способ получения монокристаллов (его варианты)
Классы МПК: | C30B29/16 оксиды C30B29/22 сложные оксиды C30B11/02 без использования растворителей C01G25/02 оксиды |
Автор(ы): | Александров В.И., Борик М.А., Вишнякова М.А., Войцицкий В.П., Калабухова В.Ф., Ломонова Е.Е., Осико В.В. |
Патентообладатель(и): | Александров Владимир Ильич, Борик Михаил Александрович, Вишнякова Мария Анатольевна, Войцицкий Владимир Петрович, Калабухова Валентина Федоровна, Ломонова Елена Евгеньевна, Осико Вячеслав Васильевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-07-25 публикация патента:
27.07.1999 |
Изобретение относится к выращиванию синтетических монокристаллов и промышленно применимо при изготовлении ювелирных изделий, а также высокопрочных оптических деталей (небольших окон, линз, призм и т.п.). Решается задача увеличения размеров монокристаллов и улучшения их оптической однородности. Шихта 8 содержит диоксид циркония и оксид стабилизирующего металла. На трубки 2 помещают слой 6 теплоизолирующей засыпки, шихту 8 и отходы монокристаллов 9. Расплавление шихты 8 и отходов 9, инициируемое металлом 10, осуществляют с помощью индуктора 4 и высокочастотного генератора 5, при одновременном охлаждении контейнера водой. Контейнер перемещают относительно катушки 4 со скоростью 0,5-1,5 мм/ч, если не используется реверсивное вращение контейнера и затравочные монокристаллы. Могут быть использованы реверсивное вращение контейнера и затравочные монокристаллы. Изобретение позволяет увеличить размеры монокристаллов и улучшить их оптическую однородность. 3 с. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
Формула изобретения
1. Способ получения монокристаллов на основе стабилизированного диоксида циркония, включающий загрузку расплавляемых компонентов в контейнер с охлаждаемыми стенками, их плавление с образованием расплава в гарнисаже и последующую направленную кристаллизацию расплава путем перемещения контейнера относительно индуктора, выведение контейнера из зоны нагрева и охлаждение полученных монокристаллов, отличающийся тем, что расплавляемые компоненты берут в количестве, обеспечивающем объем расплава не менее 5 л, и загружают в контейнер диаметром не менее 250 мм, на дно контейнера и поверх расплавляемых компонентов помещают слои теплоизолирующей засыпки того же состава, а на слой теплоизолирующей засыпки на дне контейнера помещают расплавляемые компоненты, а при направленной кристаллизации контейнер перемещают со скоростью от 0,1 до 5,0 мм/ч до полного выведения расплава из зоны нагрева. 2. Способ получения монокристаллов на основе стабилизированного диоксида циркония, включающий загрузку расплавляемых компонентов в контейнер с охлаждаемыми стенками, их плавление с образованием расплава в гарнисаже и последующую направленную кристаллизацию расплава путем перемещения контейнера относительно индуктора, выведение контейнера из зоны нагрева и охлаждение полученных монокристаллов, отличающийся тем, что расплавляемые компоненты берут в количестве, обеспечивающем объем расплава не менее 5 л, и загружают в контейнер диаметром не менее 250 мм, на дно контейнера и поверх расплавляемых компонентов помещают слои теплоизолирующей засыпки того же состава, а на слой теплоизолирующей засыпки на дне контейнера помещают расплавляемые компоненты, направленную кристаллизацию расплава проводят при реверсивном вращении контейнера с линейной скоростью на боковой границе раздела расплав - гарнисаж от 0,02 до 0,3 м/с, реверс осуществляют с периодом от 1 до 15 с, на начальной стадии направленной кристаллизации в течение времени от 1 до 20 ч контейнер перемещают со скоростью от 0,5 до 5 мм/ч а затем - со скоростью от 5 до 30 мм/ч. 3. Способ получения монокристаллов на основе стабилизированного диоксида циркония, включающий загрузку расплавляемых компонентов в контейнер с охлаждаемыми стенками, их плавление с образованием расплава в гарнисаже и последующую направленную кристаллизацию расплава путем перемещения контейнера относительно индуктора, выведение контейнера из зоны нагрева и охлаждение полученных монокристаллов, отличающийся тем, что расплавляемые компоненты берут в количестве, обеспечивающем объем расплава не менее 5 л, и загружают в контейнер диаметром не менее 250 мм, на дно контейнера и поверх расплавляемых компонентов помещают слои теплоизолирующей засыпки того же состава, а на слой теплоизолирующей засыпки на дне контейнера помещают затравочные монокристаллы и расплавляемые компоненты, при направленной кристаллизации контейнер сначала перемещают со скоростью от 2 до 8 мм/ч в течение времени от 2 до 10 ч, а затем контейнер останавливают и расплав охлаждают со скоростью от 2 до 10oС/ч в течение времени от 10 до 50 ч, а охлаждение полученных монокристаллов ведут в течение времени от 8 до 24 ч. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что в контейнер в качестве расплавляемых компонентов загружают шихту и отходы кристаллов, которые помещают слоями в виде трех коаксиальных цилиндров, где центральный слой и слой, контактирующий с контейнером, состоит из шихты, а между этими слоями находится слой из отходов монокристаллов. 5. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что теплоизолирующую засыпку получают, утрамбовывая, спекая или сплавляя шихту. 6. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что теплоизолирующую засыпку получают, измельчая отходы монокристаллов. 7. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что поверх слоя теплоизолирующей засыпки, находящегося над расплавляемыми компонентами, помещают дополнительную шихту, представляющую собой порошкообразную смесь или смесь поликристаллов с зернистостью от 1 до 40 мм того же состава, что и расплавляемые компоненты. 8. Способ по п.3, отличающийся тем, что затравочные монокристаллы ориентируют по направлению <110>. 9. Способ по п.4, отличающийся тем, что шихту и отходы монокристаллов слоями в виде трех коаксиальных цилиндров помещают с помощью обечаек, которые удаляют перед плавлением.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области выращивания синтетических монокристаллов и промышленно применимы при изготовлении ювелирных изделий, а также высокопрочных оптических деталей (небольших окон, линз, призм и т.п.). Известен способ получения монокристаллов на основе стабилизированного диоксида циркония, включающий загрузку шихты в контейнере с охлаждаемыми стенками, ее плавление с образованием расплава в гарнисаже и последующую направленную кристаллизацию расплава путем перемещения контейнера относительно индуктора [Savage J. A. Preparation and properti of hard crystalline materials for optical applications - a review. J. Cryst. Growth, 1991, vol. 113, p.708]. Недостатком этого способа является недостаточно большие размеры получаемых монокристаллов (до 2,5 см диаметром и несколько сантиметров в длину), а также их оптическая неоднородность. Известен способ получения монокристаллов на основе стабилизированного диоксида циркония, включающий загрузку шихты в контейнер с охлаждаемыми стенками, ее плавление с образованием расплава в гарнисаже и последующую направленную кристаллизацию расплава путем перемещения контейнера относительно индуктора (Александров В.И., Осико В.В., Прохоров А.М., Татаринцев В.М. Получение высокотемпературных материалов методом прямого высокочастотного плавления в холодном контейнере. Успехи химии, 1978, т. XLVII, с. 404). Недостатком этого способа является недостаточно большие размеры получаемых монокристаллов (длиной до 8 см и площадью поперечного сечения до 10 см2), а также их оптическая неоднородность. Наиболее близким к заявляемому является известный способ получения монокристаллов на основе стабилизированного диоксида циркония, включающий загрузку расплавляемых компонентов в контейнер с охлаждаемыми стенками, их плавление с образованием расплава в гарнисаже и последующую направленную кристаллизацию расплава путем перемещения контейнеров относительно индуктора, выведение контейнера из зоны нагрева и охлаждение полученных монокристаллов (патент США N 3984524, МКИ C 01 G 25/02). Недостатком прототипа является недостаточно большие размеры получаемых монокристаллов (длиной до 9 см и площадью поперечного сечения до 4 см2), а также их оптическая неоднородность. С помощью заявляемых изобретений решается техническая задача увеличения размеров монокристаллов и улучшения их оптической однородности. Поставленная задача решается тем, что в известном способе получения монокристаллов на основе стабилизированного диоксида циркония, включающем загрузку расплавляемых компонентов в контейнер с охлаждаемыми стенками, их плавление с образованием расплава в гарнисаже и последующую направленную кристаллизацию расплава путем перемещения контейнера относительно индуктора, выведение контейнера из зоны нагрева и охлаждение полученных монокристаллов, расплавляемые компоненты берут в количестве, обеспечивающем объем расплава не менее 5 л, и загружают в контейнер диаметром не менее 250 мм, на дно контейнера и поверх расплавляемых компонентов помещают слои теплоизолирующей засыпки того же состава, а на слой теплоизолирующей засыпки на дне контейнера помещают расплавляемые компоненты, а при направленной кристаллизации контейнер перемещают со скоростью от 0,1 до 5,0 мм/ч до полного выведения расплава из зоны нагрева. Поставленная задача решается также тем, что в известном способе получения монокристаллов на основе стабилизированного диоксида циркония, включающем загрузку расплавляемых компонентов в контейнер с охлаждаемыми стенками, их плавление с образованием расплава в гарнисаже и последующую направленную кристаллизацию расплава путем перемещения контейнера относительно индуктора, выведение контейнера из зоны нагрева и охлаждение полученных монокристаллов, расплавляемые компоненты берут в количестве, обеспечивающем объем расплава не менее 5 л, и загружают в контейнер диаметром не менее 250 мм, на дно контейнера и поверх расплавляемых компонентов помещают слои теплоизолирующей засыпки того же состава, а на слой теплоизолирующей засыпки на дне контейнера помещают расплавляемые компоненты, направленную кристаллизацию расплава проводят при реверсивном вращении контейнера с линейной скоростью на боковой границе раздела расплав- гарнисаж от 0,02 до 0,3 м/с, реверс осуществляют с периодом от 1 до 15 с, на начальной стадии направленной кристаллизации в течение времени от 1 до 20 ч контейнер перемещают со скоростью от 0,5 до 5 мм/ч, а затем - со скоростью от 5 до 30 мм/ч. Поставленная задача решается также тем, что в известном способе получения монокристаллов на основе стабилизированного диоксида циркония, включающем загрузку расплавляемых компонентов в контейнер с охлаждаемыми стенками, их плавлением с образованием расплава в гарнисаже и последующую направленную кристаллизацию расплава путем перемещения контейнера относительно индуктора, выведение контейнера из зоны нагрева и охлаждение полученных монокристаллов, расплавляемые компоненты берут в количестве, обеспечивающем объем расплава не менее 5 л, и загружают в контейнер диаметром не менее 250 мм, на дно контейнера и поверх расплавляемых компонентов помещают слои теплоизолирующей засыпки того же состава, а на слой теплоизолирующей засыпки на дне контейнера помещают затравочные монокристаллы и расплавляемые компоненты, при направленной кристаллизации контейнер сначала перемещают со скоростью от 2 до 8 мм/ч в течение времени от 2 до 10 ч, а затем контейнер останавливают и расплав охлаждают со скоростью от 2 до 10oC в час в течение времени от 10 до 50 ч, а охлаждение полученных монокристаллов ведут в течение времени от 8 до 24 ч. В частности, в контейнер в качестве расплавляемых компонентов загружают шихту и отходы кристаллов, которые помещают слоями в виде трех коаксиальных цилиндров, где центральный слой и слой, контактирующий с контейнером, состоит из шихты, а между этими слоями находится слой из отходов монокристаллов. В частности, теплоизолирующую засыпку получают, утрамбовывая, спекая или сплавляя шихту. В частности, теплоизолирующую засыпку получают, измельчая отходы монокристаллов. В частности, поверх слоя теплоизолирующей засыпки, находящегося над расплавляемыми компонентами, помещают дополнительную шихту, представляющую собой порошкообразную смесь или смесь поликристаллов с зернистостью от 1 до 40 мм того же состава, что и расплавляемые компоненты. В частности затравочные монокристаллы ориентируют по направлению <110>. В частности, шихту и отходы монокристаллов слоями в виде трех коаксиальных цилиндров помещают с помощью обечаек, которые удаляют перед плавлением. С помощью заявляемых изобретений поставленная задача решается принципиально одним и тем же путем, поэтому они связаны единым изобретательским замыслом. Отличие состоит в том, что по сравнению с первым вариантом во втором используют реверсивное вращение контейнера, а в третьем - затравочные монокристаллы. Изобретение поясняется чертежами на фиг. 1 и 2, где приведены блок-схемы устройств, реализующих заявляемые способы, после загрузки контейнера (фиг. 1) и в процессе направленной кристаллизации (фиг. 2). Устройство (фиг. 1) содержит контейнер, состоящий из набора боковых 1 и донных 2 медных водоохлаждаемых трубок и/или секций, непроводящие основание 3, выполненное, например, из политетрафторэтилена, индуктор 4, высокочастотный генератор 5, нижний 6 и верхний 7 слои теплоизолирующей засыпки, шихту 8, отходы монокриталлов 9, металл 10 для стартового плавления. В одном из вариантов (фиг. 2) на слой 6 теплоизолирующей засыпки помещают затравочные монокристаллы 11, чаще всего ориентированные по направлению <110>. Слои 6 и 7 теплоизолирующей засыпки получают, утрамбовывая, спекая или сплавляя часть шихты 8, либо измельчая отходы монокристаллов 9. Шихта 8 содержит диоксид циркония и оксид стабилизирующего металла в известном количестве, например, как в вышеуказанных аналогах и прототипе. Контейнер с трубками 1 и 2 монтируют на основании 3 с воздушным зазором между ними 1 - 2 мм. Подачу охлаждающей воды в трубки 1 и 2 осуществляют в направлении стрелок A и B, а выходы - в направлении стрелок C и D. На трубки 2 помещают слой 6 теплоизолирующей засыпки. В контейнер на этот слой 6 устанавливают медные обечайки 12 и 13, причем зазор d между внутренней стенкой контейнера диаметром D1 и наружной обечайкой 12 составляет от 0,01 D1 до 0,2 D1, а наружный диаметра D2 внутренней обечайки 13 составляет от 0,1 D2 до 0,99 D2 Далее с помощью обечаек 12 и 13 на слой 6 теплоизолирующей засыпки помещают шихту 8 и отходы монокристаллов 9 (фиг. 1). При этом в центр контейнера для обеспечения стартового плавления помещают металл 10, входящий в стабилизирующий оксид, или металлический цирконий. Металл 10 в процессе расплавления шихты окисляется до соответствующего окисла. Индуктор 4 подключают к высокочастотному генератору 5 и устанавливают так, чтобы его нижний виток находился на уровне верхней части слоя 6 теплоизолирующей засыпки. Расплавление шихты 8 и отходов монокристаллов 9, инициируемое расплавленным металлом 10, осуществляют в высокочастотном поле, источником которого является высокочастотный генератор 5 с частотой генерации не менее 1,5 МГц, при одновременном охлаждении контейнера водой. Под действием локального нагрева контактирующая с металлом 10 шихта 8 расплавляется и начинает поглощать энергию высокочастотного поля, за счет чего зона расплава увеличивается. В результате в контейнере образуется расплав 14 и гарнисаж 15 толщиной 1,5 - 2 мм (фиг. 2). Гарнисаж 15 образуется из спекшейся нерасплавленной части шихты или из нерасплавленных измельченных отходов монокристаллов, которые контактируют со стенками контейнера, образованными трубками 1 и 2. Массу расплава в процессе плавления контролирования так же, как в (Ломонова Е.Е., Осико В.В., Ханеев Н. П. , Яковлев А.А. Методика исследования процессов плавления и кристаллизации материалов в холодном контейнере с использованием прямого высокочастотного нагрева. М. : Препринт ИОФАН N 16, 1988, c. 1 - 10), а направление распространения расплава на начальной стадии плавления - так же, как в (Александров В. И. , Войцицкий В.П., Ломонова Е.Е., Осико В.В., Ханеев Н.П. Способ контроля направленного распространения расплава на начальном этапе прямого высокочастотного плавления в холодном контейнере. ПТЭ, 1994 N 4, c. 212-217). Над расплавом 14 образуется тепловой экран 16 в виде свода толщиной не менее 5 мм, состоящий из оплавленной шихты, обращенной к расплаву 14, и спекшейся шихты, обращенной наружу. Толщину теплового экрана 16 можно увеличить, помещая поверх его дополнительную шихту 17, представляющую собой порошкообразную смесь или смесь поликристаллов с зернистостью от 1 до 40 мм того же состава, что и шихта 8. Расплав выдерживают в течение времени не менее 30 мин для установления равновесной границы расплав-гарнисаж. Для обеспечения роста монокристаллов контейнер выводят из зоны нагрева, перемещая относительно индуктора со скоростью от 0,5 до 1,5 мм/ч в направлении стрелки E. При этом подача воды в трубки 1 и 2 продолжается в течение всего процесса кристаллизации. После окончания процесса кристаллизации, подача воды в трубки 1 и 2 не прекращается до тех пор, пока температура внутри контейнера не станет ниже 100oC. Затем полученные монокристаллические блоки выгружают из контейнера, охлаждают на воздухе до комнатной температуры и разделяют на отдельные монокристаллы. Длина полученных монокристаллов достигает 20 см при площади поперечного размера более 25 см2. Они более однородны, чем получаемые по способу прототипа, поскольку показатель преломления вдоль оси роста изменяется не более чем на![способ получения монокристаллов (его варианты), патент № 2133787](/images/patents/338/2133011/916.gif)
![способ получения монокристаллов (его варианты), патент № 2133787](/images/patents/338/2133011/916.gif)
![способ получения монокристаллов (его варианты), патент № 2133787](/images/patents/338/2133007/8805.gif)
![способ получения монокристаллов (его варианты), патент № 2133787](/images/patents/338/2133011/916.gif)
![способ получения монокристаллов (его варианты), патент № 2133787](/images/patents/338/2133007/8773.gif)
![способ получения монокристаллов (его варианты), патент № 2133787](/images/patents/338/2133011/916.gif)
![способ получения монокристаллов (его варианты), патент № 2133787](/images/patents/338/2133007/8773.gif)
![способ получения монокристаллов (его варианты), патент № 2133787](/images/patents/338/2133011/916.gif)
![способ получения монокристаллов (его варианты), патент № 2133787](/images/patents/338/2133007/8773.gif)
Класс C30B29/22 сложные оксиды
Класс C30B11/02 без использования растворителей