Способ получения поликристаллического оптического материала на основе щелочно-галоидных соединений Советский патент 1984 года по МПК C30B33/00 C30B29/12 

1 Изобретение относится к технологии изготовления поликристаллических оптических материалов на основе щелочно-галоидных соединений и может а.1ть использовано в оптической технике, премущественно в инфракрасной. Галогениды щелочных металлов являются самыми прозрачными из ИК-мате риалов в свчзи с малым значением пок зателя преломления и их прозрачность меньше всего зависит от температур в сравнении с другими материалами, применяемыми в средней и дальней ИКобласти Спектра. В ряде случаев низкие механические характеристики щелоч но-галоидных монокристаллов ограничи вают их практическое применение. Пре дел текз чести материала и его прочностные характеристики можно увеличить путем поликристаллизации, так как границы зерен эффективно препятствуют движению дислокации. Снижение размера зерна в галогенидах щелочных металлов приводит к возрастанию предела текучести, не изменяя ИК-спектра поглощения. Известен способ получения тонких поликристалпических пленок на основе щелочно-галоидиых соединений конденсацией из паровой фазы на подложку Си Этим способом получают пленки тол щиной до нескольких микрон. В связи с маленькой толщиной и требуемой высокой плотностью пленок скорость осаждения материала составляет поряд ка нескольких сотен ангстрем в секун ду. Щелочно-галоидные пленки обладают плохой химической и структурной стабильностью, что ограничив.ает их практическое применение. Полученные щелочно-галоидные пленки применяют в экспериментальных исследованиях как модельные элементы, причем при меняют совместно с подложкой. Известен способ изготовления поликристаллического оптического материала плас-тической деформацией монокристаллов, который заключается в деформировании сжатием в условиях воздействия большого давления на моНокристаллическ заготовку, помещен ную между двумя пластинами. Для достидения требуемого размера зерна получаемых поликристаллических образ цов выбирают определенную температуру, скорость деформации, степень деформации. В частности, при помощи 62 этого способа получают поликристаллические щелочные галогениды: хлорид калия, бромид калия, хлорид натрия, фторид лития и др. Например, монокристаллы хлорида калия размерами 10-10-25 мм деформируют при 300 400°С под нагрузкой 700-1200 кг. Степень деформации составляет 84%. Данный способ позволяет получать мелкозернистые (50-80 мкм) поликристаллы щелочных галогенидов в условиях, обеспечивакнцих отсутствие примесей. Механические и эксплуатационные хара кте рис тики поликристалличе ско го оптического материала,полученного таким способом,существенно повьппаются по сравнению с монокристаллами. При этом ухудшение оптических характеристик и, в частности, прозрачности в ИК-области спектра не происходит 2. Однако во время деформации заготовки монокристалла происходит искажение формы.в силу различной пластичности монокристалла по различным направлениям скольжения. Полученный поликристаллический образец обнаруживает высокую степень ориентировки осей кристаллов (текстурирование) и малые угловые границы зерна. В результате этого каждый образец сохраняет в большей степени свойства симметрии монокристалла и проявляет ту же самую сильную анизотропию механических свойств типа упругой деформации. Для получения указанным способом оптических поликристаллических щелочно-галоидных материалов необходимо иметь высококачественные монокристаллы, выращивание которых связано с многими трудностями. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ получения поликристаллического оптического материала на основе щелочно-галоидных соединений, включающий получение исходного кристаллического порошка щелочно-галоидных соединений и последующее его рекристаллизационное прессование. Способ заключается в рекристаллизационном прессовании порошка фтористого лития при 400-500 С и давлении 5,0-10,0 т/см. Такие поликристаллические материалы прозрачны в видимой и инфракрасной области спектра СзХ Однако поликристаллические оптические материалы, изготовленные из порошка, как правило, обладают низКИМ коэффициентом пропускания в видимой и ближней ИК-области спектра, так как порошки имеют развитую удель ную поверхность, которая увеличивает возможность загрязнения исходного порошка различными примесями при син тезе материала, его транспортир овке, хранении и т.д. Применение метода прессования порошков при изготовлении оптических поликристаллов требует дополнительно очищенного сырья. В случае использования Сырья, не прошедшего такой спе циальной очистки, полученные оптичес кие щелочно-галоидные поликристаллы обладают низкими оптическими характеристиками. Например, образцы поликристаллов на основе хлорида и бромида калия, полученные методом рекристаллизационного прессования порошков марок ДА, ОСЧ, имеют коэффициент пропускания 1-5% в облас ти спектра 10-40 мкм при толщине образца 5 мм. Целью изобретения является повышение оптического качества поликристаллического материала и упрощение Процесса его получения. Поставленная цель достигается тем что согласно способу получения поликристаллического оптического материа ла на основе щелочно-галоидных соеди нений, включающему приготовление исходного кристаллического материала и его последующее деформирование, исходный материал готовят в виде поликристаллического блока путем газофазного осаждения на подложку, нагре тзло до АОО-УОО С, со скооостью 0,000 0,05 с последукицим отделением блока от подложки, а деформирование ведут при давлении 0,5 3,0 т/см. Сущность способа заключается в том, что получают поликристаллические щелочно-галоидные блоки путем газофазного осаждения на подложку, нагретую до АОО-УОО С со скоростью ,005-0,05 . Блоки отделяют от подложки и деформируют методом рекристаллизационного прессования в вакууме при 0,45-0,85 ТплК деформируемого вещества, давлении 0,5-3 т/с (выдерживают под давлением 5-90 мин) и степени деформации блоков 10-80%. . Конкретную температуру деформации, давление, время вьщержки под давлением, температуру подложки, температуру испарения определяют для каждого соединения отдельно. Щелочно-галоидные блоки получают газофазным осаждением в вакууме, причем для их получения возможно применение сырья, степень очистки которого гораздо меньше, чем у сырья, из которого вьфащивают монокристаллы и изготавливают оптическую керамику из порошков. Переход из твердой или жидкой фазы в газообразную происходит без диссоциации щелочно-галоидных соединений, поэтому блоки получают стехиометрического состава. При этом происходит очистка материала как от легколетучих примесей, так как при данньсх температурах подложки предотвращается конденсация или захват летучих примесей конденсирующимся паром, так и от высококипящих, в т.ч. и от кислородсодержащих. При скоростях конденсации 0,0005 0,05 моль получают поликристаллические блоки с плотностью 80-99% от теоретической, при этом они имеют вакуумные закрытые поры, что , дотвращает попадание вовнутрь материала различных примесей при хранении и транспортировке поликристаллических блоков. При скорости конденсации меньше 0,005 моль. наблюдается рост крупных монокристаллических блоков на отдельных участках подложки. При скорости конденсации больше 0,05 плотность блока недостаточна и наблюдается заметная пористость. Скорость конденсации регулируют путем подбора темпе1затуры, а также площади поверхности камеры испарения и подложки. Температурой подложки можно регулировать структуру получаемых поликристаллических блоков. При температуре , подложки менее 400°С осадок образуется в виде аморфной непрерывной пленки, так как адсорбированные атомы обладают малой подвижностью. Только при температуре подложки 400 атомы могут мигрировать друг к другу и образовьшать отдельные кристаллические зародьш1и, которые затем разрастаются до поликристаллических блоков. При температурах более 700®С.:,происходит расплавление получаемого поликристаллического блока-. С целью получения плотности полИкристаллических блоков, близких к теоретической, и создания равномерной структуры щелочно-галоидные блоки деформируют при температурах 0,450,85 ТплК, давлении 0,5-3 т/см, времени вьщержки под давлением 5-90 мин, степени деформации 10-80%-. Деформируемые поликристаллические блоки обладают более однородной, изотропной структурой, чем аналогичные деформируемые монокристаллы, так как блоки имеют уже свою поликристаллическую структуру. Использование при деформировании блоков давления менее 0,5 т/см приводит к снижению коэффициента пропускания менее 30% в области длин волн 2,5-40 мкм. Увеличение давления при деформации блоков вьще 3,0 т/см нецелесообразно, так как не приводит к увеличению козффциента пропускания а применение больших давлений приводит к необходимости использования дорогостоящих высокопрочных материалов для изготовления пресс-форм. Кроме того, при высоких давлениях происходит расслоение блока по плоскостям, перпендикулярным оси давления. Пример 1. Калий хлористый марки ОСЧ- -3/1Уб-09-3845 загружают в контейнер, который помещают на дно цилиндрической камеры диаметром 40 мм закрьшаемой крышкой, одновременно служащей и подложкой. Все детали кон струкции вьтолнены из кварцевого стекла. Камеру откачивают до давления 10 мм рт.ст. и разогревают так, что контейнер (испаритель) имеет 800°С, а крышка (подолжка) . Скорость осаждения при указанном режиме составляет 0,01 моль .Очищенный продукт получается в виде поликристаллического блока с размером зерна 1-1,5 мм. Плотность блока составляет 87%. Деформацию поликристаллического блока осуществляют в пресс форме из хромоникелевого сплава . ЭИ-675, которую помещают в пресспечь , находящуюся под вакуумом рт.ст. Пресс-форму нагревают до (0,61 плК) и с целью выравнивания температуры по блоку делается вьщержка в течение 20 мин. Материал деформируют под давлением 2 т/см в течение 30 мин, степень деформации 50%. Полученный при этих условиях оптичеекий поликристаллический материал представляет собой материал практически с теоретической плотностью, с размером зерна 50-80 мкм. Коэффициент пропускания образца при толщине 5 мм на длине волны 10 мкм составляет 90-92%. Пример 2. Калий бромистый марки ЧДА ГОСТ 4160-74 загружают в конструкцию, описанную в примере 1. Камеру откачивают до давления iO мм рт.ст. и разогревают так, что испаритель имеет , а подложка . Скорость осаждения при указаном режиме составляет 0,006 моль-х X . Очищенный материал получают в виде поликристаттического блока с размером зерна 0,8-1,2 мм. Плотность блока составляет 85%. Деформацию поликристаллического блока осуществляют в пресс-форме из хромоникелевого сплава ЭИ-675, которую помещают в пресс-печь и вакуумируют до остаточного давления 10 мм рт.ст. Прессформу нагревают до (0,471 плК) и вьодерживают с целью выравнивания температуры по блоку в течение. 20 мин. Материал де юрмируют под давлением 3 т/см в течение 5 мин, степень деформации 25%. Полученный при зтих условиях поликристаллический материал представляет собой материал практич1ески с теоретической плотностью, с размером зерна 60-90 мкм. Коэффициент пропускания образца при толщине 5 мм на длине волны 10 мкм сгитавляет 90-92%. П ри м ер 3. Калий бромистый марки Ч ГОСТ 4160-74 загружают в конструкцию, огпнсанную в примере 1. ;Камеру откачивают до давления 10 мм рт.ст. и разогревают так, что испаритель имеет 750С, а подложка 450 С. Скорость осаждения при указанном режиме составляет 0,007 моль х X . Очищенный продукт получают в виде поликристаллического блока с размером зерна 0,6-0,8 мм. Плотность блока составляет 87%. Деформацию поликристаллического блока осуществляют в пресс-форме из хромоникелевого сплава ЭИ-675, которую помещают в пресс-печь, находящуюся под вакузгмом Ю мм рт.ст. Прессформу нагревают до 560°С (0,82 ТплК) и с целью выравнивания темпера гры по блоку выдерживают в течение 20 мин. Материал деформируют под давлением 0,8 т/см в течение 15 мин, степень деформации 20%. Полученный при этим условиях оптический поликристаллический материал представляет собой материал практически с теоретической плотностью, с размером зерна 150-200 мкм. Коэффициент пропускания образца при толцине 5 мкм на длине волны 10. мкм составляет 9092%. П р и м е р 4. Натрий хлористый марки ОСЧ, загружают в конструкцию описанную в примере t. Камеру откачивают до давления 10 мм рт.ст, и разогревают так, что испаритель имеет , а подложка . Скорость осаждения при указанном режиме составляет 0,02 мольсм /ч. Очищенный продукт получают в виде поликристал- лического блока с размером зерна 60-80 мкм. Плотность блока составляет 90%. Де«1юрмацию поликристаллического блока осуществляют в пресс-форме из хромоникелевого сплава ЭИ-675, который помещают в пресс-печь, находящуюся по вакуумом 10 мм рт.ст. Пресс-форму нагревают до 250 С 11 28 (0,49 ТплК) и с целью выравнивания температуры по блоку выдерживают в течение 20 мин. Материал деформируют под давлением 1,5 т/см в течение 90 мин, степень деформации 30%. Полученный при этих условиях оптический поликристаллический материал практически с теоретической плотностью, с размером зерна 60-80 мкм. Коэффициент пропускания образца при толпщне 5 мм на длине волны 10 мм составляет 9092%. Таким образом, дредлагаемый способ позволяет значительно увеличить коэффциент пропускания поликристашшческого оптического материала (с 1 50% по известному до 90-92% по пред-. лагаемому способам), а исключение стадии дополнительной очистки исходных порошков по сравненшо с известным способом упрощает технологический процесс получения поликристалляческих оптических материалов.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ОПТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ЩЕШЧНО-ГАЛОВДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, включающий приготовление исходного кристалпического материала и его последующее деформирование, о тличающийся тем, что, с целью повышения оптического качества материала и упрощения процесса, исходный материал готовят в виде поликристаллического блока путем газофазного осаждения на подложку, нагретую до 400-700С, со скоростью 0,00050,05 моль см /ч с последукяцим отделением блока от подложки, a деформирование ведут при давлении 0,5 3,0 т/см.