CN104926088B - 高均匀合成石英玻璃砣的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高均匀合成石英玻璃砣的制备方法，采用立式沉积炉通过化学气相沉积制备，原料通入燃烧器，在沉积炉内发生化学反应，形成二氧化硅颗粒，其中石英玻璃砣的沉积基底为由底面和侧壁围成的凹形的沉积池，化学气相合成形成的二氧化硅颗粒熔化并在沉积池中自由扩散与沉积，沉积面的温度梯度小于20℃。本发明提高石英玻璃砣组分分布的一致性，生产出径向与轴向结构均匀的石英玻璃砣。

Description

高均匀合成石英玻璃砣的制备方法

技术领域

本发明涉及石英玻璃砣制备技术领域，尤其涉及一种高均匀合成石英玻璃砣的制备方法。

背景技术

高均匀合成石英玻璃是航天、核技术、激光、精密仪器等高科技领域的不可替代的关键基础材料，光学不均匀严重影响光学系统的成像质量。

目前，合成石英玻璃砣的熔制方法主要有卧式化学气相沉积法和立式化学气相沉积法。由于卧式化学气相沉积法无法生产大尺寸、高重量的石英玻璃砣，且炉温低、能耗大且效率低，已逐步被立式化学气相沉积所取代。现有立式化学气相沉积技术中，主要是通过将氢气和氧气在燃烧器中燃烧产生水蒸气后与燃烧器下料管中气态四氯化硅反应产生二氧化硅颗粒，二氧化硅颗粒直接沉积在基础杆上形成石英玻璃砣。在沉积石英玻璃砣过程，通过高温熔融的石英玻璃砣的离心力和重力作用，被迫使中心的石英玻璃逐步向边部扩散而生长成形，以便得到较大直径的石英玻璃砣。而为了保证石英玻璃砣的稳定成形，该沉积方法必然要求沉积砣面存在一定的温度梯度，否则如果中心与边部温度一致，玻璃液在高温下会无限的流动，造成石英玻璃砣无法成形。因此，采用该方法沉积合成石英玻璃，不管设置多少个燃烧器，均要求沉积面的温度梯度至少在200℃以上。

沉积面的温度梯度会使石英玻璃砣的中心到边部的结构存在较大差异，如石英玻璃的羟基含量沿中心到边部逐渐降低，这导致了石英玻璃的折射率、密度等分布不均匀，进而影响石英玻璃的沉积面方向的结构均匀性。同时，采用该方法制造石英玻璃砣的沉积机理是依靠离心力和重力作用被迫由中心逐步向边部扩散而形成的，即整个沉积面为正态分布形态，导致石英玻璃砣的纵向分布出现层状现象，严重影响了其纵向结构均匀性。因此，采用该方法制造的石英玻璃砣都存在结构不均匀的现象，进而影响石英玻璃的一维和三维的光学均匀性、应力等性能，最终破坏航天、核技术、精密仪器等领域精密光学系统的成像质量。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种高均匀合成石英玻璃砣的制备方法，主要目的是提高石英玻璃砣组分分布的一致性，生产出径向与轴向结构均匀的石英玻璃砣。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供了一种高均匀合成石英玻璃砣的制备方法，采用立式沉积炉通过化学气相沉积制备，原料通入燃烧器，在沉积炉内发生化学反应，形成二氧化硅颗粒，其中

石英玻璃砣的沉积基底为由底面和侧壁围成的凹形的沉积池，化学气相合成形成的二氧化硅颗粒熔化并在沉积池中自由扩散与沉积，沉积面的温度梯度小于20℃。

作为优选，沉积面温度为1300℃～1800℃。

作为优选，所述沉积池的侧壁与底面的角度为90°～150°。

作为优选，所述沉积池的材质为耐火材料，所述耐火材料为氧化铝、氧化锆或锆石英。

作为优选，所述沉积池的外围设有用于提高石英玻璃沉积砣边缘温度的辅助加热装置。

作为优选，所述辅助加热装置的加热方式为电阻丝加热、高温加热棒或氢氧火焰加热方式。

作为优选，所述辅助加热装置与沉积池之间设置一圈炉衬，所述炉衬上具有多个导热通孔，导热通孔的直径为2mm～20mm。

作为优选，所述炉衬采用碳化硅、氮化硅或氧化铝制成。

作为优选，燃烧器与垂直线的夹角为0°～45°，燃烧器的出口与沉积砣面之间的距离为200mm～400mm,沉积过程中燃烧器出口至沉积面的距离恒定。

作为优选，沉积炉的底部设置1～4个尾气排风口，并采用强制排风装置，使沉积炉膛内产生的尾气有序排出，保证沉积炉膛内气流场的稳定，以及使沉积炉膛内形成微正压，防止外界空气进入沉积炉膛内。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明实施例提供的高均匀合成石英玻璃砣的制备方法通过采用凹型的沉积池，代替现有技术中平面或弧形的沉积基底，进而避免沉积过程要求沉积砣面存在温度梯度，保证石英玻璃砣的稳定形成；在此基础上，可以提高炉膛及整个沉积砣面的温度，特别是提高沉积砣面边部的温度，减少或消除砣面温度梯度，使砣面温度分布均匀一致，进而使化学气相合成形成的二氧化硅颗粒沉积在凹形的沉积池中，在更高温度和更均匀的温度场下继续熔化与扩散，进而改善石英玻璃中羟基等组分沿径向与轴向分布均匀，从而提高石英玻璃的结构均匀性。

附图说明

图1为本发明实施例1的制备方法采用沉积炉的结构示意图。

图2为本发明实施例2的制备方法采用沉积炉的结构示意图。

图3为本发明实施例3的制备方法采用沉积炉的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

实施例1

图1为本发明实施例的制备方法采用沉积炉的结构示意图。请结合图1，同时可参照图2和图3。

高均匀合成石英玻璃砣的制备方法，步骤如下：

二氧化硅颗粒的形成：四氯化硅原料直接进入四氯化硅蒸发系统，产生四氯化硅蒸气，通过质量流量控制器调节进入燃烧器4的四氯化硅蒸气以及氢气和氧气的流量，四氯化硅蒸气在燃烧的氢氧火焰中发生化学反应，形成二氧化硅颗粒；各原料气体的流量本领域技术人员可根据需要进行设定，或采用现有技术的流量。本实施例中四氯化硅蒸气流量为20g/min，四氯化硅蒸气进入燃烧器4的中心料管，燃烧器4中氢气和氧气的流量分别为330L/min和170L/min。燃烧器4设置于沉积炉的炉顶5，燃烧器4的个数最多为两个。当设置三个甚至更多燃烧器时，在沉积过程中各燃烧器间的气流和火焰等相互干扰影响，扰乱炉膛11内的气流场。影响了石英玻璃砣的稳定沉积，并造成石英玻璃砣内形成气泡、不均匀等严重质量缺陷，使制得的石英玻璃砣无法使用。如图1所示，本实施例中燃烧器为一个，燃烧器与垂直线的夹角为30°。

二氧化硅颗粒的沉积：在氢氧火焰中形成的二氧化硅颗粒在设定的沉积温度下继续熔化与扩散逐步沉积在旋转的凹形沉积池1中，沉积过程中保持沉积面的中心到边缘的温度梯度在设定的范围内，沉积面的温度梯度越小，石英玻璃中羟基等组分沿径向与轴向分布越均匀，从而提高石英玻璃的结构均匀性。本实施例中沉积过程中保持石英玻璃砣6的沉积面温度为1600℃左右，沉积面从边缘到中心的最大温度梯度为10℃，即沉积面的中心的温度比边缘的温度高10℃之内。本发明实施例的制备方法中，沉积面的温度为1300℃～1800℃，即温度最低为1300℃，改变了现有技术中沉积面的边缘的温度必须低于1300℃的限制，本发明实施例的制备方法中，沉积面的温度可提高至1800℃，保证沉积砣面的温度分布均匀性、减少温度梯度，保证了二氧化硅的自由扩散，提高了石英玻璃砣的均匀性。沉积池1采用耐火材料制备，本实施例中沉积池1采用氧化铝加工制作而成，当然并不排除其他耐火材料。沉积池1为敞口容器，更加利于二氧化硅在沉积池内沉积，本实施例中沉积池1的侧壁与底面的角度为120°。沉积过程中保持沉积距离(燃烧器4的出口至沉积面的距离)恒定。基础杆8自炉底10伸入炉膛11，沉积池1设于基础杆8的顶部，通过机械自动控制装置使基础杆8旋转并下降，位于基础杆顶部的沉积池1连通基础杆一同旋转并连续下降，从而带动合成石英玻璃砣6随之下降，保持沉积距离恒定。本实施例中沉积距离为300mm。为了减小沉积过程中沉积面的温度梯度，同时控制沉积面的沉积温度，本实施例中沉积炉炉膛11内围绕沉积池1设置一圈辅助加热装置3，辅助加热装置的加热方式可以是电阻丝加热、高温加热棒或氢氧火焰加热方式。本实施例中采用U型的高温加热棒作为辅助加热装置。辅助加热装置3在较少燃烧器(1-2个)的情况下提高沉积面的整体温度和边部温度，并减小沉积面的温度梯度，避免炉膛内气流场的紊乱，使气流场顺畅，保证了石英玻璃砣的稳定沉积，进而提高其内在质量、减少缺陷的形成。在辅助加热装置3与沉积池1之间设置一圈炉衬2以控制辅助加热装置3对石英玻璃砣的影响，通过在炉衬上设置多个导热通孔使辅助加热装置产生的热量传递至炉衬2内部，配合燃烧器燃烧产生的热量使石英玻璃砣6的沉积面保持需要的温度，并使沉积面的温度梯度控制的规定的范围内。炉衬采用耐高温材料制成，本实施例中炉衬为碳化硅制成的圆筒。本实施例中导热通孔为直径2mm的微孔，导热通孔均匀分布，当然导热通孔也可随机分布。在沉积炉的下方设置尾气排风口，并采用强制排风装置，保证沉积炉的炉膛内形成微正压，压力为3pa。本实施例中在沉积炉的下方设置2个对称的尾气排风口9。本发明实施例中可以进一步在炉壁7设置保温层71，以减少热量损失，保持炉膛11内的高温，并能较小径向的温度梯度。保温层71采用耐高温保温材料制成，如岩棉等耐高温的无机保温材料。

合成石英玻璃砣的形成：通过上述步骤的连续进行，沉积池中的合成石英玻璃砣逐渐生长，沉积20天后，停炉，制得重量约80Kg、直径为Φ500mm、高185mm的合成石英玻璃砣。当然，也可以通过调整沉积池的内径的大小和侧壁的高度以便得到其他规格的合成石英玻璃砣。

对上述实施例获得的合成石英玻璃砣的性能进行检测：将沉积得到的石英玻璃砣切割成两块约85mm厚的石英玻璃坯片，并将坯片进行精密退火，再经过滚圆、铣磨、平面磨、研磨和抛光等冷加工工序后，制得两块规格尺寸为Φ480mm×80mm的石英玻璃成型坯片。利用平面激光干涉仪检测上述两块石英玻璃成型坯片的光学均匀性分别为3.5×10^-6和3.8×10^-6。而未采用本发明实施例中的沉积池的现有立式化学气相沉积法制得的石英玻璃光学均匀性仅为12×10^-6，与本发明实施例制得的石英玻璃坯片光学均匀性相比具有较大差距。显然本发明实施例制得的石英玻璃砣属于高均匀合成石英玻璃砣。

实施例2

本实施例采用图2所示的沉积炉。下面结合图2进行说明。

高均匀合成石英玻璃砣的制备方法，与实施例1的不同如下：

二氧化硅颗粒的形成：四氯化硅原料直接进入四氯化硅蒸发系统，产生四氯化硅蒸气，通过质量流量控制器调节四氯化硅蒸气流量为25g/min，进入燃烧器4的中心料管，并保持燃烧器4中氢气和氧气等燃料的流量分别为380L/min、205L/min进行燃烧器，四氯化硅蒸气在燃烧的氢氧火焰中发生化学反应，形成二氧化硅颗粒；燃烧器为2个，对称分布，且燃烧器4与垂直线的夹角为30°。

二氧化硅颗粒的沉积：在氢氧火焰中形成的二氧化硅颗粒逐步沉积在旋转的凹形沉积池1中，沉积池1采用锆石英耐火材料加工制作，沉积池的侧壁与底面的角度为140°；沉积过程中，沉积距离恒定为250mm，沉积面温度为1700℃左右，沉积面从边缘到中心的最大温度梯度为8℃；本实施例中采用电阻丝作为辅助加热装置，以氮化硅制成的圆筒作为炉衬2，炉衬2上的导热通孔的直径为10mm，导热通孔随机分布。本实施例中在沉积炉的下方设置4个对称的尾气排风口，并采用强制排风装置，保证沉积炉膛内形成微正压，压力为2.5pa。

合成石英玻璃砣的形成：通过上述步骤的连续进行，沉积池中的合成石英玻璃砣逐渐生长，沉积15天后，停炉，制得重量约100Kg、直径为Φ620mm、高150mm的合成石英玻璃砣。

对上述实施例获得的合成石英玻璃砣的性能进行检测：将沉积得到的石英玻璃砣切割成两块约70mm厚的石英玻璃坯片，并将坯片进行精密退火，再经过滚圆、铣磨、平面磨、研磨和抛光等冷加工工序后，制得两块规格尺寸为Φ600mm×60mm的石英玻璃成型坯片。利用平面激光干涉仪检测上述两块石英玻璃成型坯片的光学均匀性分别为4.3×10^-6和4.1×10^-6。显然本发明实施例制得的石英玻璃砣属于高均匀合成石英玻璃砣。

实施例3

本实施例采用图3所示的沉积炉。下面结合图3进行说明。

高均匀合成石英玻璃砣的制备方法，与实施例1的不同如下：

二氧化硅颗粒的形成：四氯化硅原料直接进入四氯化硅蒸发系统，产生四氯化硅蒸气，通过质量流量控制器调节四氯化硅蒸气流量为15g/min，进入燃烧器4的中心料管，并保持燃烧器4中氢气和氧气等燃料的流量分别为330L/min、150L/min进行燃烧器，四氯化硅蒸气在燃烧的氢氧火焰中发生化学反应，形成二氧化硅颗粒；燃烧器4为1个，燃烧器4垂直设置于沉积炉的炉顶。

二氧化硅颗粒的沉积：在氢氧火焰中形成的二氧化硅颗粒逐步沉积在旋转的凹形沉积池1中，沉积池1采用氧化铝耐火材料加工制作，沉积池的侧壁与底面的角度为90°；沉积过程中，沉积距离恒定为320mm，沉积面温度为1500℃左右，沉积面从边缘到中心的最大温度梯度为15℃；本实施例中采用一圈氢氧燃烧器作为辅助加热装置，以氧化铝制成的圆筒作为炉衬2，炉衬2上的导热通孔的直径为20mm，导热通孔均匀分布。本实施例中在沉积炉的下方设置2个对称的尾气排风口，并采用强制排风装置，保证沉积炉膛内形成微正压，压力为2.5pa。

合成石英玻璃砣的形成：通过上述步骤的连续进行，沉积池中的合成石英玻璃砣逐渐生长，沉积18天后，停炉，制得重量约65Kg、直径为Φ500mm、高150mm的合成石英玻璃砣。

对上述实施例获得的合成石英玻璃砣的性能进行检测：将沉积得到的石英玻璃砣切割成两块约70mm厚的石英玻璃坯片，并将坯片进行精密退火，再经过滚圆、铣磨、平面磨、研磨和抛光等冷加工工序后，制得两块规格尺寸为Φ480mm×60mm的石英玻璃成型坯片。利用平面激光干涉仪检测上述两块石英玻璃成型坯片的光学均匀性分别为3.9×10^-6和4.2×10^-6。显然本发明实施例制得的石英玻璃砣属于高均匀合成石英玻璃砣。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.高均匀合成石英玻璃砣的制备方法，采用立式沉积炉通过化学气相沉积制备，原料通入燃烧器，在沉积炉内发生化学反应，形成二氧化硅颗粒，其特征在于，石英玻璃砣的沉积基底为由底面和侧壁围成的凹形的沉积池，化学气相合成形成的二氧化硅颗粒熔化并在沉积池中自由扩散与沉积，沉积面的温度梯度小于20℃，

所述的原料为四氯化硅蒸气、氢气和氧气；

所述沉积池的侧壁与底面的角度为90°～150°；

所述燃烧器与垂直线的夹角为0°～45°，

所述沉积池的外围设有用于提高石英玻璃沉积砣边缘温度的辅助加热装置。

2.根据权利要求1所述的高均匀合成石英玻璃砣的制备方法，其特征在于，

所述沉积池的侧壁与底面的角度为大于90°小于或等于150°；

所述燃烧器与垂直线的夹角为大于0°小于或等于45°。

3.根据权利要求1所述的高均匀合成石英玻璃砣的制备方法，其特征在于，沉积面温度为1300℃～1800℃。

4.根据权利要求1所述的高均匀合成石英玻璃砣的制备方法，其特征在于，所述沉积池的材质为耐火材料，所述耐火材料为氧化铝、氧化锆或锆石英。

5.根据权利要求1所述的高均匀合成石英玻璃砣的制备方法，其特征在于，所述辅助加热装置的加热方式为电阻丝加热、高温加热棒或氢氧火焰加热方式。

6.根据权利要求1所述的高均匀合成石英玻璃砣的制备方法，其特征在于，所述辅助加热装置与沉积池之间设置一圈炉衬，所述炉衬上具有多个导热通孔，导热通孔的直径为2mm～20mm。

7.根据权利要求6所述的高均匀合成石英玻璃砣的制备方法，其特征在于，所述炉衬采用碳化硅、氮化硅或氧化铝制成。

8.根据权利要求1所述的高均匀合成石英玻璃砣的制备方法，其特征在于，所述燃烧器的个数不超过2个；燃烧器的出口与沉积砣面之间的距离为200mm～400mm,沉积过程中燃烧器出口至沉积面的距离恒定。

9.根据权利要求1所述的高均匀合成石英玻璃砣的制备方法，其特征在于，沉积炉的底部设置1～4个尾气排风口，并采用强制排风装置，使沉积炉膛内产生的尾气有序排出，保证沉积炉膛内气流场的稳定，以及使沉积炉膛内形成微正压，防止外界空气进入沉积炉膛内。