CN105502898A - 熔制石英玻璃的沉积炉 - Google Patents

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    • C03B20/00—Processes specially adapted for the production of quartz or fused silica articles, not otherwise provided for

Abstract

本发明是关于一种熔制石英玻璃的沉积炉，沉积炉外壁为保温材料，内壁为耐火材料，中间夹层为电热装置或循环水冷却装置；沉积炉为分段保温式沉积炉，从上至下分为四个部分:炉体顶段，为弧形顶盖部分，夹层为电热装置；中段分为2-5个保温段，采用电热装置辅助加热；炉体下段夹层为循环水冷却装置；炉体底部为盖板；其中，火焰与原料从所述沉积炉顶段进入；沉积基体沿其轴线作旋转运动，并在沉积过程中整体向下运动。该沉积炉顶部高温产生的热辐射使沉积面保持在较高温度，有利于提高沉积质量并扩大石英玻璃的直径；可控的侧壁温度使石英玻璃自上而下缓慢降温，有利于维持石英玻璃的形状，并且内部结构较为均匀，可合成大尺寸、高均匀性石英玻璃。

Description

熔制石英玻璃的沉积炉
技术领域
本发明涉及一种石英玻璃制造工艺，特别是涉及一种熔制石英玻璃的沉积炉。
背景技术
石英玻璃是SiO2单组分玻璃，其特有的结构使它具有其它材料无法取代的物理、化学性能，在高科技领域占有不可替代的地位。
在现有技术中提出一种采用等离子化学气相沉积(PCVD)工艺制备石英玻璃的方法。其采用高频等离子作为热源直接生产石英玻璃，旋转的石英玻璃基体在沉积炉中被火焰加热，二氧化硅颗粒沉积在基体上并熔制成石英玻璃。传统沉积炉，其内部为刚玉等耐火材料组成的炉体，外部为保温材料组成的保温层。该类型沉积炉仅起到保温作用，熔融石英玻璃所需的热量均来自于火焰热源，导致沉积面温度梯度较大，制备的石英玻璃直径小、结构均匀性差；同时，传统沉积炉炉体温度无法控制，炉体自上而下没有合理的温度梯度，制备的石英玻璃在下降过程中发生流动，导致形状难以控制，直径不超过150mm，光学均匀性大于3×10-5。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种新型的熔制石英玻璃沉积炉，所要解决的技术问题是使其合成大尺寸、高均匀性石英玻璃，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种熔制石英玻璃的沉积炉，其特征在于，沉积炉外壁为保温材料，内壁为耐火材料，中间夹层为电热装置或循环水冷却装置；沉积炉为分段保温式沉积炉，从上至下分为四个部分:炉体顶段，为弧形顶盖部分，夹层为电热装置；中段分为2-5个保温段，采用电热装置辅助加热；炉体下段夹层为循环水冷却装置；炉体底部为盖板；
其中，火焰与原料从所述沉积炉顶段进入；沉积基体沿其轴线作旋转运动，并在沉积过程中整体向下运动。
优选的，前述的熔制石英玻璃的沉积炉，其中所述的保温材料为耐火石棉、耐火纤维板、耐火浇注料或耐火空心球。
优选的，前述的熔制石英玻璃的沉积炉，其中所述的耐火材料为氧化铝、氧化锆、碳化硅或氮化硅。
优选的，前述的熔制石英玻璃的沉积炉，其中所述的顶段部分，电热装置控制温度为1500℃-1800℃。
优选的，前述的熔制石英玻璃的沉积炉，其中所述的炉体中段，电热装置控制温度1000℃-1500℃，并且温度自上而下依次降低。
优选的，前述的熔制石英玻璃的沉积炉，其中所述的炉体下段，循环水冷却装置控制温度在500℃以下。
优选的，前述的熔制石英玻璃的沉积炉，其中所述沉积炉中段有排风口，排风口数量为1个或多个。
优选的，前述的熔制石英玻璃的沉积炉，其中所述排风口连接抽气装置，控制沉积炉内压力比大气压高1-50Pa。
优选的，前述的熔制石英玻璃的沉积炉，其中所述的火焰为氢氧焰或等离子体火焰。
优选的，前述的熔制石英玻璃的沉积炉，其中所述的原料为四氯化硅或二氧化硅颗粒。
借由上述技术方案，本发明熔制石英玻璃沉积炉至少具有下列优点：沉积炉较高温度的顶部带来的热辐射可以使沉积面保持在较高温度，有利于提高沉积质量、扩大石英玻璃的直径；可控的侧壁温度使石英玻璃自上而下缓慢降温，有利于维持石英玻璃的形状，并且内部结构较为均匀。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为熔制石英玻璃沉积炉示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的熔制石英玻璃的沉积炉其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。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。
如图1所示，本发明的一个实施例提出的一种熔制石英玻璃沉积炉，其包括:火焰1、石英玻璃基体2、原料3、加料器4、排风口5、沉积炉内壁6、沉积炉外壁7、底盖板8、沉积炉中段9、电加热装置10、11、13以及循环水冷却装置12。
本发明提出一种熔制石英玻璃的沉积炉，其特征在于，沉积炉外壁为保温材料，内壁为耐火材料，中间夹层为电热装置或循环水冷却装置；沉积炉为分段保温式沉积炉，从上至下分为四个部分:炉体顶段，为弧形顶盖部分，夹层为电热装置；中段分为2-5个保温段，采用电热装置辅助加热；炉体下段夹层为循环水冷却装置；炉体底部为盖板；
其中，火焰与原料从所述沉积炉顶段进入；沉积基体沿其轴线作旋转运动，并在沉积过程中整体向下运动。
这种沉积炉顶部高温产生的热辐射可以使沉积面保持在较高温度，有利于提高沉积质量并扩大石英玻璃的直径；可控的侧壁温度使石英玻璃自上而下缓慢降温，有利于维持石英玻璃的形状，并且内部结构较为均匀。
采用化学气相沉积工艺，将热源通入沉积炉内并加热石英玻璃基体，载料气体携带气化的含硅原料通过加料器通入沉积炉中发生反应,生成二氧化硅颗粒，原料被火焰加热后形成二氧化硅颗粒沉积在石英玻璃基体上，随着沉积面的生长，缓慢降低石英玻璃基体以保持其上表面高度不变，逐渐形成石英玻璃块体。
较佳的，本发明的一个实施例提出的熔制石英玻璃的沉积炉，使用功率为200kW的高频等离子体火焰作为热源，四氯化硅作为原料。等离子体火焰进入沉积炉内并加热石英玻璃基体。使用分段保温式沉积炉，中段由2个保温段组成。通过电加热装置，使顶段温度保持在1700±20℃，中段上部温度保持在1400±20℃，中段下部温度保持在1100±20℃。使用循环水冷却装置，使炉体下部温度保持在500℃以下。沉积炉中部设有2个排风口，通过调节抽气风压控制沉积炉上部压力比大气压高20Pa。载料气体O2携带SiCl4原料通过加料器进入沉积炉，O2流量为1m3/h，载料气体O2中掺入0.3m3/h的He气。SiCl4与O2发生反应生成SiO2并沉积在石英玻璃基体上，随着沉积面的生长，缓慢降低石英玻璃基体以保持其上表面高度不变，逐渐形成石英玻璃块体。制备的石英玻璃直径为300mm，质量为15kg，无气泡、杂点、条纹等缺陷，沉积速率为190g/h，测得其羟基含量为0.4ppm，波长为2730nm处透过率为90％，光学均匀性为2×10-6。
较佳的，本发明的一个实施例提出的熔制石英玻璃的沉积炉，使用氢氧焰作为热源，高纯水晶粉(二氧化硅颗粒)作为原料。氢氧焰进入沉积炉内并加热石英玻璃基体。使用分段保温式沉积炉，中段由4个保温段组成。通过电加热装置，使顶段温度保持在1780±20℃，中段温度自上而下依次保持在1400±20℃、1300±20℃、1200±20℃、1100±20℃。使用循环水冷却装置，使炉体下部温度保持在500℃以下。沉积炉中部设有4个排风口，通过调节抽气风压控制沉积炉上部压力比大气压高40Pa。载料气体H2携带水晶粉原料通过加料器进入沉积炉，水晶粉被加热并沉积在石英玻璃基体上，随着沉积面的生长，缓慢降低石英玻璃基体以保持其上表面高度不变，逐渐形成石英玻璃块体。制备的石英玻璃直径为600mm，质量为150kg，无气泡、杂点、条纹等缺陷，沉积速率为3000g/h，光学均匀性为3×10-5。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种熔制石英玻璃的沉积炉，其特征在于，沉积炉外壁为保温材料，内壁为耐火材料，中间夹层为电热装置或循环水冷却装置；沉积炉为分段保温式沉积炉，从上至下分为四个部分:炉体顶段，为弧形顶盖部分，夹层为电热装置；中段分为2-5个保温段，采用电热装置辅助加热；炉体下段夹层为循环水冷却装置；炉体底部为盖板；
其中，火焰与原料从所述沉积炉顶段进入；沉积基体沿其轴线作旋转运动，并在沉积过程中整体向下运动。
2.根据权利要求1所述的熔制石英玻璃的沉积炉，其特征在于，所述的保温材料为耐火石棉、耐火纤维板、耐火浇注料或耐火空心球。
3.根据权利要求1所述的熔制石英玻璃的沉积炉，其特征在于，所述的耐火材料为氧化铝、氧化锆、碳化硅或氮化硅。
4.根据权利要求1所述的熔制石英玻璃的沉积炉，其特征在于，所述的顶段部分，电热装置控制温度为1500℃-1800℃。
5.根据权利要求1所述的熔制石英玻璃的沉积炉，其特征在于，所述的炉体中段，电热装置控制温度1000℃-1500℃，并且温度自上而下依次降低。
6.根据权利要求1所述的熔制石英玻璃的沉积炉，其特征在于，所述的炉体下段，循环水冷却装置控制温度在500℃以下。
7.根据权利要求1所述的熔制石英玻璃的沉积炉，其特征在于，所述沉积炉中段有排风口，排风口数量为1个或多个。
8.根据权利要求7所述的熔制石英玻璃的沉积炉，其特征在于，所述排风口连接抽气装置，控制沉积炉内压力比大气压高1-50Pa。
9.根据权利要求1所述的熔制石英玻璃的沉积炉，其特征在于，所述的火焰为氢氧焰或等离子体火焰。
10.根据权利要求1所述的熔制石英玻璃的沉积炉，其特征在于，所述的原料为四氯化硅或二氧化硅颗粒。
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