способ выращивания звездчатых монокристаллов тугоплавких окислов по методу вернейля

Формула изобретения

1. Способ выращивания звездчатых монокристаллов тугоплавких окислов по методу Вернейля, включающий подачу шихты, состоящей из оксида алюминия, диоксида титана и окрашивающей добавки, в камеру кристаллизации через центральный канал двухканальной сопловой горелки с коаксиальным расположением каналов, подачу водорода и кислорода, плавление шихты в зоне фронта кристаллизации и роста затравочного кристалла и последующий отжиг полученного кристалла, отличающийся тем, что через периферийный канал горелки подают гремучую смесь водорода и кислорода при процентном их содержании, равном 100 : 50, а по центральному каналу дополнительно под избыточным давлением по отношению к гремучей смеси подают кислород с обеспечением окислительной атмосферы в зоне плавления шихты при общем соотношении водорода и кислорода, равном от 100 : 51 до 100 : 60, причем шихта содержит диоксид титана в расчете на оксид алюминия в количестве, равном: TiO₂ = 0,4 - 1,0 мас.%.

2. Способ по п.2, отличающийся тем, что выращивание монокристалла осуществляют при температуре в зоне роста затравочного кристалла, равной 2030 - 2100^oС с перепадом температуры между фронтом кристаллизации и внутренней стенкой камеры кристаллизации, не превышающем 100^oС.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе выращивания кристалла скорость его роста задают из диапазона 0,7 - 2,0 мм/ч с обратной зависимостью от концентрации диоксида титана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству монокристаллов корунда и других тугоплавких веществ по методу Вернейля, в частности кристаллов сапфира и рубина с эффектом астеризма, которые иначе называются звездчатыми.

Известен способ выращивания кристаллов методом Вернейля с высокой степенью оптической однородности, по которому через центральный канал многоканальной горелки в камеру кристаллизации подают шихту, а через другие каналы подают чередующиеся потоки кислорода и водорода. В зоне фронта кристаллизации и роста на затравочном кристалле осуществляют плавление шихты, причем наружную стенку камеры кристаллизации нагревают дополнительными потоками кислорода и водорода, подаваемыми сверху через каналы дополнительной горелки (патент РФ 1820925, кл. С 30 В 11/10, 1993).

Данный способ позволяет получить кристаллы, из которых изготавливают лазерные рабочие элементы, но он мало пригоден для получения кристаллов с эффектом астеризма, так как в этом случае шихта должна содержать определенное количество диоксида титана.

Известен процесс производства звездчатого кристалла группы рубинов и сапфиров по методу Вернейля (патент США 2488507, НКИ 63-32, 1947). По данной технологии порошок окиси алюминия с добавлением от 0,1 до 0,3 мас.% диоксида титана, а также с добавлением или без добавления небольшого процента окрашивающих оксидов, пропускают через кислородно-водородное пламя, где он плавится и скапливается на огнеупорной подставке. При этом рубинам цвет придают с помощью окиси хрома до 2 мас.%. Для синих (голубых) сапфиров используют до 0,5 мас. % окиси железа. Сапфиры других цветов получают, добавляя к окиси алюминия небольшие количества другого или нескольких других оксидов, таких как оксиды марганца, кобальта, ванадия и никеля. Астеризм в кристалле, содержащем диоксид титана, получают путем выдерживания его при температуре 1100-1500^oС в течение более 2 ч. К недостаткам данного способа можно отнести сложность процесса выращивания кристалла, содержащего диоксид титана в указанном диапазоне концентраций. Кроме того, хотя полученный данным способом кристалл и обладает астеризмом, однако характеризуется недостаточной прозрачностью и имеет низкие ювелирные свойства.

Известен способ получения синтетического корунда, обнаруживающего астеризм, выбранный в качестве прототипа (патент ФРГ 1002300, 1957). По данному способу синтетические корунды с эффектом астеризма получают в пламени гремучего газа при использовании оксида алюминия в качестве исходного материала с добавлением 0,31-0,52 мас. % диоксида титана. Причем с течением времени температуру пламени гремучего газа постоянно увеличивают благодаря постепенному изменению отношения кислорода и водорода с 40: 100 до 49:100 (гремучая смесь), а время выращивания кристалла увеличивают в два-шесть раз по сравнению с обычным временем проведения процесса роста кристаллов. Затем полученный шарообразный корунд нагревают в безкислородной атмосфере при температуре 1100-1500^oС в течение длительного времени. В данном способе пламя горелки и атмосфера печи обладает восстановительными свойствами, поскольку водород подается в камеру сгорания в избытке. При этом горелка для создания кислородно-водородного пламени в печи работает на разделенных газах, а сам процесс смешения осуществляется непосредственно в камере сгорания. Поскольку смешение газов происходит непосредственно в камере сгорания, то существуют значительные флуктуации концентрации водорода, что в конечном счете ухудшает процесс цветообразования. Для улучшения процесса смешения газов в данном способе используется многоканальная горелка с чередующейся подачей кислорода и водорода, по периферийному каналу которой подают водород, а по центральному - кислород с шихтой. Поскольку диоксид титана ТiO₂ является неизоморфной примесью, то выращивание кристаллов с концентрацией диоксида титана 0,5 мас.% и выше по данному способу затруднено из-за возникновения различных дефектов, трещин, паразитных фаз.

Преимущественное содержание водорода в атмосфере газов печи при высоких температурах при вакуумном способе выращивания дает перевод примеси ионов Тi⁴⁺ в состояние Тi³⁺. Поэтому в кристаллах, полученных данным способом, было отмечено полное отсутствие ионов Тi⁴⁺. Это объясняется тем, что при высоких температурах титан может легко изменять свою валентность с четырех до трех и даже двух (Багдасаров Х.С., Карягин В.Ф., Кеверков А.М. и др. Кристаллография, 1994, с.39, 656-658). К тому же скорость роста при этом не должна превышать 0,5 мм/ч, что делает процесс выращивания кристаллов малоэффективным. К недостаткам данного способа можно отнести также низкие ювелирные качества получаемых кристаллов из-за наличия в них ионов Тi³⁺. Кристаллы получаются темными, полупрозрачными.

Задачей изобретения является повышение ювелирных качеств кристалла: прозрачности, насыщенности цветовой окраски, повышение эффекта астеризма, а также достижение более высокой степени совершенства кристаллов, гарантирующей его огранку, полирование и реализацию в качестве ювелирного изделия. Кроме того, задачей данного способа является повышение эффективности процесса выращивания кристаллов.

Поставленная задача решается тем, что в способе выращивания звездчатых монокристаллов тугоплавких окислов по методу Вернейля, включающем подачу шихты, состоящей из оксида алюминия, диоксида титана и окрашивающей добавки, в камеру кристаллизации через центральный канал двухканальной сопловой горелки с коаксиальным расположением каналов, подачу водорода и кислорода, плавление шихты в зоне фронта кристаллизации и роста затравочного кристалла и последующий отжиг полученного кристалла, через периферийный канал горелки подают гремучую смесь водорода и кислорода при процентном их содержании, равном 100: 50. По центральному каналу дополнительно под избыточным давлением по отношению к гремучей смеси подают кислород для обеспечения окислительной атмосферы в зоне плавления шихты при общем соотношении водорода и кислорода, равном от 100:51 до 100:60. Причем шихта содержит диоксид титана в расчете на оксид алюминия в количестве, равном: ТiO₂ = 0,4-1,0 мас.%.

При этом выращивание монокристалла осуществляют при температуре в зоне роста затравочного кристалла, равной 2030-2100^oС с перепадом температуры между фронтом кристаллизации и внутренней стенкой камеры кристаллизации, не превышающем 100^oС, а скорость роста кристалла задают из диапазона 0,7-2,0 мм/ч, с обратной зависимостью от концентрации диоксида титана.

Хорошие результаты по выращиванию титансодержащих корундов (Ti⁴⁺) были получены тогда, когда смешение газов производилось задолго до их попадания в камеру сгорания. Жесткое соотношение Н₂ и О₂, равное 100:50, достигалось получением гремучей смеси методом электролиза воды без разделения газов на чистые компоненты. Смесь газов подавалась в камеру сгорания через периферийный канал двухканальной горелки. Для создания в камере окислительной атмосферы через центральный канал непосредственно в горелку подавали небольшую добавку О₂ таким образом, чтобы общее соотношение Н₂ к О₂ находилось в пределах от 100: 51 до 100:60. Пределы изменения относительных концентраций водорода и кислорода в пламени определяются, с одной стороны, снижением температуры факела пламени горелки при увеличении концентрации О₂ с другой стороны - обеспечением окислительных свойств пламени и атмосферы, а также устранением обратного удара пламени при малых расходах газов, особенно на этапах разогрева печи и затравливания кристалла. Относительная погрешность поддержания уровня расходов газов при проведении процесса роста кристаллов не должна превышать 2-3%, а чистота газов гремучей смеси и кислорода должна быть максимальной. Кроме того, для исключения каких-либо примесей в атмосфере печи шихта не подвергается никакой химической обработке.

Качество кристаллов, выращиваемых методом Вернейля, в значительной мере зависит от величины радиальных и осевых градиентов температуры. Высокие значения температурного градиента приводят к раскалыванию кристалла в виде були на две половины. Поэтому температурный перепад между выращиваемым кристаллом и стенкой муфеля печи в зоне роста кристалла должен быть в пределах 10-100^oС.

Добавка диоксида титана в шихту, в отличие от окрашивающих добавок оксидов железа и хрома, даже в небольших количествах приводит к ухудшению роста кристаллов вследствие усиления при этом эффекта блочности вплоть до образования спеков. Это обусловлено низкой растворимостью TiO₂ (Ti⁴⁺) в твердом Al₂О₃ вследствие его неизоморфности. В этом случае при больших скоростях роста кристалла быстро достигается концентрационное переохлаждение расплава в зоне роста и ухудшение качества растущего кристалла. Чтобы этого не происходило, необходимо по мере повышения концентрации TiO₂ существенно уменьшать скорость роста кристалла. Повышение содержания диоксида титана TiO₂ позволяет получать кристаллы сапфиров и рубинов с ярковыраженным эффектом астеризма, поэтому содержание TiO₂ должно быть как можно в большем количестве. Однако увеличение концентрации TiO₂ выше 0,5 мас.% приводит к получению непрозрачных черных по цвету образцов. В заявляемом способе проведение процесса роста кристалла в окислительной среде позволяет при повышенных концентрациях диоксида титана сохранить цвет кристаллов, прозрачность и высокую степень их совершенства. Кроме того, предложенный способ позволяет осуществлять процесс роста кристалла при скоростях до 2 мм/ч.

По заявляемому способу выращивание кристалла осуществляют в течение 3-4 ч до получения були диаметром 6-7 мм и высотой 10-12 мм, с целью сохранения условия изотермичности их роста, после чего кристаллы охлаждают до комнатной температуры, а в дальнейшем проводят их отжиг по известным технологиям. В частности отжиг проводят в вакууме при температуре 1400-1500^oС в течение 2-3 ч. На данном этапе отжига кристаллов, содержащих повышенный процент ионов Ti⁴⁺, возникает эффект астеризма в связи с кристаллизацией TiO₂ в форме рутила по объему. При этом игольчатые кристаллы рутила ориентируются по кристаллографическим направлениям в плоскости (0001).

После отжига полученные були гранятся кабошоном, ось которого совпадает с осью третьего порядка кристалла. В дальнейшем ограненные кристаллы подвергают второму отжигу при температуре 1400-1500^oС в течение 1 ч. Второй отжиг способствует усилению рекристаллизации рутила в приповерхностных зонах кабошона до образования звездчатого эффекта при отражении света от точечного источника. Полученные кристаллы в диапазоне концентрацией TiO₂, равной 0,4-1,0 мас. %, были прозрачными, имели равномерную по объему окраску, а их поляризованные спектры поглощения в видимой области во многом совпадали со спектрами аналогичных природных образцов.

Пример 1. Приготавливалась шихта в виде тонкого порошка Al₂O₃ (пудры) с чистотой, равной 99,9% и диаметром частиц 1-25 мкм, в которую добавляли окрашивающую добавку Fe₂O₃ c концентрацией 0,3 мас.%, а также TiO₂ c концентрацией 0,5 мас.%. Шихта хорошо перемешивалась, просеивалась и просушивалась.

Затравочный кристалл, лейкосапфир, имел форму усеченной четырехгранной пирамиды высотой 4 мм и размером верхнего основания 2х2 мм или форму усеченного конуса аналогичных размеров.

Температура печи с затравочным кристаллом в течение 30 мин повышалась до температуры 2050^oС до оплавления верхней поверхности затравочного кристалла при общем расходе газов 100-120 л/ч. При этом расход газов поддерживался с точностью 2-3%, а распределение компонентов газа по объему печи было практически идеальным за счет использования гремучего газа, полученного на основе электролиза с жестким соотношением Н₂ и О₂, равным 100:50. Гремучий газ подавался по периферийному каналу двухканальной горелки. По центральному каналу горелки дополнительно под избыточным давлением подавался О₂ для обеспечения общего соотношения Н₂ и О₂ в пламени горелки, равным 100:60.

Шихта подавалась по центральному каналу, при этом дозатор шихты включался на расход, обеспечивающий первоначальную скорость затравливания 3 мм/ч. Процедурой нагнетания при увеличении в 2-2,5 раза расхода гремучей смеси диаметр выращиваемого кристалла доводился до 6-7 мм в течение 0,5-1 ч, а соотношение газов Н₂ и О₂ уменьшалось до 100:51. В дальнейшем рост кристалла проходил со скоростью 2 мм/ч в течение 3-4 ч при температуре 2030^oС при перепаде температуры между фронтом кристаллизации и внутренней стенкой камеры кристаллизации, не превышающем 100^oС. В последующем проводили охлаждение выращенного кристалла до комнатной температуры со скоростью не более 50^o в 1 мин.

Выращенные кристаллы массой до 12 карат были цилиндрической формы высотой 10-12 мм. На заключительной стадии процесса кристаллы отжигались в вакуумной печи в течение 2-3 ч при температуре 1400-1500^oС, подвергались огранке кабошоном и повторному отжигу при той же температуре в течение 1 ч.

В результате были получены прозрачные кристаллы светло-голубого цвета с эффектом астеризма.

Следует отметить, что совместное введение оксидов титана и железа приводит к возникновению в расплаве "бичастиц" на основе комплекса с переносом заряда Fe³⁺ - Ti⁴⁺, которые захватываются границей растущего кристалла. Разные соотношения добавок оксидов железа и титана могут давать примерно одинаковую окраску кристаллов. Однако предпочтительными и ценными являются образцы с большим содержанием диоксида титана и меньшим содержанием оксида железа. В частности, "васильковый" цвет сапфира был получен при соотношении оксидов Fe₂O₃ : TiO₂, равном 0,5 : 0,75 мас.%, данный процесс описан в примере 2.

Пример 2. Приготавливалась шихта в виде тонкого порошка Al₂O₃ (пудры) с диаметром частиц 1-25 мкм, в которую добавляли окрашивающую добавку Fe₂O₃ с концентрацией 0,5 мас.%, а также TiO₂ с концентрацией 0,75 мас.%. Шихта хорошо перемешивалась, просеивалась и просушивалась.

Все параметры процесса были аналогичными примеру 1 за исключением температуры в зоне кристаллизации, скорости затравливания и скорости роста кристаллов.

Затравливание кристалла осуществлялось со скоростью, равной 1 мм/ч при температуре 2100^oС.

Скорость роста кристалла задавалась согласованным процессом опускания кристалла и расходования шихты. Из-за увеличения процента содержания TiO₂ в шихте скорость ее расхода уменьшали в 2-3 раза по сравнению с примером 1, т. е. обеспечивали скорость роста кристалла, равной 0,7 мм/ч. При этом процесс роста кристалла удлинился на 2-3 ч. Температура роста кристалла составляла 2080^oС.

Режимы отжига были также аналогичны примеру 1.

В результате были получены кристаллы прозрачных темно-синих сапфиров массой до 12 карат с хорошо выраженным эффектом астеризма.

Пример 3. Приготавливалась шихта в виде тонкого порошка Al₂O₃ (пудры) с диаметром частиц 1-25 мкм, в которую добавляли окрашивающую добавку Cr₂O₃ c концентрацией 2,0 мас. %, а также TiO₂ с концентрацией 0,75 мас.%. Шихта хорошо перемешивалась, просеивалась и просушивалась.

Все параметры процесса были аналогичными примеру 1 за исключением температуры в зоне кристаллизации, скорости затравливания и скорости роста кристалла.

Затравливание кристалла осуществлялось со скоростью 1,5 мм/ч при температуре 2100^oС.

Скорость роста кристалла задавалась, равной 1 мм/ч. Процесс кристаллизации осуществлялся при температуре 2100^oС в течение 5 ч.

Режимы отжига были также аналогичны примеру 1.

В результате были получены прозрачные кристаллы рубинов насыщенного красного цвета с хорошо выраженным эффектом астеризма.

Предлагаемый способ позволяет получать ювелирные кристаллы высокой степени совершенства, обладающие прозрачностью, цветовой насыщенностью и равномерностью окраски, а также повышенным эффектом астеризма. Получаемые кристаллы способны подвергаться огранке и полированию без разрушения. Кроме того, способ повышает эффективность процесса выращивания кристаллов.