CN105008295B - 形成熔凝石英玻璃的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种形成熔凝石英玻璃的方法。该方法包括以下步骤：（a）提供由熔凝石英玻璃制成的起始主体(10)；（b）将熔凝石英玻璃起始主体(10)定位在底板(26)上；（c）将第一插入装置(30)插入所述起始主体(10)的内部腔体中以形成组装结构；（d）将所述组装结构加热到预定温度，在该预定温度下所述熔凝石英玻璃具有在10⁵到10¹³泊范围内的粘度；以及（e）在所述预定温度下或在10⁵到10¹³泊的所述粘度范围内围绕所述第一插入装置(30)使所述起始主体(10)的所述熔凝石英玻璃变形，以改变所述起始主体(10)的形状。还提供了用于制作大的熔凝石英玻璃容器和用于形成熔凝石英玻璃的成型组件的方法，其中挤压板（28）被提供用于在加热期间挤压在所述主体上。

Description

形成熔凝石英玻璃的系统和方法

背景技术

本发明涉及一种用于形成熔凝石英玻璃或熔凝二氧化硅，更具体地用于将熔凝石英或熔凝二氧化硅玻璃成形为期望形状的容器的系统和方法。

由熔凝石英/熔凝二氧化硅玻璃（为简单起见，在下文中称为“熔凝石英玻璃”）制成的大腔室或容器在现有技术中是已知的。此类容器通常具有大于200 mm的直径。此类容器是理想的，因为它们为需要受控气氛和/或非反应性气氛的工艺提供受控气氛。

通常，这些容器是通过将分开的熔凝石英玻璃片焊接在一起形成的。例如，常规的成型方法包括将熔凝石英玻璃管激光切割成两半，并且随后将两个半管和用熔凝石英玻璃制成的两个平板焊接在一起。因此，所得的容器包括可能需要后续研磨的一个或多个焊接缝。最后，该容器必须被火抛光，以形成具有期望透明度的完整结构。

然而，此类常规系统和方法是劳动密集型的，特别是由于必须被执行的大量焊接以及焊接线的必要的后续研磨以形成完整容器。例如，导致每容器超过10英尺焊接的此类常规成型方法并不少见。另外，由于所涉及的大量焊接，此类常规方法可能是危险的、耗时的和昂贵的。具体地，石英玻璃的焊接需要高技术水平并且需要非常地细心，因为焊接错误可导致整个石英玻璃片破碎，从而导致昂贵的石英玻璃材料的总体损失。因此，使用此类常规系统和方法难以在大规模商业基础上制作熔凝石英玻璃。

因此，期望提供一种用于使石英玻璃成型特别是成型为容器的方法和系统，其需要最少的机械加工（例如，最少的焊接和研磨）。作为将分开的石英玻璃片焊接在一起的替代方案，本领域中已知的是将平板玻璃和其他玻璃物品模塑为期望形状的一些成型工艺。然而，只能对具有相对低的熔融（Tg）温度（例如，在400到600℃ Tg的范围内）和相对低的粘度（例如，在10²到10⁵泊的范围内）的玻璃在变形温度（例如，在400到1100℃的范围内）下执行此类常规模塑工艺。因此，这些低熔点温度和低粘度玻璃可以相当容易地模塑为期望的形状。

在另一方面，熔凝石英玻璃具有相对高的熔融温度和相对高的粘度，并且因此通过常规的模塑技术更难以形成。具体地，对于整个大片的熔凝石英玻璃将非常难以获得在10²到10⁵泊范围内的粘度。具体地，为了获得具有在该范围内的粘度的熔凝石英玻璃，该石英玻璃必须被加热到2000℃或更高的温度，这将导致大的辐射热损失。此外，即使通过将熔凝石英玻璃加热到约1600℃的温度（即，大约熔凝石英玻璃的软化点），该玻璃也不会具有这样的低粘度（例如，在10²到10⁵泊的范围内）。具体地，即使在1600℃下，熔凝石英玻璃的粘度对于模塑或成型来说仍太高。因此，具有比其他类型玻璃高得多的熔融温度和粘度的石英玻璃的成型或模塑相当难以执行，并且不可利用用于模塑低熔点和低粘度玻璃的常规或非定制炉来完成。如此，认为熔凝石英玻璃的模塑需要非常昂贵的定制炉和复杂的组件。

因此，提供用于形成熔凝石英玻璃并且更具体地用于生产大的熔凝石英玻璃容器的改进的系统和方法将是有益的。更具体地，在无需昂贵和定制的炉的情况下提供用于将熔凝石英玻璃模塑或成型为不含任何焊接线的容器或腔室的简化的、有效的和经济高效的系统和方法将是有益的。

发明概要

本发明的重要方面涉及用于模塑和形成熔凝石英玻璃的系统和方法，该熔凝石英玻璃具有比通常经受此类模塑或成型技术的类型的玻璃要高得多的粘度。具体地，本发明人已经发现一种模塑熔凝石英玻璃的方法和系统，其不需要熔凝石英玻璃具有如通常所需的在10²到10⁵泊范围内的粘度。代之，根据本发明的各方面，具有在10⁵到10¹³泊范围内的相对较高的粘度的熔凝石英玻璃的主体在1200℃到1700℃范围内的变形温度下可模塑或成型为大的工艺容器（例如，具有大于200 mm的直径的容器）。

本发明的一个优选实施例涉及一种形成熔凝石英玻璃的方法。该方法包括以下步骤：（a）提供由熔凝石英玻璃制成的起始主体； （b）将熔凝石英玻璃起始主体定位在底板上； （c）将第一插入装置插入熔凝石英玻璃起始主体的内部腔体中以形成组装结构；（d）将组装结构加热到预定温度，在该预定温度下起始主体的熔凝石英玻璃具有在10⁵到10¹³泊范围内的粘度；以及（e）在预定温度下或在10⁵到10¹³泊的粘度范围内围绕第一插入装置使起始主体的熔凝石英玻璃变形，以改变起始主体的形状。

本发明的另一个优选实施例涉及一种用于制作熔凝石英玻璃，尤其是制作具有200 mm或更大的直径的熔凝石英玻璃的方法。该方法包括以下步骤：（a）提供由熔凝石英玻璃制成的起始主体以及（b）将熔凝石英玻璃起始主体定位在底板上。该方法还包括第一成型阶段和第二成型阶段。第一成型阶段包括：（i）将第一插入装置插入熔凝石英玻璃起始主体的内部腔体中以形成第一组装结构，（ii）将第一组装结构加热到预定温度，在该预定温度下起始主体的熔凝石英玻璃具有在10⁵到10¹³泊范围内的粘度；以及（iii）在预定温度下或在10⁵到10¹³泊的粘度范围内围绕第一插入装置使起始主体的熔凝石英玻璃变形，以形成由熔凝石英玻璃制成的中间主体。第二成型阶段包括：（i）移除第一插入装置并且将第二插入装置插入熔凝石英玻璃中间主体的内部腔体中以形成第二组装结构，以及（ii）将第二组装结构加热到预定温度，同时通过挤压板挤压熔凝石英玻璃中间主体的外部表面，以引起中间主体的熔凝石英玻璃围绕第二插入装置的变形，从而形成熔凝石英玻璃容器。第二插入装置具有的总体尺寸与第一插入装置的总体尺寸不同。

本发明的另一个优选实施例涉及一种用于形成熔凝石英玻璃的成型组件，该成型组件包括：底板，该底板被配置成支撑由熔凝石英玻璃制成的主体；挤压板，该挤压板被配置成在加热熔凝石英玻璃主体期间挤压在该熔凝石英玻璃主体上；第一插入装置和第二插入装置；以及加热装置，该加热装置被配置成将主体加热到在1200℃到1700℃范围内的温度，使得熔凝石英玻璃具有在10⁵到10¹³泊范围内的粘度。第一插入装置和第二插入装置中的每个被配置成被单独地接收在熔凝石英玻璃主体内。

可以单独或组合实现的本发明的有利改进在从属权利要求中指定。在成型组件的上下文中描述的特征和细节也应适用于该方法，并且反之亦然。

总之，以下实施例在本发明的范围内作为特别优选的被提出：

实施例1：一种形成熔凝石英玻璃的方法，该方法包括以下步骤：（a）提供由熔凝石英玻璃制成的起始主体，该起始主体具有内部腔体； （b）将起始主体定位在底板上； （c）将第一插入装置插入起始主体的内部腔体中以形成组装结构；以及（d）将组装结构加热到预定温度，在该预定温度下熔凝石英玻璃具有在10⁵到10¹³泊范围内的粘度；以及（e）在预定温度下或在10⁵到10¹³泊的粘度范围内围绕第一插入装置使起始主体的熔凝石英玻璃变形，以改变起始主体的形状。

实施例2：根据前述实施例所述的方法，其特征在于熔凝石英玻璃是纯石英玻璃。

实施例3：根据两个前述实施例中任一个所述的方法，其特征在于熔凝石英玻璃是复合石英玻璃。

实施例4：根据三个前述实施例中任一个所述的方法，其特征在于预定温度是在1200℃到1700℃范围内的温度。

实施例5：一种用于制作熔凝石英玻璃容器的方法，该方法包括以下步骤：（a）提供由熔凝石英玻璃制成的起始主体，该起始主体具有内部腔体；（b）将起始主体定位在底板上；（c）在第一成型阶段中，（i）将第一插入装置插入起始主体的内部腔体中以形成第一组装结构，（ii）将第一组装结构加热到预定温度，在该预定温度下起始主体的熔凝石英玻璃具有在10⁵到10¹³泊范围内的粘度，以及（iii）在预定温度下或在10⁵到10¹³泊的粘度范围内围绕第一插入装置使起始主体的熔凝石英玻璃变形，以形成由熔凝石英玻璃制成的中间主体；以及（d）在第二成型阶段中，（i）移除第一插入装置并且将第二插入装置插入中间主体的内部腔体中以形成第二组装结构，第二插入装置具有的总体尺寸与第一插入装置的总体尺寸不同，以及（ii）将第二组装结构加热到预定温度，同时通过挤压板挤压中间主体的外部表面，以引起中间主体围绕第二插入装置的变形，从而形成熔凝石英玻璃容器。

实施例6：根据前述实施例所述的方法，其特征在于石英玻璃容器具有200 mm或更大的直径。

实施例7：根据两个前述实施例中任一个所述的方法，其特征在于起始主体具有圆柱形形状。

实施例8：根据三个前述实施例中任一个所述的方法，其特征在于圆柱形起始主体具有敞开的第一端、敞开的第二端和在这两者之间延伸的侧壁。

实施例9：根据四个前述实施例中任一个所述的方法，其特征在于该方法在密闭炉内执行。

实施例10：根据五个前述实施例中任一个所述的方法，其特征在于将惰性气体引入密闭炉中。

实施例11：根据六个前述实施例中任一个所述的方法，其特征在于所述惰性气体包括氮。

实施例12：根据七个前述实施例中任一个所述的方法，其特征在于该方法还包括在第二成型阶段之后冷却熔凝石英玻璃容器。

实施例13：根据八个前述实施例中任一个所述的方法，其特征在于熔凝石英玻璃容器成形为椭圆形或卵形。

实施例14：根据九个前述实施例中任一个所述的方法，其特征在于预定温度是在1200℃到1700℃范围内的温度。

实施例15：根据十个前述实施例中任一个所述的方法，其特征在于预定温度是在1300℃到1400℃范围内的温度。

实施例16：根据十一个前述实施例中任一个所述的方法，其特征在于熔凝石英玻璃容器没有焊接线。

实施例17：一种用于形成熔凝石英玻璃的成型组件，其包括：底板，该底板被配置成支撑由熔凝石英玻璃制成的主体；挤压板，该挤压板被配置成在加热主体期间挤压在该主体上；第一插入装置和第二插入装置，第一插入装置和第二插入装置中的每个被配置成被单独接收在所述主体内；以及加热装置，该加热装置被配置成将主体加热到在1200℃到1700℃范围内的温度，使得熔凝石英玻璃具有在10⁵到10¹³泊范围内的粘度。

实施例18：根据前述实施例中任一个所述的组件，其特征在于底板、挤压板、第一插入装置和第二插入装置中的每个均包括石墨。

实施例19：根据两个前述实施例中任一个所述的组件，其特征在于底板是固定的，并且按压板是可移动的。

实施例20：根据三个前述实施例中任一个所述的组件，其特征在于第一插入装置和第二插入装置中的每个均包括第一支撑板、与第一支撑板间隔开的第二支撑板以及在第一支撑板和第二支撑板之间延伸的至少一个间隔件，第一插入装置的总体尺寸与第二插入装置的总体尺寸不同。

附图简述

当结合附图阅读时，将更好地理解前述概述以及本发明的优选实施例的以下具体实施方式。为了说明的目的，在附图中示出了目前优选的实施例。然而，应当理解，该系统和方法不限于所示的精确布置和手段。

在附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的起始管状主体的透视图；

图2A是根据本发明的一个实施例的在第一成型阶段期间的起始管状主体和成型组件的透视图；

图2B是根据本发明的一个实施例的在第二成型阶段期间大体成形为椭圆形或卵形的中间主体和成型组件的透视图；以及

图3是根据本发明的一个实施例的由图1所示的起始管状主体生产的所得的容器的透视图。

具体实施方式

本发明涉及一种用于形成熔凝石英玻璃，并且更具体地用于形成期望形状的熔凝石英玻璃容器的系统和方法。本领域的技术人员将理解，由以下描述的系统和方法生产的容器可用于各种目的。更具体地，本发明涉及一种用于由熔凝石英玻璃的起始主体生产大的熔凝石英玻璃容器的方法。优选地，根据本发明的熔凝石英玻璃容器用作工艺容器或腔室。根据本发明的熔凝石英玻璃容器优选地用作半导体工业（例如，用于半导体晶片加工）、LED面板加工和光伏衬底加工（例如，用于薄膜沉积）的工艺腔室。更优选地，任何物理气相沉积、化学气相沉积和其他涂覆/沉积工艺，特别是需要受控气氛和/或非反应性气氛的工艺可以在通过本发明的系统和本方法所生产的工艺容器和腔室内执行。更优选地，任何需要高温度、高纯度、快速加热和冷却和/或用于处理在400℃以上的受控气氛的处理可在根据本发明的工艺容器内执行。

应当理解，在本申请的上下文中，术语“大约”或“约”意味着所例举的或要求保护的值的+5%的变化，并且更优选地意味着所列举的或要求保护的值的+2%的变化，并且最优选地意味着确切列举的或要求保护的值。

虽然术语可以用于表示不同的二氧化硅浓度的组合物或组分，但当它们用在本文中时，术语“石英玻璃”可与“二氧化硅玻璃”、“熔凝石英玻璃”或“熔凝二氧化硅玻璃”互换使用。 应当理解，这些术语中的每个是指组合物、材料、组分、产品或通过熔化包含天然或合成砂（二氧化硅）的混合物形成的制品。任一种或两种天然或合成砂（二氧化硅）可被使用。

参照图1，其示出起始熔凝石英玻璃主体10。图2A-2B所示的成型组件24用于将起始熔凝石英玻璃主体成形和成型为期望形状和大小的容器或腔室34（参见图3）。

本领域的技术人员将理解，起始熔凝石英玻璃主体10、容器34和成型组件24的每个部件可具有多种形状、尺寸、配置、大小等中的任何一个。更具体地，在一个实施例中，起始主体的形状、尺寸、配置和大小优选地补充待生产的容器的最终形状、尺寸、配置和大小。另外，在一个实施例中，成型组件的各种部件的形状、尺寸、配置和大小将优选地被设计、构造和/或选择，以便最佳补充起始主体和待生产的容器两者的形状、尺寸、配置和大小。因此，应当理解，虽然优选实施例将在下面进行详细讨论，但本发明决不限于本文所讨论的特定形状、尺寸、配置和大小。

起始主体10的熔凝石英玻璃可以是纯石英玻璃或石英玻璃的复合材料。优选地，熔凝石英玻璃主体10由纯石英玻璃制成。另外，应当理解，如果使用复合玻璃，则期望的粘度范围和成型温度范围可不同于本文所述的粘度范围和成型温度范围。例如，起始主体10可以由石英玻璃和较低熔点玻璃的复合玻璃制成，使得该复合玻璃的粘度对温度曲线低于熔凝石英玻璃的粘度对温度曲线，并且可以在较低温度下完成成型，从而利用更便宜的模具材料和更少的能量。熔凝石英玻璃也可以掺杂有降低该玻璃的粘度对温度曲线的组分。任何金属氧化物可以用作此类掺杂剂。具体地，此类掺杂剂的一个示例是氧化钛，该氧化钛具有的粘度对温度曲线低于熔凝石英玻璃的粘度对温度曲线。钠钙玻璃是可以使用的掺杂剂的另一个示例。优选地，石英玻璃中掺杂剂的浓度小于约10%，并且更优选地小于约5%。

参照图1，在一个实施例中，起始主体10优选地具有大体管状形状，因为这是熔凝石英玻璃是最容易商购获得的形式。更具体地，起始主体10具有大体敞开的第一端或上端12、大体敞开的第二端或下端14以及在敞开的第一端12和敞开的第二端14之间或从敞开的第一端12和敞开的第二端14延伸的侧壁16。然而，本领域的技术人员将理解，起始主体不必具有两个开口端，而是代之可以具有仅一个开口端。侧壁16优选地为大体管状形状并且具有内部表面18和相对的外部表面20。侧壁16的内部表面18围绕并限定起始主体的大体圆柱形的内部腔体22。起始主体优选地具有大体圆形的横截面形状。

然而，起始主体10不限定于此类形状和/或配置。起始主体10可以具有任何可想到的配置和/或形状，诸如立方体、管状、矩形、椭圆形、圆柱形、锥形、球形、截头圆锥形等，只要其是中空或部分中空并允许本文所述的功能性。在一个实施例中，起始主体优选地具有大体补充待制造的容器34的形状的形状，使得材料和劳动力成本和成型时间将减少。

本领域技术人员也将理解，起始主体10的大小可基于待由起始主体制造的容器34的大小而变化。在一个实施例中，侧壁16（如沿纵向轴线A测得）的长度L、侧壁16的厚度、主体10的外径Do和主体10的内径D₁（即，内部腔体22的直径）可以各自被选择为补充待生产的容器24的大小。

优选地，起始主体10的外部表面20是不含外来粒子的大体平滑的表面。已知的机械和/或化学整理工艺可用于确保外部表面具有优选的平滑度并且不含任何外来粒子或杂质。

参照图2A-2B，其示出成型或模塑组件24。成型组件24包括底板26、至少一个挤压板28和至少第一可移除的插入装置30。更优选地，成型组件24还包括至少第二可移除的插入装置32。本领域的技术人员将理解，成型组件不限于两个插入装置和一个挤压板，而是代之可以包括若干插入件和/或挤压板。成型组件24优选地也包括至少第一横向支撑件36和第二横向支撑件38，但是应当理解，该组件可以包括附加支撑件（例如，前部支撑件和后部支撑件）。应当理解，不同尺寸、形状、配置和大小的支撑件可在成型工艺的不同阶段使用。如下面更详细所述，成型组件24优选地地定位在加热装置或炉46内。

优选地，底板26是固定的，并且挤压板28是可移动的。底板26、挤压板28、第一插入装置30和第二插入装置32和/或第一支撑件36和第二支撑件38各自优选地由石墨、石英玻璃、碳化硅或其他耐火陶瓷或耐火金属材料制成。更优选地，由于石英玻璃不与石墨反应并且不附着到石墨，底板26、挤压板28、第一插入装置30和第二插入装置32以及第一支撑件36和第二支撑件38各自完全由石墨制成，并且最优选地由纯石墨制成。

成型组件24的每个部件（即，底板26、挤压板28、第一插入装置30和第二插入装置32以及第一支撑件36和第二支撑件38）具有在制造工艺期间的某一时刻将接触熔凝石英玻璃的一个或多个外部表面。如此，如果成型组件部件不是由石墨制成，则该部件的接触表面优选地设置有石墨粉或箔涂层。然而，本领域的技术人员将理解，该涂层可以包括不与熔凝石英玻璃反应的任何材料。

另外，本领域的技术人员将理解，每一个部件不必完全由石墨制成。代之，成型组件24的一些部件可以完全由石墨制成，而其他部件由石英玻璃、碳化硅或其他耐火陶瓷或耐火金属材料制成，并且包括仅在接触表面上的石墨或不粘涂层。

每个成型组件部件用在成型或制造工艺的不同阶段，以支持起始主体10变为期望形状、尺寸、配置和大小的所得的容器34、使该起始主体变形和/或成形为所述所得容器。在制造工艺的特定步骤的情况下，现将详细描述成型组件24的各种部件的特性。

在一个优选的实施例中，起始主体10具有大体管状形状（即，圆形横截面），并且待由该起始主体10生产的容器34的横截面为大体卵形、椭圆形或D形（参见图3）。虽然本文中详细描述了成型组件24和成型工艺的优选实施例，但本领域的技术人员将理解，成型工艺和成型组件部件不限于本文详细所述的步骤和/或部件。例如，虽然在优选的实施例中，成型工艺包括两个不同的成型阶段和两个不同的插入装置，但该成型工艺和组件可替代地包括更多或更少的阶段和插入装置（例如，仅一个成型阶段和一个插入装置， 三个成型阶段和三个不同的插入装置等）。本领域的技术人员也将理解，成型组件部件的形状、尺寸、配置和大小（例如，长度、宽度和厚度）可基于起始熔凝石英玻璃主体10和待生产的容器34的形状、尺寸、配置和大小（例如，长度、宽度和厚度）而改变，并且不限于本文所讨论的优选实施例。

成型过程优选地包括至少两个不同的成型阶段。在第一阶段期间，如图2A所示，起始熔凝石英玻璃主体10被放置在固定底板26上。如此，底板的大小（例如，长度和宽度）优选地足够大以便确保起始熔凝石英玻璃主体10的至少一部分和所得的容器34，以及更优选地整个起始熔凝石英玻璃主体10和所得的容器34可以支撑在底板上。如此，底板的外部表面26a的一部分接触起始主体和所得的容器34。优选地，底板具有矩形或正方形形状，但是应当理解，底板可以具有任何形状，只要其可以充分支撑起始熔凝石英玻璃主体和所得的容器。

底板26优选地具有大体平坦的配置。然而，应当理解，底板并且更具体地底板的接触表面26a可以具有确保所得的容器34并且更具体地所得的容器的表面具有期望形状和结构的表面结构和轮廓。更具体地，底板的接触表面26a可以具有形成所得的容器中的对应结构（例如，各种配置的一个或多个凹槽或一个或多个突出部）所必要的任何结构（例如，各种配置的一个或多个突出部或一个或多个凹槽）。例如，如果顾客要求工艺容器在沿该容器的长度的各点处包括一个或多个凹槽（例如，用于连接到管道或管材），则底板的接触表面优选地包括一个或多个突出部（未示出），使得对应凹槽（未示出）将在所得的容器的外部表面上形成。

参照图2A，也是在成型工艺的第一阶段期间，第一插入装置30定位在起始熔凝石英玻璃主体10的内部腔体22内。在一个实施例中，第一插入装置30优选地包括第一支撑板或上部支撑板40、与第一支撑板40间隔开的第二支撑板或下部支撑板42以及在这两者之间延伸的一个或多个间隔件44。第一支撑板40和第二支撑板42各自优选地具有大体平坦的配置，并大体水平取向以便沿起始主体的长度L延伸。优选地，第一支撑板40和第二支撑板42中的每个具有对应于起始主体的长度L的长度，使得第一插入装置30沿起始主体的基本整个长度延伸，并且更优选地沿起始主体的整个长度延伸。第一支撑板40和第二支撑板42中的每个也优选地足够宽，使得板40、42中的每个的相对的横向侧40a、40b和42a、42b沿起始主体10的圆周在不同位置处接触起始主体10的内部表面18。

一个或多个间隔件44优选地垂直取向在间隔开的、水平取向的支撑板40、42之间。一个或多个间隔件可以具有多种形状、尺寸、配置、布置和大小，只要它们将第一支撑板和第二支撑板维持处于期望的空间布置。在一个实施例中，大体矩形横截面形状的两个间隔件44定位在第一支撑板和第二支撑板之间，并沿所述第一支撑板和第二支撑板的整个长度延伸，以保持板彼此间隔开期望的距离。然而，应当理解，代替延伸了支撑板的整个长度的两个间隔件，可以提供沿支撑板的长度相隔一定距离定位的多个间隔件。

在一个实施例中，在第一成型阶段期间，起始主体10定位在两个横向支撑件（未示出）之间，这两个横向支撑件确保起始主体在加热和变形期间维持在适当位置。

成型组件24被容纳在炉46内，如果期望使零件的一部分在其他零件之前形成为成型组件24，则成型组件24优选地被容纳在炉中将提供相对均匀加热或非均匀加热的位置处。优选地，成型组件24保持在炉46内。然而，应当理解，只要成型组件保持完整或不被摇动或不以其他方式被破坏，则该组件可以从炉中移除。该炉可以是本领域已知的或待开发的任何类型的炉。炉优选地为连续的、箱、带、振动或任何类型的炉或干燥炉，其可以实现在约1200℃和约1700℃之间的加热温度。最优选地，该炉是可达到1200℃到1700℃范围内的温度的箱式炉。另外，炉的加热器元件（未示出）优选地是电阻加热器，其确保在炉的环境中的任何杂质最小化。

该炉优选地被配置成达到1200℃和1700℃之间的温度，因为起始主体10的石英玻璃易受此类温度下塑性变形的影响。更优选地，炉保持在约1300℃到约1400℃的温度下。最优选地，炉保持在约1375℃的加热温度下。在此类温度下，熔凝石英玻璃材料的粘度优选地在约10⁵和10¹³泊之间，更优选地在10⁸和10¹¹泊之间，并且最优选地为约10⁹泊。

为了限制引入炉中的氧气量并且因此延长石墨成型组件部件的寿命，炉优选地保持在大气压下，并且更优选地保持在略高于约0.005”水柱的大气压下。

一旦起始主体10定位在底板26上，并且第一插入装置30定位在起始主体中，优选地关闭炉46，并且炉的加热器元件开始将熔凝石英玻璃材料的起始主体加热至期望的成型温度。优选地，起始主体被加热至在约1200℃和约1700℃之间的成型温度，并且更优选被加热至约1300℃和约1500℃之间的成型温度，并且最优选地为约1375℃。达到期望的成型温度通常需要约1至3小时，并且更优选约1.5至2.5小时，并且最优选地为约2小时。在该预加热阶段期间，起始主体的变形开始发生在1150℃至1200℃的温度下。

一旦已达到所期望的成型温度（例如，约1375℃），就将炉46保持在成型温度预定的时间周期。优选地，在第一成型阶段期间，在期望的成型温度下将起始主体10在炉中加热约1至3小时，并且更优选地为约1.5至2.5小时，并且最优选地为约2小时，以实现期望的塑性变形。如果必要的话，可在该第一成型阶段将压缩压力施加到起始主体，以便引起期望的变形。例如，补充起始主体的形状的挤压板28或不同配置的挤压板可用在第一成型阶段。

本领域的技术人员将理解，本发明不限于本文所述的时间周期，因为实现起始主体10的石英玻璃材料的期望的塑性变形所需的时间将取决于各种参数，诸如炉温、任何压缩压力的存在、起始主体的形状和尺寸、所得的容器的形状和尺寸等。

在第一成型阶段期间，底板26与第一插入装置30和任何任选的横向支撑件和/或挤压板结合形成成型组件24，该成型组件24在起始主体10转变或变形为容器34时确定中间形状。更具体地，当底板26和第一插入装置30在1200℃到1700℃的温度下保持它们的形状时，起始主体10的熔凝石英玻璃材料在这些温度下受到塑性变形。因此，在成型工艺的第一阶段期间，周围的炉的热量引起起始主体围绕第一插入装置的变形，使得起始主体的形状被改变。更具体地，起始主体围绕第一插入装置的变形导致形状与起始主体的形状不同的中间主体48的变形。中间主体的形状由底板26和第一插入装置30的结构、配置和/或定位限定（参见图2B）。在一个实施例中，其中利用底板26和第一插入装置30的上述结构、配置和定位，大体圆柱形的起始主体10优选地转换或变形为大体成形为卵形或椭圆形的中间主体。

然而，应当理解，本发明并不限于大体成形为卵形或椭圆形的中间主体。中间主体的形状在必要时仅通过改变底板26和/或第一插入装置30的结构、配置和/或定位来调节。例如，可以通过将第一支撑板40和第二支撑板42布置成间隔开较大的距离来改变第一插入装置30的配置，使得板的相应横向侧40a、40b和42a、42b将在不同位置处接触起始主体10的内部表面18。如此，所得的中间主体将具有的形状和尺寸（例如，高度和宽度）与通过第一插入装置使支撑板更紧密地间隔在一起获得的形状和尺寸（例如，高度和宽度）不同。

在起始主体10的熔凝石英玻璃已充分变形以形成中间主体48的期望的形状、尺寸和大小之后，第二成型阶段开始。更具体地，在实现期望的中间主体之后，打开炉46，将第一插入装置30从中间主体48的内部腔体48a移除，并且将第二插入装置32定位在腔体48a内。

优选地，在第一插入装置30从腔体48a移除并且第二插入装置32插入该腔体48a中之前，起始主体10和成型组件24经历冷却阶段。部件的冷却有利于插入装置的更容易的放置。冷却速度不是关键，因为熔凝石英玻璃是非常耐热冲击的。优选地，起始主体10和成型组件24的冷却是通过使炉46断电一段时间来执行的，优选地在15和20小时之间，并且更优选地为约18小时，直到达到约400℃至600℃的温度，并且更优选为约500℃。除了使炉46断电之外，也可通过打开炉46加快部件的冷却。

在一个实施例中，第二插入装置32具有的形状和结构与第一插入装置30非常类似，但是插入装置的大小不同。更具体地，第二插入装置优选地包括大体平坦配置的第一或上部水平取向的支撑板50、大体平坦配置的并且与第一支撑板40间隔开的第二或下部水平取向的支撑板52以及在这两者之间延伸的一个或多个垂直取向的间隔件54。一个或多个间隔件54可以具有多种形状、尺寸、配置、布置和大小，只要它们将第一支撑板50和第二支撑板52维持处于期望的空间布置。

在一个实施例中，其中待生产的所得的容器34的横截面为大体椭圆形或D形，第二插入装置32的大小和总体尺寸优选地补充该椭圆的大小和总体尺寸。更具体地，第二插入装置的大小和总体尺寸优选地比第一插入装置30更大，并且更优选地比第一插入装置30更宽。在此类实施例中，虽然第二插入装置的长度将与第一插入装置的长度相同或几乎相同，但第二插入装置的相对较大的宽度有利于中间主体48在其宽度方向上并且更具体地在垂直于起始主体10的长度L的方向上的拉伸或变形，使得所得的容器成形为椭圆形或卵形。

在第二成型阶段期间，熔凝石英玻璃的中间主体48定位在第一横向支撑件36和第二横向支撑件38之间的固定底板26上。另外，第二插入装置32定位在中间主体的内部腔体48a内，使得第一支撑板50的第一表面50a靠近中间主体的内部表面48b，并且第二支撑板52的第一表面52a接触或靠在中间主体的内部表面48b上。最后，挤压板28被放置在挤压位置中，其中挤压板的第一表面28a接触中间主体的外部表面48c并且将压缩力施加到该外部表面48c。优选地，多至200磅的压缩力被施加到中间主体的外部表面。所施加的压缩力更优选地在20至100磅的范围内，并且最优选地为约64磅。

类似于底板26，挤压板28优选地具有大体平坦的配置，但该板的接触表面28a可包括各种配置的一个或多个突出部或一个或多个凹槽，以便形成所得的容器34中的对应结构。在一个实施例中，挤压板的大小（例如，长度和宽度）优选地足够大，以便确保中间熔凝石英玻璃主体48的至少一部分被挤压板覆盖。更优选，挤压板的尺寸使得整个中间主体48被挤压板覆盖。优选地，挤压板具有矩形或正方形形状，但是应当理解，所述板可以具有任何形状，只要其可以充分地将需要的压缩力施加到中间熔凝石英玻璃主体。

第一横向支撑件36和第二横向支撑件38定位在中间主体48的相对侧上。第一横向支撑件和第二横向支撑件各自具有大体C形横截面，使得椭圆形形状的中间主体的相对侧被接收在第一横向支撑件36和第二横向支撑件38的相应的C形凹槽36a、38a内。

一旦中间主体48被牢固地定位横向支撑件36、38中间的底板26上，并且挤压板28被移动到挤压位置，如果必要的话中间主体48的温度回到期望的成型温度，并且挤压板28在期望的成型温度下加热预定的时间周期。因此，在第二成型阶段期间，中间主体通常同时受到挤压和加热以实现所述主体的变形。

优选地，起始主体被加热至在约1200℃和约1700℃之间的成型温度，并且更优选地在约1300℃和约1400℃之间，并且最优选地位约1375℃。一旦已达到所期望的成型温度（例如，约1375℃），就在期望的成型温度下将中间主体在炉46中加热约1至3小时，并且更优选地为约1.5至2.5小时，并且最优选地为约2小时，以实现熔凝石英玻璃材料的变形直到容器34的期望形状形成。更具体地，在成型温度下，中间主体的熔凝石英玻璃材料围绕第二插入装置32变形以形成熔凝石英玻璃容器。

本领域的技术人员将理解，使中间主体48的石英玻璃材料变形为期望的容器形状所需的时间将取决于各种参数，诸如炉温、由挤压板施加的压缩力、中间主体的形状和尺寸等。

还应当理解，成型工艺可以重复（即，两个以上成型阶段），以便获得进一步的复杂形状。

在一个实施例中，在第一成型阶段和第二成型阶段中的一者或两者期间，惰性气体通过气体入口（图中未示出）被引入炉中，使得第一成型阶段和第二成型阶段在防止石墨成型组件部件氧化的惰性气体气氛下执行。惰性气体可以是氮、氩、稀有气体（例如，氦，氖，氪和氙）、氢、烃（天然气）、盐酸或不会氧化石墨的任何其他气体中的任何一种。优选地，待引入炉中的气体是氮。该气体优选地以2立方英尺每分钟的速率被引入。然而，本领域的技术人员将理解，只要实现了炉中的正压力和低氧含量（优选地低于1%）的环境，流动速率就可变化。

本领域的技术人员将理解，第二成型阶段是任选的。具体地，如果在第一成型阶段中通过使用第一插入装置30得到容器34的期望的形状、尺寸和形式，则不需要第二成型阶段（以及不需要第二插入装置32）。代之，如下面更详细所述，通过第一成型阶段形成的石英玻璃优选地在第一（以及唯一）成型阶段之后立即受到冷却。

在起始主体10的熔凝石英玻璃已成型或模塑为期望的容器形状之后，所形成的容器34经受预定持续时间的冷却周期，特别是为了防止熔凝石英玻璃的失透。优选地，对于容器34的冷却，停止炉46的操作，并且允许该容器在密闭炉中冷却至室温。容器34冷却至室温通常需要约10至24小时，并且更优选为约18小时。本领域的技术人员将理解，可以采用本领域中已知的或待开发的其他冷却技术。另外，应当理解，可以打开炉以加快冷却。

所得的容器34完全不含任何焊接线。另外，不需要采用后续的机械工艺诸如研磨或抛光。如此，容器34比常规的熔凝石英玻璃容器具有更均匀的强度，并且通过比常规技术更经济有效和耗时更少的工艺形成。具体地，由于玻璃强度几乎完全取决于表面的状况，包括表面缺陷的集中，焊缝和与焊缝相关联的不均匀表面由于在焊接期间或在后续的研磨以使焊缝平滑期间并入杂质而具有相当较高概率的表面缺陷以及组成的不规则部分。然而，由于在根据本发明的容器34的表面上不存在焊缝，该容器具有优异的均匀强度。该工艺也允许生产相对大的工艺容器。即，可以生产大于200 mm的大小诸如高度、宽度、长度、深度等的容器。

示例1

利用由纯熔凝石英玻璃制成的起始主体10（图1所描绘）制作图3所示的工艺容器34。更具体地，起始主体的石英玻璃材料是具有小于30 ppm的氢氧化物含量和微量元素诸如铝、钙、氯化物、铬、铜、铁、钾、锂、镁、锰、钠、钛和锆的电熔凝石英玻璃。

起始主体10具有带有中空内部腔室的大体圆柱形或管状形状。起始主体具有830mm的长度、467 mm的外径和4.5 mm的侧壁厚度。起始主体被放置在成型组件24中并且经受如下的两个成型阶段。在第一成型阶段中，起始主体定位在底板26上，并且如图2A所示的第一插入装置30定位在起始主体的内部腔体22内。在炉46内，起始主体然后被加热到1375℃的成型温度，其历时约3个小时，并且保持在成型温度约2小时，以形成中间主体48（参见图2B）。中间主体具有与起始主体相同的长度（即830 mm）、约130 mm的高度和约525 mm的宽度。在成型温度下，熔凝石英玻璃材料具有约10⁹泊的粘度。

在第二成型阶段中，移除第一插入装置30，并且第二插入装置32定位在中间主体48的内部腔体48a内。中间主体保持定位在底板26上并且由第一横向支撑件36和第二横向支撑件38进一步支撑，以帮助中间主体成型为大体椭圆形或卵形形状。最后，挤压板28被放置在挤压位置中，其中该挤压板28向中间主体施加约64磅的力（由于该板的重量）。中间主体然后被加热到1375℃的成型温度，其历时约3个小时，并且保持在成型温度约2小时，以形成容器34。在第一成型阶段和第二成型阶段两者期间以约2立方英尺每分钟的流动速率注入氮。

最后，打开炉46，以允许容器34和成型组件24冷却。在冷却至室温之后，从炉中移除成型组件24和容器34。所形成的容器容易地从石墨成型组件部件分开。所形成的容器（参见图3）通常被成形为椭圆形或卵形，其具有130 mm的高度H、660 mm的宽度W、830 mm的长度（即，与起始主体的长度相同）。所形成的容器也完全没有任何焊接线，并且石英玻璃是完全透明或透光的。

本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的广泛发明概念的情况下，可对上述实施例做出改变。因此，应当理解，本发明不限于所公开的特定实施例，而是意图涵盖如由所附权利要求书限定的、本发明的精神和范围内的修改。

Claims (20)

1.一种形成熔凝石英玻璃的方法，所述方法包括以下步骤：

（a）提供由熔凝石英玻璃制成的管状起始主体，所述管状起始主体具有第一端、相对的第二端以及在所述第一端和第二端之间延伸并且围绕内部腔体的封闭侧壁；

（b）将所述管状起始主体定位在底板上；

（c）将第一插入装置插入所述管状起始主体的所述内部腔体中以形成组装结构，所述第一插入装置包括第一支撑板或上部支撑板、与第一支撑板间隔开的第二支撑板或下部支撑板以及在这两者之间延伸的一个或多个间隔件，使得所述第一支撑板和第二支撑板中的每个的相对的横向侧沿所述管状起始主体的圆周在不同位置处接触所述管状起始主体的内部表面；

（d）将所述组装结构加热到预定温度，在所述预定温度下所述熔凝石英玻璃具有在10⁸和10¹¹泊范围内的粘度；以及

（e）在所述预定温度下或在10⁸和10¹¹泊的所述粘度范围内围绕所述第一插入装置使所述管状起始主体的所述熔凝石英玻璃变形，以通过塑性变形改变所述管状起始主体的形状。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述熔凝石英玻璃是纯石英玻璃。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述熔凝石英玻璃是掺杂的石英玻璃。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定温度是在1200℃到1700℃范围内的温度。

5.一种用于制作熔凝石英玻璃容器的方法，所述方法包括以下步骤：

（a）提供由熔凝石英玻璃制成的起始主体，所述起始主体具有内部腔体；

（b）将所述起始主体定位在底板上；

（c）在第一成型阶段中，

（i）将第一插入装置插入所述起始主体的所述内部腔体中以形成第一组装结构，

（ii）将所述第一组装结构加热到预定温度，在所述预定温度下所述起始主体的所述熔凝石英玻璃具有在10⁵到10¹³泊范围内的粘度，以及

（iii）在所述预定温度下或在10⁵到10¹³泊的所述粘度范围内围绕所述第一插入装置使所述起始主体的所述熔凝石英玻璃变形，以形成由熔凝石英玻璃制成的中间主体；以及

（d）在第二成型阶段中，

（i）移除所述第一插入装置并且将第二插入装置插入所述中间主体的内部腔体中以形成第二组装结构，所述第二插入装置具有的总体尺寸与所述第一插入装置的总体尺寸不同，以及

（ii）将所述第二组装结构加热到所述预定温度，同时通过挤压板挤压所述中间主体的外部表面，以引起所述中间主体围绕所述第二插入装置的变形，从而形成熔凝石英玻璃容器。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述石英玻璃容器具有200 mm或更大的直径。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述起始主体具有圆柱形形状。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述圆柱形起始主体具有敞开的第一端、敞开的第二端和在这两者之间延伸的侧壁。

9.根据权利要求5所述的方法，其中所述方法在密闭炉内执行。

10.根据权利要求9所述的方法，其中惰性气体被引入所述密闭炉内。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述惰性气体包括氮。

12.根据权利要求5所述的方法，还包括在所述第二成型阶段之后冷却所述熔凝石英玻璃容器。

13.根据权利要求5所述的方法，其中所述熔凝石英玻璃容器成形为椭圆形或卵形。

14.根据权利要求5所述的方法，其中所述预定温度是在1200℃到1700℃范围内的温度。

15.根据权利要求5所述的方法，其中所述预定温度是在1300℃到1400℃范围内的温度。

16.根据权利要求5所述的方法，其中所述熔凝石英玻璃容器没有焊接线。

17.一种用于形成熔凝石英玻璃的成型组件，其包括：

底板，所述底板被配置成支撑由熔凝石英玻璃制成的主体；

挤压板，所述挤压板被配置成在所述主体的加热期间挤压在所述主体上；

第一插入装置和第二插入装置，所述第一插入装置和第二插入装置中的每个被配置成在成型工艺的不同阶段被单独地接收在所述主体内以支持、变形和/或成形所述主体，其中所述第一插入装置的总体尺寸与所述第二插入装置的总体尺寸不同；以及

加热装置，所述加热装置被配置成将所述主体加热到在1200℃到1700℃范围内的温度，使得所述熔凝石英玻璃具有在10⁵到10¹³泊范围内的粘度。

18.根据权利要求17所述的组件，其中所述底板、所述挤压板、所述第一插入装置和所述第二插入装置中的每个均包括石墨。

19.根据权利要求17所述的组件，其中所述底板是固定的，并且所述挤压板是可移动的。

20.根据权利要求17所述的组件，其中所述第一插入装置和所述第二插入装置中的每个均包括第一支撑板、与所述第一支撑板间隔开的第二支撑板以及在所述第一支撑板和第二支撑板之间延伸的至少一个间隔件。