka się ze stopionym ciałem, aby poddać przemianie cały przedmiot w szafir. Jeżeli temperatura stopionego ciała wynosi co najmniej 2050°C, spowoduje to przynajmniej częściowe stopienie części przedmiotu stykającej się ze stopionym ciałem, zgodnie z wymaganiami stawianymi przez wynalazek.
174 375
Sposób według wynalazku obejmuje przykład wykonania, w którym nie występuje widoczne stopienie części przedmiotu z polikrystalicznego tlenku glinowego poddawanego przemianie, jak również wykonanie, w którym podczas przemiany w szafir następuje stopienie powierzchniowe lub stopienie objętościowe części przedmiotu z polikrystalicznego tlenku glinowego. W niektórych przypadkach można wytworzyć przedmiot z polikrystalicznego tlenku glinowego mający część protektorową, która nie jest potrzebna w końcowym przedmiocie z szafiru. Wówczas może być korzystne spowodowanie stopienia, powierzchniowego lub objętościowego całej lub fragmentu części protektorowej przedmiotu z polikrystalicznego tlenku glinowego podczas przemiany w szafir, a następnie usunięcie części protektorowej, pozostawiając wymagany przedmiot.
174 375
Fig. 2
174 375
Μ
Fig. I (a)
174 375
Fig. Kb)
174 375
Fig. i (c)
Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 4,00 zł

Claims (6)

  1. Zastrzeżenia patentowe
    1. Sposób prowadzenia przemiany objętościowej polikrystalicznego tlenku glinowego w szafir, w którym stosuje się ciało z polikrystalicznego tlenku glinowego o zawartości tlenku magnezowego poniżej 100 części wagowych na milion, gęstości większej od 3,97 g/cm3 i wymiarze ziaren mniejszym od 100 pm, znamienny tym, że przemianę objętościową ciała z polikrystalicznego tlenku glinowego przeprowadza się w stanie stałym przy pomocy źródła energii miejscowej, którym ogrzewa się to ciało miejscowo do temperatury co najmniej 1800°C, a pozostałą część ciała z polikrystalicznego tlenku glinowego pozostawia się w temperaturze poniżej 1800°C, przetrzymuje się ogrzaną miejscowo część ciała z polikrystalicznego tlenku glinowego w temperaturze co najmniej 1800°C przez okres od pół do jednej godziny i następnie schładza się to ciało do temperatury pokojowej.
  2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako źródło energii miejscowej stosuje się laser.
  3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się zawartość tlenku magnezowego poniżej 70 części wagowych na milion, korzystnie poniżej 50 części wagowych na milion.
  4. 4. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że stosuje się ciało z polikrystalicznego tlenku glinowego bez zawartości tlenku magnezowego.
  5. 5. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że stosuje się polikrystaliczny tlenek glinowy o równoosiowej strukturze ziaren.
  6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się ciało z polikrystalicznego tlenku glinowego, mające ziarna o średnim wymiarze poniżej 70 pm i zawartości tlenku magnezowego poniżej 50 części wagowych na milion.
PL94303479A 1993-05-21 1994-05-16 Sposób prowadzenia przemiany objętościowej polikrystalicznego tlenku glinowego w szafir PL174375B1 (pl)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/064,386 US5427051A (en) 1993-05-21 1993-05-21 Solid state formation of sapphire using a localized energy source

Publications (1)

Publication Number Publication Date
PL174375B1 true PL174375B1 (pl) 1998-07-31

Family

ID=22055603

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL94303479A PL174375B1 (pl) 1993-05-21 1994-05-16 Sposób prowadzenia przemiany objętościowej polikrystalicznego tlenku glinowego w szafir

Country Status (11)

Country Link
US (1) US5427051A (pl)
EP (1) EP0625594B1 (pl)
JP (1) JPH0782074A (pl)
KR (1) KR100288661B1 (pl)
BR (1) BR9402034A (pl)
CA (1) CA2122387A1 (pl)
DE (1) DE69423811T2 (pl)
ES (1) ES2144487T3 (pl)
HU (1) HU213445B (pl)
PL (1) PL174375B1 (pl)
TW (1) TW291475B (pl)

Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5451553A (en) * 1993-09-24 1995-09-19 General Electric Company Solid state thermal conversion of polycrystalline alumina to sapphire
US6126889A (en) * 1998-02-11 2000-10-03 General Electric Company Process of preparing monolithic seal for sapphire CMH lamp
US6583563B1 (en) 1998-04-28 2003-06-24 General Electric Company Ceramic discharge chamber for a discharge lamp
US7297037B2 (en) * 1998-04-28 2007-11-20 General Electric Company Ceramic discharge chamber for a discharge lamp
US6214427B1 (en) 1998-08-28 2001-04-10 General Electric Company Method of making an electronic device having a single crystal substrate formed by solid state crystal conversion
US6299681B1 (en) 1998-11-27 2001-10-09 General Electric Company Single crystal conversion control
US6126741A (en) * 1998-12-07 2000-10-03 General Electric Company Polycrystalline carbon conversion
US6414436B1 (en) 1999-02-01 2002-07-02 Gem Lighting Llc Sapphire high intensity discharge projector lamp
US6475942B1 (en) * 2000-09-05 2002-11-05 General Electric Company Conversion of polycrystalline alumina to single crystal sapphire using molybdenum doping
WO2002022920A1 (fr) * 2000-09-18 2002-03-21 Daiichi Kigenso Kagaku Kogyo Co., Ltd. Materiau monocristallin de grenat des terres rares et de fer et son procede de preparation, et dispositif comprenant un materiau monocristallin de grenat des terres rares et de fer
US6873108B2 (en) * 2001-09-14 2005-03-29 Osram Sylvania Inc. Monolithic seal for a sapphire metal halide lamp
US20060071603A1 (en) * 2004-10-04 2006-04-06 Levis Maurice E Ultra high luminance (UHL) lamp with SCA envelope
CN100374626C (zh) * 2005-01-20 2008-03-12 北京工业大学 激光生长蓝宝石晶体的方法及其装置
US8157912B2 (en) 2007-09-11 2012-04-17 Osram Sylvania Inc. Method of converting PCA to sapphire and converted article
US20100101387A1 (en) * 2008-10-24 2010-04-29 Kedar Prasad Gupta Crystal growing system and method thereof
US20110179992A1 (en) * 2008-10-24 2011-07-28 Schwerdtfeger Jr Carl Richard Crystal growth methods and systems
DE102008053856A1 (de) 2008-10-30 2010-05-12 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Flexible und infiltrierbare Bündel aus Keramik- oder Metallfasern mit stark vergröbertem Gefüge und Verfahren zu deren Herstellung
WO2011050170A2 (en) * 2009-10-22 2011-04-28 Advanced Renewable Energy Company Llc Crystal growth methods and systems
US10052848B2 (en) 2012-03-06 2018-08-21 Apple Inc. Sapphire laminates
US9221289B2 (en) 2012-07-27 2015-12-29 Apple Inc. Sapphire window
US9232672B2 (en) 2013-01-10 2016-01-05 Apple Inc. Ceramic insert control mechanism
US9632537B2 (en) 2013-09-23 2017-04-25 Apple Inc. Electronic component embedded in ceramic material
US9678540B2 (en) 2013-09-23 2017-06-13 Apple Inc. Electronic component embedded in ceramic material
US9154678B2 (en) 2013-12-11 2015-10-06 Apple Inc. Cover glass arrangement for an electronic device
US9225056B2 (en) 2014-02-12 2015-12-29 Apple Inc. Antenna on sapphire structure
US10406634B2 (en) 2015-07-01 2019-09-10 Apple Inc. Enhancing strength in laser cutting of ceramic components
GB2593950A (en) 2020-04-08 2021-10-13 Corning Inc Solid state conversion of polycrystalline material

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US988230A (en) * 1910-05-10 1911-03-28 Heller & Son L Process of producing synthetic sapphires.
US3026210A (en) * 1961-01-03 1962-03-20 Gen Electric Transparent alumina and method of preparation
US3382047A (en) * 1964-12-14 1968-05-07 Ibm Preparing large single crystalline bodies of rare earth chalcogenides
US3591348A (en) * 1968-01-24 1971-07-06 Tyco Laboratories Inc Method of growing crystalline materials
US3564328A (en) * 1968-07-29 1971-02-16 Corning Glass Works Ceramic articles and method of fabrication
US3944640A (en) * 1970-09-02 1976-03-16 Arthur D. Little, Inc. Method for forming refractory fibers by laser energy
US3943324A (en) * 1970-12-14 1976-03-09 Arthur D. Little, Inc. Apparatus for forming refractory tubing
US3998686A (en) * 1975-03-10 1976-12-21 Corning Glass Works Sapphire growth from the melt using porous alumina raw batch material
US4058699A (en) * 1975-08-01 1977-11-15 Arthur D. Little, Inc. Radiant zone heating apparatus and method
GB1595518A (en) * 1977-03-11 1981-08-12 Gen Electric Polycrystalline alumina material
US4402787A (en) * 1979-05-31 1983-09-06 Ngk Insulators, Ltd. Method for producing a single crystal
US4248369A (en) * 1979-08-02 1981-02-03 General Electric Company Laser cutting of ceramic tubing
JPS5692190A (en) * 1979-12-27 1981-07-25 Toshiba Ceramics Co Ltd Oxide single crystal body and its production
US4285732A (en) * 1980-03-11 1981-08-25 General Electric Company Alumina ceramic
US4437109A (en) * 1980-11-07 1984-03-13 General Electric Company Silicon-on-sapphire body with conductive paths therethrough
JPS5792591A (en) * 1980-11-28 1982-06-09 Ngk Insulators Ltd Production of single crystal
JPS6221794A (ja) * 1985-07-17 1987-01-30 Matsushima Kogyo Co Ltd 集光加熱装置によるブル−サフアイア単結晶の製造方法
US4629377A (en) * 1985-07-30 1986-12-16 Fellows Corporation Disposable disk cutter
EP0237103B1 (en) * 1986-03-11 1991-11-21 Koninklijke Philips Electronics N.V. Composite body
JPS62278198A (ja) * 1986-05-27 1987-12-03 Matsushima Kogyo Co Ltd 集光フロ−テイングゾ−ン法によるブラツクスタ−サフアイアの製造方法
JPS6311591A (ja) * 1986-07-01 1988-01-19 Matsushita Electric Ind Co Ltd 単結晶セラミクスの製造方法
JPS63117985A (ja) * 1986-11-06 1988-05-21 Matsushita Electric Ind Co Ltd 酸化物単結晶の製造法
DE3834964A1 (de) * 1988-01-27 1989-08-10 Siemens Ag Verfahren zur herstellung mindestens einer schicht aus einem metalloxidischen supraleitermaterial mit hoher sprungtemperatur
US5200370A (en) * 1990-11-16 1993-04-06 Fiber Materials, Inc. Monocrystalline ceramic fibers and method of preparing same

Also Published As

Publication number Publication date
CA2122387A1 (en) 1994-11-22
DE69423811D1 (de) 2000-05-11
JPH0782074A (ja) 1995-03-28
ES2144487T3 (es) 2000-06-16
KR100288661B1 (ko) 2001-05-02
TW291475B (pl) 1996-11-21
HU9401426D0 (en) 1994-08-29
EP0625594A2 (en) 1994-11-23
HU213445B (en) 1997-06-30
BR9402034A (pt) 1994-12-27
US5427051A (en) 1995-06-27
HUT67806A (en) 1995-03-14
DE69423811T2 (de) 2001-02-15
EP0625594B1 (en) 2000-04-05
EP0625594A3 (en) 1996-04-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
PL174375B1 (pl) Sposób prowadzenia przemiany objętościowej polikrystalicznego tlenku glinowego w szafir
US5549746A (en) Solid state thermal conversion of polycrystalline alumina to sapphire using a seed crystal
US5451553A (en) Solid state thermal conversion of polycrystalline alumina to sapphire
CA2141131C (en) Conversion of doped polycrystalline material to single crystal material
Eyer et al. A double-ellipsoid mirror furnace for zone crystallization experiments in spacelab
US3943324A (en) Apparatus for forming refractory tubing
HU203587B (en) Process for growing shaped one-cristals of optically transparent metal compound of high melting point
US4197157A (en) Method for forming refractory tubing
JP2003221246A (ja) 部分的にまたは完全にガラス化したＳｉＯ２成形体の製造方法および該成形体
JP2007145611A (ja) サファイア単結晶製造方法及びその製造装置
Kooy Zone melting of oxides in a carbon-arc image furnace
US5540182A (en) Conversion of polycrystalline material to single crystal material using bodies having a selected surface topography
JPH0337181A (ja) 希土類金属と遷移金属とからなる巨大磁歪合金ロツドの製造方法
Field et al. Thermal imaging for single crystal growth and its application to ruby
Lan et al. On the Design of Double‐Ellipsoid Mirror Furnace and its Thermal Characteristics for Floating‐Zone Growth of SrxBa1‐xTiO3 Single Crystals
JPS6032126Y2 (ja) 単結晶製造装置
Bagdasarov et al. Application of Laser Heating to Crystal Growth
JPH02218997A (ja) シンクロトロン放射光用ミラー
JPH0364085A (ja) クリソベリル固体レーザ
JPH02183202A (ja) 金属ミラー
JPS596178B2 (ja) ア−クイメ−ジ炉を用いた加熱後目的物急冷方法
JPH06122585A (ja) 単結晶育成法
Nistor et al. Preparation and properties of ultratransparent NaCl single crystals
JPH02183201A (ja) 金属ミラー
JPH02149664A (ja) 酸化物超電導体の製造装置