DE69930017T2

DE69930017T2 - Röhrenförmiger oder stabartiger glaskeramischer Gegenstand

Info

Publication number: DE69930017T2
Application number: DE69930017T
Authority: DE
Inventors: Ltd. Akihiko Nippon Electric Glass Co. Otsu-shi Sakamoto; Ltd. Masanori Nippon Electric Glass Co. Otsu-shi Wada
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 1998-11-24
Filing date: 1999-11-18
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2019-11-19
Also published as: DE69930017D1; KR100414242B1; EP1050519A1; WO2000030997A1; AU1182900A; CN1195702C; EP1050519A4; CA2319367A1; AU747386B2; US6420287B1; CN1288450A; CA2319367C; KR20010034266A; EP1050519B1

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft einen röhrenförmigen oder einen stabartigen glaskeramischen Gegenstand.
Erfindungshintergrund
Keramische Materialien werden verbreitet in verschiedenen Industrien verwendet. Insbesondere wird eine große Zahl von röhrenförmigen oder stabartigen Keramikkomponenten, die eine präzise Gestalt aufweisen, einschließlich einem Präzisionskapillarrohr, das eine Feinbohrung aufweist, beispielsweise kommerziell als ein Befestigungselement, ein Führungselement, ein Ausrichtelement, ein Beschichtungselement, ein Verbindungselement oder dergleichen für eine optische Komponente oder eine elektronische Komponente hergestellt. Bei der Herstellung solcher Präzisionskomponenten ist es ein ernstes Problem, die Abmessungen der Innendurchmesser, wie etwa die Größe der Bohrungen, genau zu messen und innere Defekte, wie etwa Blasen und Sprünge, zu erfassen.
Wenn die Materialien transparent für sichtbares Licht sind, könnte die Messung der Innenabmessungen und die Erfassung von Defekten einfach unter Verwendung von optischen Messinstrumenten ausgeführt werden. Da die keramischen Materialien im Allgemeinen für sichtbares Licht opak sind, ist es jedoch unmöglich, die oben erwähnte Herangehensweise zu verwenden.
Unter diesen Umständen werden zur Messung der Abmessungsgenauigkeit zwangsläufig verschiedene Arten von Präzisionsmessgeräten verwendet. In diesem Fall stellt sich das Problem ein, dass viel Zeit und Arbeit benötigt werden und/oder dass es unmöglich ist, eine Innenbereich zu messen, der keinem Messgerät zugänglich ist. Die Erfassung der Innendefekte wird häufig durch eine Technik, die eine Ultraschallwelle verwendet, oder eine Technik ausgeführt, die eine radioaktive Strahlung verwendet. Jede dieser Techniken ist jedoch dadurch unvorteilhaft, dass die Messvorrichtung kompliziert und dessen Testeffizienz gering ist.
US-A-4,835,121 offenbart einen für Infrarot transparenten glaskeramischen Gegenstand, der für Deckplatten von Kochherden zweckmäßig ist und ein schwarzes Aussehen, aber eine Durchlässigkeit von etwa 80 % oder mehr für ein infrarotes Licht einer Wellenlänge 1500 nm aufweist, und ferner Kristalle einer festen Lösung von β-Quarz, die im Wesentlichen alleine innerhalb einer Glasmatrix ohne irgendwelche anderen Kristalle dispergiert sind.
EP-A1-0 536 478 betrifft einen glaskeramischen Gegenstand aus Lithiumaluminiumsilikatgläsern, der β-Spodumen als Hauptkristallphase enthält.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen röhrenförmigen oder einen stabartigen glaskeramischen Artikel bereitzustellen, der für sichtbares Licht opak ist und der dessen innere Struktur leicht und effizient gemessen und inspiziert werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Als Ergebnis einer Ansammlung sorgfältiger Studien zum Zweck die oben beschriebenen Probleme zu lösen, haben die vorliegenden Erfinder herausgefunden, dass einige glaskeramische Materialien für Infrarotstrahlung transparent sind, obwohl sie für ein sichtbares Licht opak sind, und dass röhrenförmige Gegenstände oder stabförmige Gegenstände, die aus solchen infrarottransparenten keramischen Materialien gefertigt sind, leicht unter Verwendung der Infrarotstrahlung zu vermessen und auf ihre innere Struktur hin überprüfbar sind, und schlagen hierbei diese Erfindung vor.
Ein erfindungsgemäßer glaskeramischer Gegenstand ist ein röhrenförmiger oder stabförmiger glaskeramischer Gegenstand, der für ein sichtbares Licht opak ist und der dadurch gekennzeichnet ist, dass er aus einer infrarotdurchlässigen Glaskeramik gefertigt ist, die eine feste Lösung von β-Spodumen als abgeschiedene Kristalle enthält und die bei einer Dicke von 1 mm eine Durchlässigkeit von nicht weniger als 45 %, bevorzugt nicht weniger als 60 %, für eine Infrarotstrahlung aufweist, die eine Wellenlänge von 1550 nm besitzt und von der Luft heraus einfällt.
Bei dieser Erfindung bedeutet „opak für sichtbares Licht", dass die Messung und die Prüfung der inneren Struktur unter Verwendung des sichtbaren Lichts schwierig sind, und genauer, dass die mittlere Durchlässigkeit für ein sich direkt annäherndes Licht im sichtbaren Bereich (380 bis 760 nm) nicht größer als 50 % ist, wenn die Dicke gleich 1 mm beträgt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine erläuternde Ansicht, die die Verteilung einer Schnittdurchlässigkeit einer Kapillarprobe zeigt, deren Bohrung gemessen werden kann.
1 ist eine erläuternde Ansicht, die die Verteilung einer Schnittdurchlässigkeit einer Kapillarprobe zeigt, deren Bohrung unmöglich gemessen werden kann.
Bester Modus zur Ausführung der Erfindung
Zuerst wird diese Erfindung detaillierter beschrieben werden.
Ein glaskeramischer Gegenstand dieser Erfindung ist aus einer für Infrarot transparenten Keramik gefertigt, die für sichtbares Licht opak ist. Die für Infrarot transparente Keramik weist eine Infrarotdurchlässigkeit von nicht weniger als 45 für die Wellenlänge von 1550 nm auf, wenn sie eine Dicke von 1 mm besitzt. Der Grund, warum die Infrarotdurchlässigkeit für die Wellenlänge von 1550 nm berücksichtigt wird, wird nun beschrieben werden.
Um die Infrarotstrahlung für die Messung und die Inspektion zu verwenden, sind Licht emittierende und Licht aufnehmende Elemente eines Infrarotlasers erforderlich. Jene derzeit erhältlichen Elemente weisen Wellenlängen von 790 nm, 1310 nm, 1550 nm uns so weiter auf.
Im Allgemeinen wird die Auflösung der Messung geringer, sowie die Wellenlänge größer ist, so dass die Messgenauigkeit verringert wird. Die längere Wellenlänge wird jedoch vorteilhaft zur Übertragung des Lichts durch die Keramik verwendet.
Gemäß den Studien der gegenwärtigen Erfinder ist aufgedeckt worden, dass wenn die Licht emittierenden und aufnehmenden Elemente der Wellenlänge 1550 nm verwendet werden, leicht eine ausreichende Menge an übertragener Lichtenergie erhalten wird, die zur Messung erforderlich ist, während die Messgenauigkeit in der Größenordnung von Submikron sichergestellt wird. Wenn die Infrarotdurchlässigkeit für 1550 nm nicht weniger als 45 % beträgt, wenn die Dicke gleich 1 mm beträgt, ist es möglich, die Messung und die Prüfung mit hoher Genauigkeit unter Verwendung der Infrarotstrahlung auszuführen, die die oben erwähnten Wellenlängen aufweisen.
Es ist in dem Fall, dass der Gegenstand dieser Erfindung gemessen oder geprüft wird, nicht immer notwendig, die Infrarotstrahlung von 1550 nm zu verwenden. Dies liegt daran, dass die Verwendung der Infrarotstrahlung, die eine andere Wellenlänge aufweist, in Abhängigkeit von einer erforderlichen Genauigkeit der Messung oder der Prüfung oder der Infrarotdurchlässigkeitscharakteristik der Keramik gegenüber der Verwendung der Infrarotstrahlung von 1550 nm vorteilhaft sein kann.
Vorzugsweise erfüllt der Keramikgegenstand dieser Erfindung die Bedingung, die durch (1 – R)² ≥ 0.84 und μ ≤ 0.7/mm gegeben ist, wobei R einen Reflexionsgrad bei 1550 nm repräsentiert und μ eine Summe eines Streuungskoeffizienten und eines Absorptionskoeffizienten repräsentiert. Die Begründung wird im Folgenden beschrieben werden.
Die Beziehung der Durchlässigkeit T und der Dicke L wird durch die Gleichung T = A exp(-μL) repräsentiert.
Die Konstante A wird durch (1 – R)² ersetzt. Wie sich aus dieser Gleichung von selbst versteht, wird die Durchlässigkeit durch die Konstante A und μ bestimmt, wobei die Dicke L des Materials konstant ist.
Beispielsweise gibt es eine unendliche Zahl von Kombinationen von A und μ, so dass die Durchlässigkeit T nicht geringer als 45 % beträgt, wenn die Dicke L gleich 1 mm ist. In einem Fall, bei dem A kleiner als 0.84 ist, oder in einem Fall, bei dem μ größer als 0.7/mm ist, ist die Verringerung der Durchlässigkeit beträchtlich, wenn die Dicke L groß ist. Deshalb ist der Gegenstand, der aus solch einem Material gefertigt ist, in der Dicke auf einen kleinen Wert innerhalb eines Bereichs beschränkt, der die Messung und die Prüfung durch die Infrarotstrahlung von 1550 nm erlaubt, und dies ist nicht praktisch.
Die Infrarotdurchlässigkeit kann auf verschiede Arten und Weisen eingestellt werden. Die Infrarotdurchlässigkeit kann durch Steuerung der Partikelgröße der abgeschiedenen Kristalle oder der Differenz im Brechungsindex von einer Matrixphase bzw. durch Steuerung der Partikelgröße von heterogenen Partikeln, die durch Phasentrennung hergestellt werden, oder der Differenz im Brechungsindex zwischen unterschiedlichen Phasen eingestellt werden.
Nun wird eine Beschreibung über das Verfahren der Herstellung eines jeden Materials gegeben.
Im Fall einer Keramik im engeren Sinn wird das Material, wie etwa Zirkonoxid, das ein Kristallsystem aufweist, das einem tetragonalen System angehört, oder das Material, wie etwa Aluminiumoxid, das Kristalle aufweist, die einem hexagonalen System angehören, aber eine geringe Doppelbrechung aufweisen, durch eine Heißpresstechnik bei 1300 bis 1800 °C geschmolzen und gesintert, wobei Blasen auf ein möglichst geringes Maß vermindert werden.
Im Fall des glaskeramischen Materials kann beispielsweise von einem Material Gebrauch gemacht werden, das durch Herstellung des Glases, das, jeweils in Gewichts-%, 60 bis 75 % SiO₂, 15 bis 28 % Al₂O₃, 1.8 bis 5 % Li₂O, 0 bis 10 % K₂O, 1.5 bis 5 % TiO₂ und 0 bis 4 % ZrO₂ enthält, und Wärmebehandlung und Kristallisieren des Glases in einem Bereich von 800 bis 1100 °C, um eine feste Lösung von β-Spodumen abzuscheiden, erhalten wird. Zum Vergleich kann auch ein Material erwähnt werden, das durch Herstellung des Glases, das 50 bis 80 % SiO₂, 8 bis 13 % Li₂O, 1 bis 4 % P₂O₅, 1 bis 11 % Al₂O₃, 0 bis 7 % ZnO und 0 bis 6 % K₂O, enthält, und Kristallisieren des Glases bei 800 bis 1100 °C, um Lithiumsilikat, Quarz, Cristobalit und so weiter abzuscheiden, erhalten wird. In den meisten Fällen bestehen die Kristallphase und die Glasphase in diesen Glaskeramiken nebeneinander. Um die Differenz im Brechungsindex zwischen der Kristallphase und der Matrixphase zu vermindern, kann dem Glas ein Metallelement oder ein Halbleiterelement als ein Additiv hinzugefügt werden. Es ist auf diese Weise möglich, die Infrarotdurchlässigkeit zu verbessern. Hierin ist es nicht nötig, das Bestandsverhältnis zwischen der Kristallphase und der Glasphase zu berücksichtigen.
Im Fall des Glasmaterials wird beispielsweise von einem Milchglas mit Phasentrennung Gebrauch gemacht, das, jeweils in Gewichts-%, 60 bis 70 % SiO₂, 3 bis 14 % Al₂O₃, 1 bis 4 % BaO, 0 bis 5 % znO und 10 bis 22 % Na₂O enthält.
Auf jeden Fall ist es, um eine ausgezeichnete Infrarotdurchlässigkeitscharakteristik zu erhalten, wünschenswert, dass die abgeschiedenen Kristalle und die heterogenen Partikel Partikelgrößen nicht größer als 3 μm aufweisen. Es ist zudem wünschenswert, dass die Differenz im Brechungsindex so klein als möglich ist.
Im Fall des Glases oder der Glaskeramik ist es möglich, die Infrarotdurchlässigkeit durch Steuerung des Gehalts an färbenden Ionen einzustellen, die eine Lichtabsorptionsfähigkeit in infraroten Bereich aufweisen.
In dem Fall, bei dem der keramische Gegenstand dieser Erfindung für Präzisionskomponenten verwendet wird, wie etwa elektronische Komponenten, ist es zweckmäßig, als infrarotdurchlässige Keramik die Keramik im engeren Sinn, die Zirkonoxid, Aluminiumoxid oder dergleichen als abgeschiedene Kristalle enthält, oder die Glaskeramik, die eine feste Lösung von β-Quarz, eine feste Lösung von β-Spodumen, Lithiumsilikat oder dergleichen als abgeschiedene Kristalle enthalten, zu verwenden. Diese Materialien sind in den mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften ausgezeichnet und sind deshalb für die Präzisionskomponenten geeignet.
Nun wird eine Beschreibung über spezielle Beispiele der Herstellung des keramischen Gegenstands dieser Erfindung gegeben.
Tabelle 1 zeigt Beispiele (Probe Nr. 2) dieser Erfindung und außerhalb des Umfangs dieser Erfindung (Proben Nr. 1, 3 bis 5) und Tabelle 2 zeigt Vergleichsbeispiele (Proben Nr. 6 und 7).
Zuerst wurden opake keramische Materialien, die in den Tabellen 1 und 2 gezeigt sind, hergestellt und in eine zylindrische Form verarbeitet, die einen Durchmesser von 2.5 mm und eine Länge von 10 mm aufwies. Danach wurde durch Ultraschallbearbeitung eine Bohrung ausgebildet, die einen Durchmesser von 0.1 mm aufwies, um eine Kapillarprobe bereitzustellen.
Das keramische Material, das bei der Herstellung einer jeden der Proben Nr. 1, 2 und 6 verwendet wird, ist eine Li₂O-Al₂O₃-SiO₂-Glaskeramik, die durch Wärmebehandlung eines Li₂O-Al₂O₃-SiO₂-Glases zwei Stunden lang bei 950 °C, eine Stunde lang bei 1000 °C bzw. 2 Stunden bei 120 °C, um das Glas zu kristallisieren, erhalten wurde.
Das keramische Material, das bei der Probe Nr. 3 verwendet wurde, ist ein Milchglas, das ein Na₂O-Al₂O₃-SiO₂-Glas umfasst, das durch Schmelzen der Rohmaterialien bei 1550 °C, langsames Abkühlen, um eine Phasentrennung des Glases zu verursachen, so dass die heterogenen Partikel hergestellt wurden, erhalten wurde.
Das keramische Material, das bei den Proben Nr. 4, 5 und 7 verwendet wurde, ist eine Aluminiumoxidkeramik oder eine Zirkonoxidkeramik, die durch Kneten der Rohmaterialien mit einem hinzugefügten Bindemittel und danach Sintern durch eine Heißpresstechnik erhalten wurde.
Die Infrarotdurchlässigkeit in den Tabellen 1 und 2 wurde durch Strahlen eines Laserstrahls, der eine Wellenlänge von 1550 nm aufwies, auf die Probe und Messung der Menge der Energie des durchgelassenen Lichts des sich direkt nähernden Lichts erhalten.
Die mittlere Durchlässigkeit für das sichtbare Licht wurde durch Bestrahlung mit sichtbarem Licht von 380 bis 760 nm und Messung der Menge der Energie des durchgelassenen Lichts des sich direkt nähernden Lichts unter Verwendung eines Spektrophotometers erhalten. Die Konstante A wurde durch Messung des Brechungsindex der Probe und Berechnen der folgenden Gleichung erhalten. Hierin repräsentiert n₁ den Brechungsindex der Luft und n₂ repräsentiert den Brechungsindex der Probe. R = {(n1 – n2)/(n1 + n2)}2 A = (1 – R)2
Die Konstante μ wurde durch die folgende Gleichung unter Verwendung der Infrarotdurchlässigkeit T, der Konstante A und der Dicke L der Probe berechnet. μ = 1n(A/T)/L
Die Partikelgröße der abgeschiedenen Kristalle oder der heterogenen Partikel wurde unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops gemessen.
Als nächstes wurde jede Probe auf die Möglichkeit der Messung der Bohrung durch die Infrarotstrahlung abgeschätzt. Die Abschätzung wurde dadurch ausgeführt, dass eine Abtastung der Probe mit einem Laserstrahl von 1550 nm in einer diametralen Richtung gemacht wurde und die Durchlässigkeitsverteilung entsprechend der Positionen in der diametralen Richtung der Probe gemessen wurde.
Bei der Infrarotdurchlässigkeitsverteilung wurde die Probe mit „o" gekennzeichnet, wenn der innere Durchmesserabschnitt klar identifiziert wurde, wie es in 1 gezeigt ist, während die Probe mit „x" gekennzeichnet wurde, wenn der Innendurchmesserabschnitt schwierig zu identifizieren war, wie es in 2 gezeigt ist.
Im Ergebnis erlaubte jede der Proben, die unter Verwendung des keramischen Materials hergestellt wurden, das eine hohe Infrarotdurchlässigkeit aufwies, wie die Beispiele dieser Erfindung, die Messung dessen inneren Hohlraums durch Infrarotstrahlung. Andererseits war bei jeder der Proben, die unter Verwendung des Materials hergestellt wurde, das eine niedrige Infrarotdurchlässigkeit aufwies, wie die Vergleichsbeispiele, die Messung der Bohrung unmöglich.
Aus den oben erwähnten Fakten zeigt sich, dass der erfindungsgemäße keramische Gegenstand die Messung und die Prüfung seiner inneren Struktur durch die Infrarotstrahlung von 1550 nm erlaubt. Tabelle 1

* außerhalb des Umfangs von Anspruch 1

Tabelle 2

* außerhalb des Umfangs von Anspruch 1

Industrielle Anwendbarkeit
Wie es oben beschrieben wurde, ist es bei dem keramischen Gegenstand dieser Erfindung möglich, die Innenabmessungen zu messen und innere Defekte, wie etwa Blasen und Sprünge, durch die optische Herangehensweise zu überprüfen. Deshalb ist der keramische Gegenstand für Präzisionskomponenten geeignet, die frei von Defekten sein müssen und eine hohe Abmessungsgenauigkeit aufweisen müssen, beispielsweise ein Befestigungselement, ein Führungselement, ein Ausrichtelement, ein Beschichtungselement und ein Verbindungselement für optische und elektronische Komponenten oder eine optische Komponente selbst.

Claims

Röhrenförmiger oder stabartiger glaskeramischer Gegenstand, der für sichtbares Licht opak ist, wobei die mittlere Durchlässigkeit für ein sich direkt näherndes Licht in einem sichtbaren Bereich (380 bis 760 nm) nicht größer als 50 % ist, wenn die Dicke gleich 1 mm ist, und wobei der Gegenstand aus einer infrarotdurchlässigen Glaskeramik gefertigt ist, die eine feste Lösung von β-Spodumen als abgeschiedene Kristalle enthält und die bei einer Dicke von 1 mm eine Durchlässigkeit von nicht weniger als 45 % für eine Infrarotstrahlung aufweist, die eine Wellenlänge von 1550 nm besitzt und von der Luft heraus einfällt.
Glaskeramischer Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der Gegenstand aus einer infrarotdurchlässigen Glaskeramik gefertigt ist, die Bedingung erfüllt, die durch (1 – R)² ≥ 0.84 und μ ≤ 0.7/mm gegeben ist, wobei R einen Reflexionsgrad bei 1550 nm repräsentiert und μ eine Summe eines Streuungskoeffizienten und eines Absorptionskoeffizienten repräsentiert.
Glaskeramischer Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die infrarotdurchlässige Glaskeramik so eingestellt wird, dass ein abgeschiedener Kristall und ein heterogener Partikel Partikelgrößen von nicht größer als 3 μm aufweist.