DE702937C - Verfahren zur Herstellung von Niederschlaegen von Metallen, Legierungen, Metalloiden und Verbindungen im Vakuum - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung von Niederschlägen von Metallen, Legierungen, Metalloiden und Verbindungen im Vakuum Die elektrische Explosion dünner Drähte, die durch die Kurzschlußentladung eines Kondensators über eine fest eingestellte Funkenstrecke, einer Hochspannungsbatterie, eines Generators mit großer Schwungmasse oder der in einer Magnetspule aufgespeicherten Energie hervorgerufen werden kann, ist bisher nur für wissenschaftliche Zwecke verwendet worden. Technische Anwendung hat das Verfahren nicht finden können, da die Masse der verwendeten Haardrähte so klein ist, daß nur sehr dünne Metallschichten geringer Ausdehnung erhalten werden können.
• Führt man aber die Metallislerung mit stärkeren Drähten oder einer größeren Anzahl von Drähten durch, so bilden sich nach erfolgter Explosion in den unvermeidlich entstehenden Gasen und Dämpfen Glimm- und Bogenentladungen aus, die eine regelmäßige Ausbreitung der Metallpartikel stören und durch unerwünschte Wärmeentwicklung die Metallisierung wärmeempfindlicher Stoffe unmöglich machen. Weitere Nachteile bestehen darin, daß unter Umständen die Drahthalterungen durch die einsetzende bogenartige Entladung zerstört werden und daß durch die starke Ionisierung des Gases unerwünschte chemische Reaktionen zwischen den Gasresten und dem Niederschlagsmetall eintreten können. Die schnelle Explosion mehrerer Drähte nacheinander ist ohne zwischenzeitlicheUnterbrechung überhaupt nicht möglich.
• Der Grund für diese Erscheinungen liegt darin, daß die zur völligen Zerstäubung bereitzuhaltende Spitzenenergie ein Vielfaches der theoretisch aufzuwendenden Energie beträgt, deren Überschuß sich nach der Explosion in der beschriebenen Weise auswirkt. Die Stromausbeute wird auf diese Weise sehr niedrig.
• Erfindungsgemäß können diese Nachteile dadurch vermieden werden, daß in die Zuleitungen Schaltmittel eingebaut werden, die es gestatten, die Stromzufuhr zu den Drähten nach einer sehr kurzen, für die elektrische Explosion gerade ausreichenden Einschaltdauer sofort zu unterbrechen. Bei der Verwendung von Generatoren als Stromquelle i können die Schaltmittel auch in die Erregerleitung eingebaut werden.
• Zur Erzielung kurzer Stromstöße haben sich Hochvakuumschalter besonders bewährt. Aber auch mit anderen leistungsfähigen Schalterarten auf der Grundlage der Hochdruck-Expansions- und ölschalter werden gute Ergebnisse erzielt. Bei nicht zu hoher Leistung kann auch die bei elektrischen Schweißmaschinen angewendete Thyratronschaltung benutzt werden.
• Für den automatischen Vorschub des zu überziehenden Gutes oder des zu zerstäubenden Drahtes können von dem Schalter weitere Hilfskontakte betätigt werden, so daß eine bestimmte, vorher festgelegte Schaltfolge eingehalten werden kann.
• Bei genügender Abschirmung der Kontakte gegen die zerstäubten Stoffe kann der Schalter mit in dem Zerstäubungsgefäß untergebracht und .elektrisch oder mechanisch gesteuert werden.
• Da die zur elektrischen Explosion benötigte Zeit im allgemeinen weniger als io-3 Sek. beträgt, genügen sehr kurze Schaltstöße, um das Verfahren durchzuführen. Durch diese Maßndhme wird bewirkt, daß nach beendigter Explosion die weitere Entladung ganz oder teilweise- unterdrückt wird.
• Besondere Vorteile entstehen durch die kurzzeitige Schaltung, wenn nicht ein einziger Draht, sondern fortlaufend mehrere Drähte zerstiubt werden sollen. Bei einer solchen fortlaufend durchgeführten Niederschlagsarbeit kann sofort wieder ein neuer Draht zur Explosion gebracht werden. Es ist z. B. möglich, eine größere Anzahl von Drähten, die aus einem oder verschiedenem Material bestehen können, im Vakuumgefäß anzuordnen oder durch eine geeignete Vorrichtung jeweils wieder einen neuen Draht auszuspannen und in schneller Folge zu zerstäuben.
• Die Abb. i zeigt eine Anordnung zur Ausübung des Verfahrens, mit der es möglich ist, den zerstäubten Draht fortlaufend durch einen neuen Draht zu ersetzen und diesen zur Explosion zu bringen.
• Auf der Grundplatte a sind der feststehende Arm b und der bewegliche Hebel c befestigt. Der zu zerstäubende Draht auf der Vorratsrolle d läuft über die Leitrolle e durch die Bohrung des zylindrischen Teiles f. Eine Sperrklinke h mit Flachfeder verhindert das Zurückgleiten des Drahtes. An dem beweglichen Arm c ist der düsenartige Hohlkörper g hochspannungsiailiert befestigt. Auch hier wird das Zurückgleiten des Drahtes durch die Sperrfeder i vermieden. Das ausgespannte Drahtstück v wird durch Anschließen der Stromquelle an 1 und nt zur Explosion gebracht. Der stark verchromte Kontakthebel k bewirkt, daß ein kurzes Drahtende nach der Explosion aus der Bohrung von f herausragt und sich beim Bewegen des Armes c nach rechts selbst in die konische Bohrung von g einfädelt und dort durch i festgehalten wird. Die Bewegung des Armes c durch den Hebeln kann mechanisch oder magnetisch erfolgen.
• Eine andere schematische Ausführungsform, mit der eine besonders hohe Geschwindigkeit-der Explosionsfolge erreicht wird, ist in Abb. 2 ersichtlich.
• Die stetig umlaufende Welle p trägt die gegeneinander hochspannungsisolierten Draht- halterungen c. Der zu zerstäubende Draht läuft von der Vorratsrolle d über die Umkehrrolle e auf die Drahthalterungen c auf. Beim Weitertransport gelangt der Draht an die Kontaktrolle g und wird hier durch einen kur- zen Stromstoß mit der Halterung verschweißt. Zwischen den Stromzuführungen m und 1 angelangt, tritt der Kurzzeitschalter in Tätigkeit, und das Drahtstück o zerstäubt.
• Diese Ausführungsform eignet sich besonders für das überziehen breiter Bahnen, da ohne weiteres mehrere Aggregate von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden können. Gur Durchtührung der selbsttätigen Ver- fahren werden genügend leistungsfähige Stromquellen benötigt. Als vorteilhaft hat sich beispielsweise eine Anordnung erwiesen, bei der eine Gleichstromquelle zur Aufnahme der hohen Schaltstöße durch einen Konden- sator gepuffert wird.
• Die durch elektrische Explosion erzeugten Teilchen breiten sich nach allen Seiten gleichmäßig aus. Durch Anwendung eines magnetischen Gebläses lassen sich die Teilchen ähnlich wie bei der Metallverdampfung mit- tels Lichtbogen in eine bevorzugte Richtung ablenken.
• Zur Fortführung der Kondensations- und Strahlungswärme bei dem fortlaufenden überziehen auf einer Rolle befindlicher langer Bänder aus sehr wärmeempfindlichem Stoff kann die Ware, wie es bei der Kathodenzerstäubung bekannt ist, von der Rückseite ge- kühlt werden.
• Das vorliegende Verfahren läßt sich auf alle Metalle, Legierungen, Metalloide und chemische Verbindungen anwenden, sofern diese durch Ziehen, Walzen, Sintern, Elektrolyse o. dgl. in Draht- oder Bandform gebracht werden können und den elektrischen Strom im kalten oder heißen Zustande leiten. 1 Bei Stoffen mit hohem spezifischem Wi- derstand, mit negativem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes, bei Halbleitern und bei Materialien mit hohem Schmelzpunkt ist es vorteilhaft, den zu zerstäubenden. Draht vorzuwärmen, was beispielsweise durch Induktions- oder Widerstandsheizung erfblgen kann. Eine zweckmäßige Ausführungsform ist aus dem Schaltbild (Abb.3) ersichtlich. Der Transformator r heizt die zu zerstäuben= den Drähte o durch Entwicklung Joulescher Wärme auf. Die die Explosion bewirkende elektrische Energie wird bdi t über die Mittelabgriffe des Drahtes und der Sekundärwicklung des Transformators zugeführt.
• Erfolgt die Explosion eines Drahtes in Gegenwart eines Gases, das mit dem zu zerstäubender Stoff bei hohen Temperaturen eine Verbindung eingehen kann, so erhält .man Niederschläge der betreffenden Verbindung. Auf diese Vi'eise können Überzüge von Verbindungen hergestellt werden, die selbst keine genügende Leitfähigkeit besitzen oder sich nicht in Draht- oder Bandform herstellen lassen. Durch fortgesetztes Durchspülen ist dafür zu sorgen, daß sich stets genügend Frischgas im Vakuumgefäß befindet.
• Überzieht man den zu zerstäubenden Draht mit einem nicht odor schlecht leitenden Stoff, so erhält man, gegebenenfalls nach Vorheizung, Niederschläge, .in denen je nach dem Mengenverhältnis das Kernmaterial in hochdisperser Form in dem überzugsstoff verteilt ist, oder umgekehrt.
• Durch geeignet-- Dosierung der die Explosion bewirkenden elektrischen Energie und durch Einhaltung eines bestimmten Füllgasdruckes hät man es in der Hand, die Beschaffenheit und Haftfestigkeit der Abscheidungen weitgehend zu beeinflussen. Hohes Vakuum, wie es beispielsweise das Grenzuakuum einer Diffusionspumpe darstellt, und starke Stromstöße ergeben dichte und glatte Niederschläge, während Druckerhöhung des Füllgases und begrenzte Zerstäubungsenergie die Bildung pulveriger Abscheidung begünstigt.
• Zur Erleichterung der Druckregulierung ist es vorteilhaft, in letzterem Falle im strömenden Gas zu arbeiten. Die Wahl des Füllgases ist von der Art des zu zerstäubenden Stoffes abhängig. Metalle und Legierungen werden zweckmäßig in reduzierenden oder inerten Gasen, wie Wasserstoff, oder den Edelgäsen, Oxyde beispielsweise in Sauerstoff zur Explosion gebracht.
• Die bei der thermischen Verdampfung gefundene Eigentümlichkeit, daß gewisse Elemente, wie Chrom, Nickel und Wolfram, in dünner Schicht aufgebracht, die Haftfestigkeit des darauf niedergeschlagenen Metalls, das für sich allein keine genügende Haftfestigkeit besitzt, erhöht, trifft auch auf die bei der elektrischen Explosion hergestellten Schichten zu. In gleicher Weise wirkt eine sclwachL Glimmentladung im Zerstäubungsgefäß' während der elektrischen Explosion günstig auf die Haftfestigkeit der Niederschläge ein.
• Die Dicke der Niederschläge läßt sich durch Änderung der Länge und Dicke des zu zerstäubenden Drahtes, durch seinen Abstand von der auffangenden Fläche und die Zahl der Einzelbetäubungen leicht zwischen einigen Ä und mehreren ,u einstellen.
• Das vorliegende Verfahren bietet gegenüber den bekannten Kondensationsverfahren der Kathodenzerstäubung und thermischen Verdampfung den Vorteil, daß sich schlechthin alle Metalle und Legierungen niederschlagen lassen, ohne claß sich bei den letzteren naeß bare Änderungen in der ursprünglichen Zusammensetzung einstellen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die thermischen Eigenschaften der Legierungskomponenten weit aüseinanderliegen, wie es beispielsweise bei Aluminium und Eisen oder Kupfer und Zink der Fall ist.
• Die Herstellung von Legierungsniederschlägen kann aber auch durch die gleichzeitige Explosion mehrerer Drähte aus verschiedenen Metallen vorgenommen werden.
• Derartige Schichten von Legierungen genauer Zusammensetzung werden für die Herstellung von Widerständen und elektrischen Heizkörpern sowie von Blattmetall und Prägefolie benötigt. Durch geeignete Wähl der Zusammensetzung und Stärke des Niederschlages lassen sich Koerzitivkraft, Remanenz und Permeabilität der auf Papier und Folien . niedergeschlagenen magnetischen Schichten weitgehend ändern, was zum Beispiel für die Verwendung in der magnetischen Lautschrift und für das Aufbaumaterial von- Hochfrequenzspulen von Wichtigkeit ist.
• Nach dem Verfahren lassen sich Spiegel aus den verschiedensten Werkstoffen mit oder ohne Obertlächenschutzschicht herstellen. Weitere Anwendungsgebiete sind das Leitendmachen. von Nichtleitern, wie Glas, Keramik, Kabelpapier, organischen Kunststoffen und Wachs; die Herstellung von Kondensatoren, von Membranen für Kondensator-und Kohlemikrophone, von Thermoelementen und Bolometern, von Photozellen, von Schichten, die die Erzeugung von Sekundärelektronen begünstigen oder verhindern sollen, sowie von Sperrschichtzellen und ihrer stromabnehmenden Vorderwand.
• Ferner eignet sich das Verfahren der elektrischen Explosion zur Herstellung chemisch oder katalytisch wirksamer Niederschläge auf geschlossenen Flächen und auf mehr oder weniger dispersen Pulvern und zum überziehen von Gegenständen, Bändern und Drähten mit chemisch schwer angreifbaren oder harten Oberflächensclüchten aus Hartmetallen, chemisch .widerstandsfähigen Elementen, Legierungen und Verbindungen.
• Es ist möglich, nach dem beschriebenen Verfahren Niederschläge in der Form hochdisperser Pulver zu erzeugen oder die zur Explosion gelangenden Stoffe in feinsten Verteilung in Flüssigkeiten und plastische Massen einzubringen, durch Zerstäubung der Drähte in der Nähe der Oberfläche der Flüssigkeit.
• Das Verfahren ist aber auch für die bereits bekannten Anwendungsgebiete, wie Metallinierung von Ttxtilien, Papier, Leder, Folien und Gegenständen aus organischem Material, für elektrische, optische, medizinische und dekorative Zwecke geeignet.

Claims (12)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Herstellung von Niederschlägen von Metallen, Legierungen, Metalloiden und chemischen Verbindungen im Vakuum durch elektrische Explosion dünner Drähte oder Bänder, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Schaltmittel die Stromzufuhr nach einer kurzzeitigen, für die elektrische Explosion gerade ausreichenden Einschaltdauer sofort unterbrochen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß Stoffe mit hohem spezifischem Widerstand oder mit negatwem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes vor der Zerstäubung elektrisch erhitzt werderf.
3. 3. Verfahren nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Explosion in Gegenwart eines Gases erfolgt, das mit dem zu zerstäubenden Material bei hohen Temperaturen unter Bildung einer Verbindung reagiert. ¢.
4. Verfahren nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß nicht oder schlecht leitende Stoffe als überzug auf einen guten Leiter aufgebracht und mit diesem zusammen zerstäubt werden.
5. 5. Verfahren nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung dichter und glatter Niederschläge ein hohes Vakuum und starke Stromstöße benutzt werden und daß zur Erzielung matter und pulveriger Abscheidungen höhere Drucke und begrenzte 75erstäubungsenergie angewende werden.
6. 6. Verfahren nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekenn zeichnet, daß eine größere Anzahl vor. Drähten oder Bändern im Vakuumgefäf angeordnet und gleichzeitig oder nachein. ander zerstäubt werden.
7. 7. Verfahren nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekenn. zeichnet, daß die zerstäubten Teilchen durch ein magnetisches Gebläse in eine bevorzugte Richtung abgelenkt werden. B.
8. Verfahren nach Anspruch i oder einem der folgendeh, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer ununterbrochenen Niederschlagsarbeit der zerstäubte Draht fortlaufend durch einen neuen Draht ersetzt und in schneller Folge wieder zur Explosion gebracht wird.
9. 9. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch $, gekennzeichnet durch einen mit einer den zur Explosion zu bringenden Draht (o) selbständig ergreifenden und transportierenden Klemm-Torrichtung (g, i) versehenen, drehbeweglich gelagerten und angetriebenen Hebel (c), der mit einem feststehenden und mit einer Halte- und Führungsvorrichtung (f, h) für den Draht versehenen zweiten Hebel (b) zusammenwirkt. i o.
10. Anordnung nach Anspruch g, dadurch gekennzeichnet, daß ein an! drehbeweglichen (e) und festen Hebel (b) angeordnetes drehbewegliches Hebelsystem vorgesehen ist, dessen einer Hebel (k) im Augenblick der Explosion in der Nähe der Haltevorrichtung des festen Hebels (b) an dem Draht (o) derart anliegt, daß ein völliges Zerstäuben des Drahtes zwischen den beiden Haltevorrichtungen vermieden wird. i i.
11. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Transport und Zerstäuben des Drahtes (o) ein mit mehreren speichenartigen Hebeln (c) versehenes, isoliertes, drehbar gelagertes Teil vorgesehen ist, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß der zwischen zwei Hebeln befindliche Draht (o) zur Explosion gebracht wird.
12. 12. Anordnung nach Artspruch i i, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigunz des Drahtes durch Anschweißen er-