DE1964991A1

DE1964991A1 - Verfahren zur Herstellung von Gegenstaenden mit Staeben von kleinem Querschnitt und danach hergestellte Erzeugnisse

Info

Publication number: DE1964991A1
Application number: DE19691964991
Authority: DE
Inventors: Cline Harvey Ellis; Russell Robert Richard
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-12-30
Filing date: 1969-12-24
Publication date: 1970-07-09
Also published as: JPS494142B1; FR2040975A5

Description

Verfahren zur Herstellung von Gegenständen mit Stäben von kleinem Querschnitt und danach hergestellte Erzeugnisse

Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein die Erzeugung von Gegenständen mit im wesentlichen geraden und parallelen Stäben, Nadeln oder Fasern von einmalig kleinem Querschnitt, die aus einer Grundfläche hervorragen, sowie daraus hergestellte Erzeugnisse und Kombinationen dieser Gegenstände mit anderen Materialien, die zweckmässig zusammengesetzte Körper ergeben.

Es ist bereits seit langem bekannt, dass ein Körper, der sich aus einer Grundfläche und Stäben oder Nadeln mit ausserordentlich kleinem Querschnitt zusammensetzt, welche aus dieser Grundfläche hervorragen, eine Vielzahl von bedeutsamen Anwendungsmöglichkeiten besitzt, beispielsweise als Kaltkathode für die Erzeugung von Feldemissionseffekten. Auf diese Weise

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die
werden/Mängel der bekannten Vorrichtungen vermieden, in denen Drähte an einem Träger festgeschweisst oder auf andere Weise mechanisch befestigt sind.

Gemäss der vorliegenden Erfindung wird ein Gebilde erzeugt, bei dem aus einer Grundfläche oder einem Träger feine, im wesentlichen gleichmässige Stäbe oder Drähte hervorragen. Falls gewünscht, können diese Stäbe im Durchmesser unter einem Mikron

liegen und eine hohe Dichte aufweisen, beispielsweise 10 Stäbe

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pro cm , wodurch die Anforderungen an die Betriebsspannung wesentlich niedriger sind als bei den bekannten Erzeugnissen. Darüber hinaus kann dieses erfindungsgeraässe Gebilde viel leichter und schneller durch das erfindungsgemässe Verfahren hergestellt werden. In diesem Verfahren lässt sich die Länge, mit der die Drähte aus der Grundfläche herausragen, leicht steuern. Darüber hinaus kann das freie Ende der Drähte für spezielle Anwendungen zugespitzt oder verjüngt ausgebildet werden, um beispielsweise die Feldliniendichte zu erhöhen. Weiterhin können Kosten für eine solche Kathode dadurch verringert werden, dass man von einem erfindungsgemässen Gegenstand eine Nachbildung aus Kunststoff herstellt und dann auf der Nachbildung Metall abscheidet, um ein Produkt zu erhalten, das im wesentlichen die gleiche geometrische Form aufweist, wie die ursprüngliche Vorlage.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann ein Körper hergestellt werden, der einen Träger oder Kern umfasst, aus dem Drähte oder Stäbe herausragen; dieser Körper kann aus einer in gerichteter Weise erstarrten Legierung hergestellt werden, um Gegenstände zu erzeugen, die der obigen Forderung voll entsprechen. Weiterhin können erfindungsgemäss im wesentlichen parallele Stäbe einheitlicher Grosse hergestellt werden.

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Der Fachmann wird ein weiteres und besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung zusammen mit der Abbildung erhalten. Die Abbildung zeigt bei einer Vergrösserung von 7500 fach die geätzte Oberfläche eines Probestücks aus Nickel-Wolfram, das, wie in Beispiel 1 offenbart, hergestellt ist. Die Nickelmatrix ist teilweise weggeätzt worden und die freiliegenden zugespitzten Wolframnadeln sind von der Oberfläche abgeschnitten worden, um ihre Gestalt besser darzustellen.

Allgemein gesprochen ist ein Gegenstand nach dieser Erfindung ein fester Körper, der eine Vielzahl von Stäben mit minimalem Querschnitt hat, die aus dem Körper herausragen. Diese Stäbe sind im wesentlichen aufeinander ausgerichtet, d. h. sie sind so angeordnet, dass ihre Längsachsen im wesentlichen parallel zueinander sind.

Der Ausdruck "gerichtete Erstarrung" wird hier in dem Sinne verwendet, dass er die Erstarrung der Legierung in einer einzigen Richtung bedeutet. Weiterhin definiert der Ausdruck "Phase" eine Substanzmenge, die im wesentlichen die gleichen Eigenschaften hat, beispielsweise Kristallstruktur und Zus amme ns e t zung.

Kurz gesagt, umfasst das Verfahren der vorliegenden Erfindung das Giessen einer Legierung, welche im festen Zustand mindestens zwei Phasen umfasst. Die gegossene Legierung wird gerichtet erstarrt, um eine Struktur herzustellen, in der eine der Phasen als Vielzahl von im wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten Stäben vorhanden ist, welche sich durch die zweite Phase hindurch erstrecken, die als eine Matrix dient. Die gerichtet erstarrte Struktur wird geätzt, um selektiv mindestens einen Teil der Matrix zu der gewünschten Tiefe zu entfernen, wodurch die stabähnlich ausgebildete Phase teilweise freigelegt wird.

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Die Legierung nach der vorliegenden Erfindung ist eine eutektische Legierung, welche aus mindestens zwei Phasen im festen Zustand besteht. Sie muss lediglich aus einer Zusammensetzung bestehen, welche beim Giessen und gerichteten Erstarren die stabförmige Phase erzeugt. Eine solche Zusammensetzung ist die eutektische Zusammensetzung oder im allgemeinen eine nahe bei der eutektischen Zusammensetzung liegende Mischung. Der Bereich beidersei+s der eutektischen Zusammensetzung, in dem eine bestimmte Legierung liegen kann, ist empirisch bestimmbar. Für die Mehrzahl dieser Legierungen liegt der Bereich im allgemeinen bis zu etwa 10 Gew.% neben der eutektischen Zusammensetzung.

Es gibt eine Anzahl von eutektischen Legierungen, welche, wenn sie gerichtet erstarrt werden, eine Phase in einer stabähnlichen Form aufweisen, wie es durch die vorliegende Erfindung gefordert wird. Repräsentativ für diese Legierungen sind NiAl-Cr, Ni-W, NiAl-Mo, Al-Al₃Ni, Ta-Ta₃C, CoAl-Co, Cb-Cb₃C₁ Cb-Th, Ni-Ni₁₇Th₃, Ni-Ni₃P₁ Co-Co₁₇Y₂, Fe-FeSb, Cr-C₁ Ti-B, Ti-Th, V-V₃Si, Ni-Ni₃B₁ InSb-Sb und Cu-Cr. Typisch für Legierungen mit nicht metallischen Eigenschaften, welche ebenfalls für die vorliegende Erfindung brauchbar sind, sind NaF-LiF, LiF-NaCl, NaF-NaCl und NaF-NaBr.

Bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens werden die Legierungskomponenten miteinander eingeschmolzen, um eine möglichst gleichförmige Schmelze zu erhalten. Die Schmelze wird dann nach einem konventionellen Verfahren in die ge wünschte Grosse abgegossen.

Die gegossene Legierung kann durch eine Anzahl von konventionellen Verfahren gerichtet erstarrt werden, welche das Fortschreiten der Trennfläche fest-flüssig in einer Richtung ge statten, d. h. die Abkühlung des Gussstücks von einem linde zun anderen. Im allgemeinen bestellt die Vorrichtung aus einer erhitzten vertikalen Gusnform, die pn ihren unteren Kndo mit

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einem Kühlsystem, gewöhnlich mit Wasser als Kühlmittel, und mit einer Vorrichtung zur Steuerung der Erstarrungsgeschwiridigkeit versehen ist, gewöhnlich dadurch, dass die den Guss enthaltende Gussform mit konstanter Geschwindigkeit von der Wärmequelle wegbewegt wird, die zum Schmelzen des Guss teils verwendet wird.

Die stabförmige Phase, welche in der gerichtet erstarrten Legierung erzeugt wird, ist von der spezifischen Zusammensetzung der Legierung und von ihrer Erstarrungsgeschwindigkeit abhängig. Die Erstarrungsgeschwindigkeit kann in einem grossen Bereich schwanken. Die spezifische Erstarrungsgeschwindigkeit kann empirisch ermittelt werden und hängt zum grössten Teil von der bestimmten Zusammensetzung der ,.,egierung und der Grosse der zu erzeugenden Stäbe ab. Eine zufriedenstellende gerichtete Erstarrung einer Anzahl von Legierungen kann durchgeführt werden mit einer Geschwindigkeit im Bereich von etwa 1 χ 10"' cm/sec bis 0,1 cm/sec. Je schneller die Erstarrungsgeschwindigkeit ist, umso feiner und enger beieinander sind die Stäbe. Umgekehrt werden bei einer Verringerung der Erstarrungsgeschwindigkeit wenige Stäbe ausgebildet, die jedoch im wesentlichen einen entsprechend grösseren Durchmesser besitzen. Eine zu grosse Erstarrungsgeschwindigkeit für eine bestimmte Legierungszusammensetzung kann zur Ausbildung von nicht gleichmässigen Stäben führen. Für die meisten Anwendungen können die Stäbe eine Dicke im Bereich von etwa

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1000 A bis 10 Mikron besitzen. Die Dichte der Stäbe kann

9 2 entsprechend im Bereich von etwa 10 pro cm bis etwa 10" pro cm liegen.

Im allgemeinen wird vor dem Xtzen der gerichtet erstarrte Gussblock in einer Richtung quer zu der stabhaltigen Phase auf die für das Ätzen erwünschte Grösse geschnitten. Hierzu kann jede konventionelle Vorrichtung, beispielsweise eine be wegte Säge, eine Trennscheibe oder ein Funkenschneidverfahren verwendet werden. Die Scheiben können in Abhängigkeit von der

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Festigkeit der Legierung und der endgültigen Verwendung des geätzten Produktes jede gewünschte Dicke aufweisen. Die Legierungsscheibe kann unmittelbar geätzt werden, oder vorzugsweise wird sie vor dem Ätzen poliert, um die während der mechanischen Abtrennung erzeugte gestörte Oberflächenschicht zu beseitigen. Das Polieren ist ausserdem nützlich bei der Verkleinerung der Scheibe auf die gewünschte Dicke.

Das Ätzen der Legierung kann auf verschiedenste Weise durchgeführt werden. Die Probe kann ,jede gewünschte Form aufweisen, und nur der Teil der Probe, aus dem Stäbe herausragen sollen, muss selektiv zur Abtragung der Matrix geätzt werden. Beispielsweise kann bei einer Legierung in Form einer Scheibe eine Seite der Scheibe mit Ätzmittel in Berührung gebracht werden, um die Matrix abzuätzen und Stäbe der gewünschten Länge zu erhalten. Wenn gewünscht können beide Seiten der Scheibe mit Ätzmittel in Berührung gebracht werden, um die Matrix auf beiden Seiten abzuätzen. Für einige Anwendungen kann es erwünscht sein, die gesamte Probe in Ätzmittel einzutauchen, um die Matrix abzuätzen, wodurch ein Kern zurückbleibt, aus dem aus beiden Seiten Stäbe herausragen. In einigen Fällen, besonders wenn die Probe sehr dünn ist und die Stäbe sehr fein sind, wird das Ätzen vorzugsweise elektrolytisch durchgeführt, da eine solche Ätzung, obwohl sie mit grosser Geschwindigkeit verläuft, leicht beherrscht werden kann.

Das bestimmte verwendete Ätzmittel hängt in starkem Masse von der spezifischen Zusammensetzung der stabähnlichen Phase und der Matrix, welche sie durchsetzt, ab. Solche Zusammensetzungen sind aus Phasendiagrammen in der Literatur bekannt. Wenn das Phasendiagramm nicht verfügbar ist, dann können die Zusammensetzungen durch standardmässige metallografIsche Verfahren und durch Rontgenanalvse leicht ermittelt werden. Das verwendete Ätzmittel sollte selektiv die Matrix wegätzen und die restliche Probe nicht wesentlich beeinflussen. Bei Beendigung der Ätzung sollte die Probe mit Wasser oder einem Neutralisationsmittel

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gespült werden, um weiteres Ätzen zu unterbrechen.

Zusätzlich dazu können für bestimmte Anwendungen die freien Endteile der Stäbe verjüngt oder zugespitzt ausgebildet werden, beispielsweise dadurch, dass die freien Endteile der Stäbe aus einem geeigneten Elektrolvten herausgezogen werden, während sie elektrolytisch geätzt werden.

Alternativ zur Anwendung als Kaltkathode kann der durch das vorliegende Verfahren erzeugte Gegenstand als Mutterstempel, als Schablone oder als Prägestempel für die Herstellung von billigen Kopien aus Materialien verwendet werden, welche für verschiedenste Zwecke besonders erwünschte Eigenschaften besitzen. Solche Kopien können in konventioneller Weise mit einer Anzahl von Materialien hergestellt werden, welche sich an die Form der Stäbchen anschmiegen können und/oder in die feinen Hohlräume zwischen den Stäbchen eindringen können. Besonders brauchbare Materialien zur Herstellung billiger Kopien sind Polymere und Elastomere. Diese Materialien können in erweichter oder in flüssiger Form oder in Form von Lösungen, Dispersionen oder Emulsionen verwendet werden. Beispielsweise kann auf den Stäbchen ein dünner Film eines Polymers abgeschieden werden. Die daraus erhaltene Anordnung kann erhitzt werden, um das Polymeifzu erweichen, und ein Vakuum kann verwendet werden, um das Eindringen des Polymers in die feinen Hohlräume zwischen den Stäbchen zu begünstigen. Das thermoplastische Polymer kann auch soweit erhitzt werden, dass es flüssig wird und dann auf dem geätzten Berexch erstarrt werden. Gleicherweise kann ein durch Wärme aushärtendes Polymer vor der Umwandlung in seine durch Wftrme aushärtbare Form in flüssiger oder erweichter Form verwendet werden, und man lässt es dann auf der geätzten Fläche aushärten, um die Kopie zu bilden. Für eine Anzahl von Anwendungen ist es möglich, auf die geätzte Fläche eine Lösung, Dispersion oder Emulsion des Polymers oder des Elastomers zu giessen und sie an Ort und Stelle trocknen oder aushärten zu lassen. Die Kopie kann auf verschiedenste Weise gewonnen

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werden, beispielsweise dadurch, dass man sie von der Vorlage abzieht. Wenn die Stäbchen durch das abgeschiedene Material hindurchragen und das Material verfestigt ist, ist es nach dem Abheben für die Verwendung als Filter geeignet.

Repräsentativ für die in dem vorliegenden Verfahren zur Herstellung von Kopien verwendbaren thermoplastischen Polymere sind Zelluloseacetate, Acetylzellulose, Polyäthylen, Polypropylen und Polystyrol. Repräsentativ für die durch Wärme aushärtbaren Polymeren, welche für die vorliegende Erfindung brauchbar sind, sind durch konventionelle Härter gehärtete Epoxydkunstharze. Ebenso können Naturgummi oder synthetische Gummiarten verwendet werden.

Ein Gegenstand nach der vorliegenden Erfindung, bei dem die freien Endteile der Stäbe sich verjüngen, ist besonders brauchbar für die Herstellung feiner Filter mit sich verjüngenden Poren aus billigen Materialien. Solche Filter sind sehr nützlich, da sie für eine vorgegebene begrenzte Grosse eine grosses Strömungsmenge gestatten. Der Verjüngungsgrad in den Poren kanr dadurch eingestellt werden, dass man die Grosse der verjüngten Teile der Stäbe durch Ätzverfahren steuert und auch dadurch, dass man die Dicke des abgeschiedenen Films regelt.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Gegenstand mit einem anderen Material kombiniert, um einen zusammengesetzten Gegenstand zu erzeugen, der für gewisse Anwendungen brauchbar ist. Diese zusammengesetzten Gegenstände können so modifiziert werden, dass man Artikel für noch umfassendere Anwendungsgebiete erzeugen kann. Beispielsweise können die aus dem Träger herausragenden Stäbe oder Nadeln mit einem dielektrischen Material isoliert werden und eine solche Struktur kann dazu verwendet werden, um elektrooptische Vorrichtungen herzustellen, wie beispielsweise Targets für elektrostatische Speicherung oder Elektronenkanalvervielfacher.

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Alle nachstehend angegebenen Anteile und Mengen sind, wenn nicht anders angegeben, auf das Gewicht bezogen.

Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele weiter veranschaulicht.

In den nachstehenden Beispielen wurde eine konventionelle Anlage verwendet, um die Legierung gerichtet zu erstarren. Sie enthielt einen Induktionsschmelzofen zum Schmelzen der Legierung und einen wassergekühlten Bodenteil für die Erstarrung.

Beispiel 1

Durch Einschmelzen der Bestandteile wurde eine eutektische Legierung mit 55 Gew.% Nickel und 45 Gew.% Wolfram hergestellt. Die Bestandteile hatten ,jeweils einen Reinheitsgrad von 99,9 % und wurden unter Argonatmosph&re in einem Tonerde-Schmelztiegel eingeschmolzen. Die geschmolzene Legierung wurde in Argonatmosphäre in eine Gussform aus Kupfer gegossen, um einen zylindrischen Gussteil von einem Durchmesser von 2,2 cm und einer Länge von 15 cm herzustellen. Das Gussstück wurde in einen Tonerde-Schmelztiegel eingesetzt und mit einer Geschwind
starrt.

schwindigkeit von 7 χ 10~ cm/sec in Argon gerichtet er-

Das gerichtet erstarrte Gussstück wurde senkrecht zu der mit Wolfram angereicherten stahförmigen Phase in Scheiben geschnitten und jede Scheibe wurde mit AI₂ ⁰O-Schleifmitteln poliert, um saubere Oberflächen frei von Störungen herzustellen. Die Dicke jedes poliert®!! Stückes war etwa 1,6 mm (1/16 Zoll). Ein Stück wurd© bei Zimmer tempera tux· 10 min lang in ein Ätzmittel eingetaucht, das aus einer Lösung vom 2 Teilen konzentrierter (38 %iger) HCl und einem Teil von 30 %igeta HgO₂ bestand.

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Das Ätzmittel ätzte die Nickelmatrix selektiv ab, ohne irgendeine bedeutungsvolle Wirkung auf die Stäbchen zu besitzen. Die Abtragungsgeschwindigkeit der Matrix in dem Ätzmittel war etwa 2 bis 4 Mikron pro Minute. Dies wurde dadurch ermittelt, dass das Stück periodisch aus dem Ätzmittel herausgenommen, mit Wasser gespült und unter einem optischen Mikroskop mit hoher Vergrösserung ausgemessen wurde. Auf diese Weise erhielt man eine genaue Kontrolle der Länge der aus der geätzten Oberfläche herausragenden Wolframstäbe.

Nach dem Eintauchen in das Ätzmittel während 10 Minuten wurde das Stück aus dem Ätzmittel herausgenommen, mit Wasser abgespült und metallografisch untersucht. Die Stäbe hatten eine Länge von etwa 30 Mikron.

Diese geätzte Probe wurde als Anode in einer Standardelektrolytzelle eingesetzt, welche eine Elektrolytlösung aus 2 g Natriumhydroxid in 100 ml Wasser enthielt. Als Kathode wurde rostfreier Stahl verwendet. Bei einer Gleichspannung von 20 V wurde die geätzte Oberfläche in den Elektrolyten eingetaucht und dann während einer Zeltdauer von 10 Sekunden 5 mal langsam aus dem Elektrolyten herausgezogen.

Durch dieses Verfahren wurde ein Gegenstand hergestellt, der eine Nickelwolframunterlage mit angespitzten, daraus herausragenden Wolframfäden enthielt. Eine Untersuchung des Gegenstandes unter einem optischen Mikroskop mit hoher Vergrösserung zeigte, dass die Fäden einen Durchmesser von etwa 2 Mikron und eine Länge von etwa 30 Mikron besassen. Sie hatten eine Dichte

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von 5 000 000 Stäbchen pro cm ,' dies wurde durch Auszählung der Stäbchen auf einer Mikrofotografie und rechnerischer Ermittlung der Anzahl der Fäden pro cm anhand der bekannten Vergrößerung der Fotografie ermittelt. Die Abbildung zeigt die Gestalt einiger der Fäden, welche zur besseren Darstellung aus der Oberfläche des geätzten Nickel-Wolframstücks herausgeschnitten wurden.

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Beispiel 2

In diesem Beispiel wurde ein 4 cm grosser Teil des nach Beispiel 1 erzeugten Gegenstandes, d. h. eine Nickelwolframunterlage mit daraus herausragenden zugespitzten Wolframfäden, zur Herstellung einer Kaltkathode verwendet. Im Abstand von 0,5 mm von der Kathode wurde eine Wolframanode angeordnet, und die gesamte Anordnung wurde in ein Glasrohr eingeschlossen, das ein Ionisationsmanometer zur Vakuummessung enthielt. Das Rohr wurde bei 400⁰C ausgeheizt und auf 10~ ' Torr evakuiert. An das Rohr wurde eine Gleichspannung angelegt und bei einer Spannung von 1,5 kV wurde eine Stromstärke von 1 Mikroampere und bei einer Spannung von 2,2 kV eine Stromstärke von 1 mA erzeugt. Bei einem Strom von 1 mA wurde das Vakuum schlecht wegen der Erhitzung der Anode und über der Strecke von 0,5 mm trat eine Bogenentladung im Vakuum auf. Nach 10 Betriebsstunden und vielen Vakuumbogenentladungen bei Strömen von etwa 1 mA erhöhte sich die zur Einstellung von 1 mA Stromstärke notwendige Spannung auf 5 kV. Die Stärke des gleichförmigen Feldes, das für die Erzeugung einer Emission aus dieser Kathode erforderlich war, betrug 20 bis 100 kV pro cm. Dies kann jedoch dadurch verringert werden, dass man die Grosse, den Abstand und den Spitzenradius der Wolframnadeln optimiert.

Beispiel 3

Wie im Beispiel 1 angegeben, wurde ein gerichtet erstarrtes Gussstück des Eutektikums aus 55 Gew.% Nickel und 45 Gew.% Wolfram hergestellt. Das Gussstück war zylindrisch und hatte einen Durchmesser von etwa 3,2 mm (1/8 Zoll). Ein Ende des Gussstücks wurde geschliffen mit einem Stein, um es wie den angespitzten Endteil eines Bleistiftes abzurunden, und an der Spitze wurde ein Radius von 0,5 mm angeschliffen. Der Spitzenteil wurde durch Einspannen des Stabs in einer elektrischen Bohrmaschine glatt poliert, wobei ein Poliertuch, das mit feinem Poliermittel imprägniert war, daran gedrückt wurde,

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während er sich mit hoher Geschwindigkeit drehte. Der ganze Stab mit Ausnahme des Teils der Spitze wurde dann abgedeckt und der Spitzenteil bei Zimmertemperatur 10 Minuten lang in ein Ätzmittel eingetaucht, das aus einer Lösung von zwei Teilen konzentrierter (38 %iger) HCl und einem Teil von 30 %igem H₂O₂ bestand. Am Ende dieser Zeit wurde der Spitzenteil des Stabes aus dem Ätzmittel herausgenommen, mit Wasser abgespült und unter einem optischen Mikroskop mit hoher Vergrösserung untersucht. Das Ätzmittel hatte die Nickelmatrix selektiv abk geätzt, ohne irgendeine bedeutungsvolle Auswirkung auf die Wolframstäbchen zu zeigen. Die Stäbchen hatten einen Durchmesser von etwa 2 Mikron und eine länge von 30 Mikron.

Dieses geätzte Stück wurde als Anode in eine Standard-Elektrolyi Zelle eingesetzt, die eine Elektrolytlösung aus 2 g Natriumhydroxid in 100 ml Wasser enthielt. Als Kathode wurde rostfreier Stahl verwendet. Bei einem Gleichspannungspotential von 20 V wurde die geätzte Oberfläche in den Elektrolyt eingetaucht und dann fünfmal während einer Zeit von 10 Sekunden langsam aus dem Elektrolvten herausgezogen. Durch dieses Verfahren wurde ein Produkt hergestellt, das aus einer Nickel-Wolfram-Unterlage bestand, von der ein Endteil verjüngt aus-) gebildet war, und bei der aus diesem verjüngten Teil zugespitzte Wolframfäden herausragten. Die Fäden hatten eine

Dichte von 5 000 000 pro cm , die entsprechend Beispiel 1 ermittelt wurde.

Dieser spitze Gegenstand wurde als Kathode verwendet. In einem Abstand von 5 cm von der Kathode wurde eine ebene Leuchtschirm-Anode angeordnet, und die ganze Anordnung wurde in einem Glasrohr dicht verschlossen, das ein Ionisationsmanometer zur Messung des Vakuums enthielt. Das Rohr wurde bei 400°C aus-

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geheizt und auf 10 Torr evakuiert. An das Rohr wurde dann

. eine Gleichspannung angelegt. Bei einer angelegten Spannung von 6 kV wurde eine Emisalon von 1 Mikroampere erzeugt. Bei einer Spannung von lfl kV wurde eine Emission von 0,1 tnA er-

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zeugt und etwa 40 Flecke waren auf dem Leuchtstoffschirm, d. h. der Anode, sichtbar und deuteten eine multiple Feldemission an.

Der Strom wurde begrenzt durch die Erhitzung der Anode. Es wurde

2 eine Stromdichte von 0,1 A pro cm erzielt bevor das Vakuum sich verschlechterte. Insbesondere wurde das Rohr 25 Stunden lang bei einem Vakuum von 5 x 10" Torr und einem Strom von 0,1 mA betrieben bevor die Stromspannungscharakteristik sich zu ändern begann.Während dieser Zeit blieb der durchschnittliche Strom konstant, obwohl einzelne fadenförmige Emitter durch Ionenbombardement flackerten. Diese spitze Kathode wäre besonders brauchbar als Elektrodenkanone, wenn zur Erzeugung eines dünnen Strahlenbündels nur die Spitze des Stabes geätzt würde.

Beispiel 4

Ee wurde ein geätztes Stück aus Nicke!-Wolfram, im wesentlichen wie in Beispiel 1 offenbart, hergestellt. Die Nickelmatrix wurde auf eine Tiefe von 20 Mikron weggeätzt, wodurch Wolframdrähte mit einem Durchmesser von 2 Mikron zurückblieben, die aus der Legierungsunterlage herausragten.

Es wird erwartet, dass ein Glasfilm pyrolytisch auf der geätzten Oberfläche unter Verwendung eines flüssigen organischen Silikats abgeschieden werden könnte mit einer ausreichenden Menge, um jeden der Wolframdrähte zu isolieren.

Es wird erwartet, dass man eine Anordnung von Wolframdrähten in der Glasmatrix erhalten kann. Hierzu wäre es notwendig, die Glasoberfläche zu polieren, dann die Unterlage» aus Nickel-Wolf ramlegierung mechanisch und/oder chemisch zu entfernen, wobei gewünschtenfalls ein Metallring als Träger zurückbleiben kann. Eine, solche Struktur wäre brauchbar als Target für Ladungsspeicherung und könnte mis Gedächtnieaufzeichnung verwendet werden, die durch eine "Fllegen«ugen"-Elektronenoptik zugänglich ist. Eine sjslcjie Struktur hätte Vorteile gegenüber

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bekannten Speichertargets wegen des gleichmässigen Abstandes der Drähte.

Zusätzlich dazu ist das poröse Glas als Filter verwendbar, wenn man durch Wegätzen der in der Glasmatrix eingebetteten Stäbe Löcher erhält. Die Poren oder Löcher in dem Glas könnten jedoch durch Aufdampfverfahren mit einem Material beschichtet werden, das ein resistenter Sekundärelektronenemitter ist. Alternativ dazu könnten die Löcher stark mit Bleioxid gefüllt werden. Solche Vorrichtungen können als multiple mikrochemische Elektronenvervielfacher verwendet und in einem optischen oder Röntgenbildverstärker angewendet werden.

Beispiel 5

Es wurde eine eutektische Legierung aus 33 Gew.% Nickel, 33 Gew.% Aluminium und 34 Gew.% Chrom hergestellt. Hierzu wurden die Bestandteile, die jeweils einen Reinheitsgrad von etwa 99,9 % besassen, in einem Tonerde-Schmelztiegel unter Argonatmosphäre eingeschmolzen. Die geschmolzene Legierung wurde unter Argonatmosphäre in eine Kupferform gegossen, um ein zylindrisches Gussstück von 2,2 cm Durchmesser und 15 cm Länge herzustellen. Das Gussstück wurde in einem Tonerde-Schmelztiegel eingesetzt und in Argon mit einer Geschwindigkeit von 7 χ lo" cm pro Sekunde gerichtet erstarrt, um ein Gussstück mit einem Durchmesser von etwa 4,8 mm (3/16 Zoll) zu erzeugen, das aus parallelen chromreichen Stäben in einer intermetallischen Aluminiummatrix bestand. Die Stäbe hatten

7 einen Durchmesser von 0,5 Mikron, eine Dichte von 5 χ 10

Stäbe pro cm und nahmen 30 % des Volumejis der Probe «in.

Aus dem gerichtet erstarrten Gussstück wurde eine Scheibe so herausgeschnitten, dass die chromreiche Stabphase senkrecht zu den Schnittflächen orientiert war. Jede Fläche d®r Scheibe

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wurde mechanisch geschliffen und poliert, um eine dünne Scheibe mit ungestörten parallelen Flächen und einer Stärke von etwa 0,08 mm (0,003 Zoll) zu erhalten.

Eine polierte Fläche der dünnen Scheibe wurde dadurch geätzt, dass sie bei Zimmertemperatur in einer Lösung von 10 ml Wasser, 20 ml Salzsäure und 5 g CrO„ eingetaucht wurde, um die NiAl-Phase mit einer Geschwindigkeit von 0,1 Mikron pro Sekunde bis auf eine Tiefe von 20 Mikron zu entfernen. Diese wurde unter einem optischen Mikroskop mit hoher Vergrösserung mit Hilfe von üblichen metallografischen Verfahren ermittelt. Die chromreichen Stäbe wurden durch das Ätzen nicht angegriffen und ragten aus der geätzten Oberfläche heraus.

Nach dem ätzen wurde die dünne Scheibe so in eine Form eingesetzt, dass die geätzte Oberfläche frei blieb. Über die geätzte Oberfläche wurde flüssiges Epoxydharz, das einen Katalysator enthielt, gegossen. Das Epoxydharz wird unter dem Handelsnamen HySoI R8 - 2038 von der HySoI, Abteilung, DEXTER Gesellschaft vertrieben. Der Katalysator wird unter dem Handelsnamen HySol-Härter H 2-3404 vertrieben. Für 100 g flüssigen Kunstharz wurden etwa 11 g Katalysator verwendet. Die Form wurde in eine Vakuumkammer eingebracht, welche dann auf ein erhebliches Vakuum evakuiert wurde. Die Kammer wurde mehrfach eine Minute lang auf Vakuum und dann auf Atmosphärendruck gebracht, um das Eindringen des Kunstharzes in die feinen Hohlräume zwischen den Stäben zu fördern. Dies wurde so lange fortgesetzt, bis die visuelle Beobachtung des Epoxyds im Vakuum keine Blasenbildung und daher kein weiteres Ausgasen von Luft aus der Oberfläche der dünnen Scheibe zeigte. Die Form mit der Scheibe und dem Epoxyd wurde dann aus der Vakuumkammer herausgenommen und mehrere Stunden stehengelassen, während das Epoxydkunstharz aushärtete.

Das gehärtete Produkt wurde aus der Form herausgenommen. Die nicht geätzte Legierungsunterlage wurde sorgfältig abgeschliffen

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und wegpoliert und liess eine dünne Scheibe zurück, welche aus den im Epoxydharz eingebetteten chromreichen Stäben bestand. Es wurde ein metallografischer Längsschnitt einer Kante der dünnen Scheibe hergestellt. Er zeigte, dass die Stäbe untereinander parallel und einzeln in dem Oxidharz eingebettet waren. Die in der dünnen Epoxvdharzscheibe eingebetteten Stäbe hatten eine Länge von etwa 6 Mikron.

Diese dünne Scheibe ist brauchbar für die gleichen Anwendungen wie in Beispiel 4 angegeben.

Es können daher zusammengesetzte Gegenstände mit einer Anzahl von verschiedenen metallischen Stäben durch geeignete Wahl der eutektischen Legierung hergestellt werden. Ebenso kann das für die Ausbildung einer Matrix für die Stäbe verwendete Material verschieden sein in Abhängigkeit von den im Endprodukt erwünschten Eigenschaften und schliesst solche Materialien wie Glasarten, Metalle oder Halbleiter ein. Die Technik zur Herstellung von zusammengesetzten Gegenständen aus der geätzten Struktur gemäss der vorliegenden Erfindung könnte auf eine beliebige Kombination von Materialien für verschiedene Anwendungen ausgedehnt werden, in denen eine Kombination von Eigenschaften in feiner Verteilung erwünscht ist.

Beispiel 6

Dieses Beispiel veranschaulicht die elektrolytische Ätzung einer gerichtet erstarrten Legierungsprobe.

Eine polierte dünne Scheibe der eutektischen Legierung aus 33 Gew.% Nickel, 33 Gew.% Aluminium und 34 Gew.% Chrom wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 5 offenbart hergestellt.

Eine polierte Fläche der dünnen Scheibe wurde dadurch elektrolytisch geätzt, dass die dünne Scheibe zur Anode in einer Standard-Gleichspannungszelle bei einem Potential von 1,5 V

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gemacht wurde, die eine Kathode aus rostfreiem Stahl enthielt. Der Elektrolyt war eine Lösung von 10 ml HgO, 20 ml Salzsäure und 5 g CrO₃. Die Nickel-Aluminiummatrix wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,2 Mikron pro Sekunde bis auf eine Tiefe von etwa 20 Mikron abgeätzt. Die chromreichen Stäbchen wurden durch das Ätzen nicht angegriffen und ragten aus der geätzten Oberfläche heraus.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes, bestehend aus einer Unterlage mit daraus herausragenden, im wesentlichen parallelen Stäben mit kleinem Querschnitt, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensstufen:

a) es wird eine gegossene Legierung hergestellt, die in dem gegossenen festen Zustand mindestens zwei Phasen enthält,

b) die gegossene Legierung wird gerichtet erstarrt, um einen Körper herzustellen, in dem eine Phase als eine Vielzahl von im wesentlichen parallelen Stäben vorhanden ist, die sich durch die zweite Phase, welche als eine Matrix dient, erstrecken, und

c) die Matrix wird auf die gewünschte Tiefe abgeätzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Legierung eine Zusammensetzung entsprechend dem Eutektikum oder innerhalb eines Bereiches von 10 % neben der eutektischen Zusammensetzung besitzt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Legierung mindestens ein Element enthält, das ein Metall ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Legierung ein Nichtmetall oder Ni-W oder NiAl-Cr ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Erstarrungsgeschwindigkeit im Bereich von 1 χ 10 bis 0,1 cm/sec liegt.

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6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Ätzen weggenommene Matrix mindestens teilweise durch ein die im wesentlichen parallelen, durch das Ätzen freigelegten Stäbe umgebendes dielektrisches Material ersetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass das dielektrische Material von der Matrixunterlage abgenommen wird.

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