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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
gesinterten Körpers aus polykristallinem Yttriumoxid mit
guter Lichtdurchlässigkeit, insbesondere eines
lichtdurchlässigen gesinterten Körpers aus Yttriumoxid,
der für ein Infrarot-durchlässiges Fenster geeignet ist,
das eine Dicke von nicht weniger als 3 mm aufweist.
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Da Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;) eine Kristallstruktur mit
kubischem System bei einer Temperatur von nicht höher als
2350ºC besitzt, zeigt es geringe Streuung an den
Kristallkorngrenzen und weist eine gute
Lichtdurchlässigkeit auf, wenn es zu einer hohen Dichte
gesintert wurde.
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Im allgemeinen steigt die Lichtdurchlässigkeit eines
gesinterten Körpers aus Yttriumoxid steil um eine
Wellenlänge von 0,3 um im sichtbaren Bereich an und
erreicht ihren Maximalwert bei einer Wellenlänge von 3 bis
7 um im Infrarotbereich. Daher ist ein gesinterter
Körper aus Yttriumoxid ein vielversprechendes
lichtdurchlässiges Material, z. B. als ein optisches
Fenster, und wird nach verschiedenen Verfahren hergestellt.
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Zum Beispiel offenbart die japanische ungeprüfte
Patentoffenlegungsschrift Nr. 17911/1979 ein Verfahren,
welches die Zugabe von Lanthanoxid (La&sub2;O&sub3;) als
Sinterhilfsstoff, und das Durchführen des Sinterns unter
einer niedrigen Sauerstoffatmosphare umfaßt, und die
japanische ungeprüfte Patentoffenlegungsschrift Nr.
17910/1979 offenbart ein Verfahren, das die Verwendung von
Aluminiumoxid als Sinterhilfsstoff und die Durchführung
des Sinterns unter einer niedrigen Sauerstoffatmosphäre
umfaßt. Ferner offenbart das U.S.-Patent Nr. 3,878,280 ein
Verfahren, welches das Heißpressen von Yttriumoxidpulver
unter vermindertem Druck umfaßt.
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EP-A-0 277 811 beschreibt einen lichtdurchlässigen
gesinterten Körper aus Yttriumoxid mit einer Reinheit von
nicht niedriger als 99,9 % und einer geradlinigen
Lichtdurchlässigkeit von mindestens 80 % über einen
Wellenlängenbereich von mindestens 2,5 bis 7,8 um bei
einer Probendicke von 1 mm (0,04 inch). Das Verfahren zur
Herstellung des Körpers umfaßt das Kompaktieren von
Yttriumoxidpulver unter Formung eines Körpers aus
Yttriumoxid, Sintern des kompaktierten Körpers bei einer
erhöhten Temperatur, Verdichten des Körpers auf eine
Dichte von im wesentlichen 100 % und zusätzliches Tempern
durch Erhitzen in einer lufthaltigen Atmosphäre.
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Bei üblichen Verfahren zur Herstellung eines
lichtdurchlässigen gesinterten Körpers aus Yttriumoxid
unter Verwendung eines solchen Sinterhilfsstoffes, kommt
es leicht zur Bildung einer zweiten Phase, was teilweise
auf das Vorliegen des Sinterhilfsstoffes, wie La&sub2;O&sub3;,
zurückzuführen ist, der zur Verdichtung des gesinterten
Körpers zugesetzt wird, die Lichtdurchlässigkeit nimmt
durch Lichtstreuung aufgrund der Uneinheitlichkeit des
Gefüges ab, und ein großer, optisch einheitlicher Block
kann nicht erhalten werden. Beim Heißpressen unter Vakuum
kann die ausreichende Verdichtung nicht fortschreiten, da
es schwierig ist, einen hohen Druck von nicht weniger als
49,0 MPa (500 kg/cm²) wegen der Festigkeit bei einer
Graphitform einwirken zu lassen, und daher ist die
Lichtdurchlässigkeit niedrig.
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Bei den nach diesen üblichen Verfahren hergestellten
lichtdurchlässigen gesinterten Körpern aus Yttriumoxid ist
die geradlinige Lichtdurchlässigkeit höchstens 80 % bei
einer Wellenlänge von 2 bis 6 um bei einer Probendicke
von 2,5 mm. Um den gesinterten Körper aus Yttriumoxid als
Material für ein Infrarot-durchlässiges Fenster zu
verwenden, welches im allgemeinen eine Dicke von nicht
mehr als 3 mm hat, ist es notwendig, die geradlinige
Lichtdurchlässigkeit zu erhöhen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur
Herstellung eines lichtdurchlässigen gesinterten Körpers
aus Yttriumoxid mit einer hohen Reinheit, einer hohen
Dichte und einer hohen Lichtdurchlässigkeit, insbesondere
einer geradlinigen Lichtdurchlässigkeit, die für
Infrarot-durchlässiges Fenstermaterial mit einer Dicke von
nicht kleiner als 3 in geeignet ist, zur Verfügung zu
stellen.
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Diese und andere Aufgaben werden durch ein Verfahren zur
Herstellung eines lichtdurchlässigen gesinterten Körpers
aus Yttriumoxid gelöst, welches die Schritte der
Verdichtung von Yttriumoxidpulver mit einer Reinheit von
nicht niedriger als 99,9 % und einer BET-spezifischen
Oberfläche von nicht kleiner als 10 m²/g mit einer
Heißpresse bei einer Temperatur von 1300 bis 1700ºC unter
einem Druck von 9,8 bis 49,0 MPa (100 bis 500 kg/cm²)
unter Vakuumbedingungen, so daß ein theoretisches
Dichteverhältnis von nicht niedriger als
95 % erreicht wird, und anschließendes heißes
isotropisches Pressen des verdichteten Yttriumoxids bei
einer Temperatur von 1400 bis 1900ºC unter einem Druck von
nicht niedriger als 49,0 MPa (500 kg/cm²) umfaßt.
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Der erfindungsgemäß hergestellte lichtdurchlässige
gesinterte Körper aus Yttriumoxid enthält einen
gesinterten Körper aus polykristallinem Yttriumoxid mit
einer Reinheit von nicht niedriger als 99,9 % und hat eine
geradlinige Lichtdurchlässigkeit von nicht niedriger als
im Mittel 75 % des sichtbaren und des nahen Infrarotlichts
mit einer Wellenlänge von 0,4 bis 3 um, und eine
geradlinige Lichtdurchlässigkeit von nicht niedriger als
80 % mit dem mittleren Infrarotlicht mit einer Wellenlänge
von 3 bis 6 um, bei einer Yttriumoxidprobe mit einer
Dicke von 3 mm. Er hat eine gute geradlinige
Lichtdurchlässigkeit, welche bislang nicht erreicht wurde,
und ist für ein Infrarot-durchlässiges Fenstermaterial
geeignet.
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Mit der Heißpresse unter Vakuum und der anschließenden
HIP (heißen isotropischen Preß-)Behandlung kann ein
gesinterter Körper aus Yttriumoxid mit einer hohen Dichte
und einer räumlich einheitlichen, hohen geradlinigen
Lichtdurchlässigkeit ohne Zusatz von Sinterhilfsstoff, wie
La&sub2;O&sub3;, hergestellt werden.
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Das Yttriumoxidpulver als Ausgangsmaterial hat eine
Reinheit von nicht niedriger als 99,9 %, um Abnahme der
Lichtdurchlässigkeit aufgrund von Absorption durch
Verunreinigungen zu verhindern. Es ist nicht bevorzugt,
daß das Yttriumoxidpulver ein Ubergangsmetall wie Fe
enthält. Ein Primärteilchen des Yttriumoxidpulvers hat
eine Teilchengröße von nicht größer als 0,2 um, die
BET-spezifische Oberfläche ist nämlich nicht kleiner als
10 m²/g, um den dichten gesinterten Körper zu erhalten,
der eine kleine kristalline Teilchengröße von nicht größer
als 30 um, hat. Der BET-Wert ist vorzugsweise von 10 bis
30 m²/g.
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Als feines Yttriumoxidpulver mit hoher Reinheit ist
Yttriumoxidpulver aus der Hydrolyse eines Alkoxids
bevorzugt.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die
Lichtdurchlässigkeitsabnahme und die räumliche Streuung
aufgrund des Vorliegens einer in üblichen gesinterten
Körpern gefundenen zweiten Phase verhindert, da der Zusatz
von Sinterhilfsstoff wie La&sub2;O&sub3; nicht erforderlich ist.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren wird das Heißverpressen
unter Vakuumbedingungen bei einer Temperatur von 1300 bis
1700ºC bei einem Druck von 9,8 bis 49,0 MPa (100 bis
500 kg/cm²) durchgeführt. Wenn die Temperatur niedriger
als 1300ºC ist, ist es schwierig, einen hochdichten
gesinterten Körper mit einem theoretischen
Dichteverhältnis von nicht weniger als 95 % herzustellen.
Ist die Temperatur höher als 1700ºC, ist es schwierig,
einen optisch einheitlichen gesinterten Körper
herzustellen, da Sauerstoffionen im Y&sub2;O&sub3; von der
Probenoberfläche wegwandern und sich die Atomverhältnisse
verändern. Ist der Druck bei der Heißverpressung niedriger
als 9,8 MPa (100 kg/cm²), ist es schwierig, den
hochdichten gesinterten Körper mit einem theoretischen
Dichteverhältnis von nicht weniger als 95 % herzustellen.
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Wenn der Druck höher als 49,0 MPa (500 kg/cm²) ist, ist
es schwierig, eine übliche Graphitform wegen ihrer
Festigkeit zu verwenden.
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Bei der HIP-Behandlung wird der gesinterte Körper
isotropisch bei einer Temperatur von 1400 bis 1900ºC unter
einem Druck von nicht niedriger als 49,0 MPa
(500 kg/cm²) gepreßt. Daher wird die Entfernung von
Hohlräumen durch plastische Deformation und Diffusion
gefördert, und die Dichte und die Lichtdurchlässigkeit
erhöht sich. Ein Hochdruckgas zur Verwendung bei der
HIP-Behandlung ist bevorzugt ein inertes Gas wie Ar,
Stickstoff, Sauerstoff oder eine Mischung dieser Gase.
Wenn Sauerstoffgas vermischt wird, ist es möglich, die
Abnahme der Lichtdurchlässigkeit aufgrund von Abwanderung
von Sauerstoffatomen aus dem gesinterten Körper während
der HIP-Behandlung zu verhindern. Da diese Gase einen
hohen Druck von nicht niedriger als 49,0 MPa (500
kg/cm²) (nicht höher als 196 MPa (2000 kg/cm²)) haben
und isotropisch wirken, schreitet die Verdichtung durch
Entfernung von Hohlräumen einheitlicher fort als beim
üblichen Heißverpreßverfahren (Druckeinwirkung in zwei
Richtungen, nämlich aufwärts und abwärts bei 49,0 MPa
(500 kg/cm²)). Daher kann ein optisch einheitlicher
gesinterter Körper aus Yttriumoxid mit einer hohen
Lichtdurchlässigkeit erhalten werden.
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Hat der gesinterte Körper nach dem Heißverpressen ein
theoretisches Dichteverhältnis von weniger als 95 %,
bilden viele der zurückbleibenden Hohlräume sogenannte
offene Hohlräume, und das bei der HIP-Behandlung
verwendete Hochdruckgas dringt in den gesinterten Körper
durch solche Hohlräume ein. Dann kann die Verdichtung
durch HIP-Behandlung nicht ausreichend fortschreiten.
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Erfindungsgemäß ist es möglich, einen lichtdurchlässigen
gesinterten Körper aus Yttriumoxid zu erhalten, der eine
hohe Dichte und eine sehr gute geradlinige
Lichtdurchlässigkeit in sichtbaren und infraroten Regionen
aufweist und der optisch einheitlich ist, auch wenn der
gesinterte Körper groß ist mit einem Durchmesser von nicht
kleiner als 50 mm.
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Der erfindungsgemäße lichtdurchlässige gesinterte Körper
aus Yttriumoxid ist geeignet für ein
Infrarot-durchlässiges Fenster mit einer Dicke von nicht
weniger als 3 mm.
Beispiel 1
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Hochreines Yttriumoxidpulver mit einer Reinheit von 99,9 %
und einer BET-spezifischen Oberfläche von 19 m²/g wurde
unter Vakuum bei 2,7 Pa (2 x 10&supmin;² torr) 3 h unter
Verwendung einer Graphitform mit einem inneren Durchmesser
von 100 mm bei einer Temperatur von 1450ºC bei einem Druck
von 29,4 MPa (300 kg/cm²) unter Erhalt eines weißen
gesinterten Körpers mit dem theoretischen Dichteverhältnis
von 97 % heißverpreßt. Anschließend wurde der gesinterte
Körper in eine HIP-Vorrichtung eingebracht und 2 h bei
einer Temperatur von 1650ºC unter einem Druck von
196,0 MPa (2000 kg/cm²) unter Verwendung eines
Argongases HIP-behandelt. Der erhaltene gesinterte Körper
aus Yttriumoxid hatte ein farbloses transparentes Aussehen.
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Der gesinterte Körper aus Yttriumoxid wurde auf eine Dicke
von 3 mm spiegelglatt poliert und die geradlinige
Lichtdurchlässigkeit wurde mit einem Spektrophotometer
bestimmt. Die Lichtdurchlassigkeit war gut und nicht
kleiner als 85 % in einem Wellenlängenbereich von 3 bis
6 um und 76 % im Mittel in einem Wellenlängenbereich
von 0,4 bis 3 um.
Beispiel 2
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Hochreines Yttriumoxidpulver mit einer Reinheit von 99,9 %
und einer BET-spezifischen Oberfläche von 11 m²/g wurde
unter Vakuum bei 1,1 Pa (8 x 10&supmin;³ torr) 5 h unter
Verwendung einer Graphitform mit einem inneren Durchmesser
von 100 mm bei einer Temperatur von 1400ºC unter einem
Druck von 19,6 MPa (200 kg/cm²) unter Erhalt eines
weißen gesinterten Körpers mit einem theoretischen
Dichteverhältnis von 95 % heißverpreßt. Anschließend wurde
der gesinterte Körper in eine HIP-Vorrichtung eingebracht
und 3 h bei einer Temperatur von 1600ºC unter einem Druck
von 147,0 MPa (1500 kg/cm²) mit N&sub2;-Gas HIP-behandelt.
Der erhaltene gesinterte Körper aus Yttriumoxid hatte ein
farbloses transparentes Aussehen.
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Der gesinterte Körper aus Yttriumoxid wurde auf eine Dicke
von 3 mm spiegelpoliert, und die geradlinige
Lichtdurchlässigkeit wurde mit einem Spektrophotometer
bestimmt. Die Lichtdurchlässigkeit war gut und nicht
kleiner als 80 % in einem Wellenlängenbereich von 3 bis
6 um und 75 % im Mittel in einem Wellenlängenbereich
von 0,4 bis 3 um.
Beispiel 3
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Hochreines Yttriumoxidpulver mit einer Dichte von 99,9 %
und einer BET-spezifischen Oberfläche von 11 m/g wurde
unter einem Vakuum von 13,33 Pa (1 x 10&supmin;¹ torr) 1 h
unter Verwendung einer Graphitform mit einem inneren
Durchmesser von 80 mm bei einer Temperatur von 1550ºC
unter einem Druck von 24,5 MPa (250 kg/cm²) unter Erhalt
eines weißen gesinterten Körpers mit einem theoretischen
Dichteverhältnis von 98 % heißverpreßt. Anschließend wurde
der gesinterte Körper in eine HIP-Apparatur eingebracht
und 1 h bei einer Temperatur von 1700ºC unter einem Druck
von 196,0 MPa (2000 kg/cm²) mit einer Gasmischung von
Ar-5 % 0&sub2; HIP-behandelt. Der erhaltene gesinterte Körper
aus Yttriumoxid hatte ein farbloses transparentes Aussehen.
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Der gesinterte Körper aus Yttriumoxid wurde auf eine Dicke
von 3 mm spiegelpoliert, und die geradlinige
Lichtdurchlässigkeit wurde mit einem Spektrophotometer
bestimmt. Die Lichtdurchlässigkeit war gut und nicht
kleiner als 81,5 % in einem Wellenbereich von 3 bis
6 um und 76 % im Mittel in einem Wellenlängenbereich
von 0,4 bis 3 um.