CN105948468B - 一种石英玻璃的制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以天然石英砂或人造石英粉料制备高纯的石英玻璃的装置。该装置包括炉腔(5)、供料器(2)，以及置于炉腔内的喷灯(4)、旋转支架(7)和基板(11)。将石英砂或者石英粉通过供料器精确的送入氢氧焰喷灯，在火焰下形成不完全熔融的颗粒，并逐渐沉积在旋转支架上的基板上，形成多孔石英玻璃体。本发明原材料利用率高，制备形成的石英玻璃材料羟基和杂质含量低，尺寸波动小，减少了后续加工成本。

Description

一种石英玻璃的制备装置

技术领域

本发明属于光纤光缆技术领域，更具体地，涉及一种石英玻璃的制备方法与制备装置。

背景技术

石英玻璃由于其优异的耐高温性能、热膨胀系数、耐热震性、化学稳定性、绝缘性和光学性能，被广泛的应用于光源、电子、光通讯、仪表、激光、航天、核技术和国防等高科技领域。目前制作高纯石英玻璃主流的制作方法是化学合成法、电熔法、气炼法和等离子喷涂。

化学合成法是用含硅的前驱体(例如SiCl₄等)，通过火焰加热，与氢气和氧气反应，水解生成二氧化硅烟炱体，沉积在目标靶材上形成多孔石英体，然后通过高温干燥和烧结，形成透明石英玻璃，该方法制备的石英玻璃，缺陷和杂质含量低，内部均匀，光学性能卓越，被广泛应用于光纤预制棒和半导体元件。但化学合成法制备石英玻璃，其设备造价昂贵，原材料利用率只有70％左右，另外需要投入大量的费用去收集处理排放的粉尘和HCl/Cl₂等废气，增加了制造成本。

电熔法、气炼法和等离子喷涂主要使用石英砂为原材料制备石英玻璃。电熔法是将石英砂放置于耐高温容器中，通过电炉加热，将石英砂直接熔融形成石英玻璃，此方法制备的石英玻璃其纯度和均匀性不高，而且内部容易产生气泡，一般用于制备要求较低的石英制品；等离子喷涂技术是将石英砂通过等离子焰熔融喷涂在目标靶材上，直接形成透明石英玻璃，该技术已经在一些企业内应用于制备高纯石英柱和石英管，但是由于设备造价高，能耗高，生产周期长的限制，并未得到大范围的使用；气炼法是目前石英制品行业应用最广泛的制备技术，将石英砂通过氢氧焰加热，熔融沉积在目标靶材上，通过火焰的加热直接形成石英玻璃，该方法早期制备的石英玻璃内气泡和缺陷的含量较高，随着技术的发展，制得的石英玻璃在尺寸和性能上都得到了改善，专利CN105314825A中提到在火焰中加入低压乙炔，可提高石英内部的均匀性；专利JP6122131A中将氢氧焰替换成了CO和O₂，从而降低了石英玻璃中羟基的含量，但由于CO和O₂燃烧的热量只有氢氧焰的1/3，延长了生产周期，而且也引入了CO这种有毒气体。虽然气炼设备制作成本低，容易实现大规模生产，但制造的石英玻璃普遍羟基含量较高(150ppm以上)，内部存在气泡，应力分布不均匀。

发明内容

本发明是通过供料器精确控制石英颗粒的下料速度，并用气体作为载气，将石英颗粒通过火焰加热至部分熔融，逐渐喷涂在基板上，并调节下料速度和基板升降速度，使喷涂的石英颗粒不直接形成透明石英，而是形成多孔石英体，然后将多孔石英体经过脱水处理后加热烧结形成透明石英玻璃。

按照本发明的一个方面，提供了一种石英玻璃的制备装置，包括炉腔(5)、供料器(2)，以及置于炉腔内的喷灯(4)、旋转支架(7)和基板(11)；所述供料器(2)用于将石英颗粒通过炉腔内喷灯(4)加热后输送到炉腔，所述基板(11)置于旋转支架(7)上，所述旋转支架(7)带动基板(11)转动；工作时，石英颗粒被熔融后喷涂在基板(11)上，在石英颗粒熔融喷涂过程中，基板(11)持续转动。

优选地，所述装置，其石英颗粒通过料斗(1)送入供料器(2)，料斗(1)加装振动装置以防止石英颗粒下料过程中堵塞料斗(1)。

优选地，所述装置，其供料器由电机(19)、送料管道(20)、送料螺杆(21)和料槽(22)组成，通过电机(19)驱动送料螺杆(21)旋转，用于推动落入的石英砂向前送入料槽(22)，所述送料螺杆(21)用于通过调整转速来调整供料速度。

优选地，所述装置，其供料器供料精度优于5g/min，即每分钟供料质量波动最大不超过5g。

优选地，所述装置，其送料管道由陶瓷、不锈钢或石英玻璃制成。

优选地，所述装置，其供料器连接载气入口(12)，通过载气入口(12)通入载气，供料速度0～100g/min。

优选地，所述装置，其载气为氢气、氧气、氮气。

优选地，所述装置，其旋转支架(7)和基板(11)连接有驱动装置，共同构成可垂直移动和水平旋转的旋转平台；在石英颗粒熔融喷涂过程中，旋转平台在水平方向上持续转动。

优选地，所述装置，其在石英颗粒熔融喷涂过程中，石英颗粒首先在基板(11)上熔融变成透明石英玻璃基层(10)，当该基层(10)高度达到10mm以上时，旋转平台开始下降。

优选地，所述装置，其旋转平台的转速为0～18rpm/min，下降速率为0～1.21mm/min。

优选地，所述装置，其载气为氢气，料槽(22)与氢气管道(13)连接，以氢气为载气将落入料槽(22)的石英颗粒带入喷灯(4)。

本发明涉及以石英砂或石英粉为原材料，通过氢氧焰制备石英玻璃材料制备技术领域。更具体地，使用天然石英砂或人造石英粉料制备高纯的石英玻璃，制得的石英玻璃经过后续拉伸和机械加工，可以应用于光纤通信、半导体等领域。

附图说明

图1为本发明实施例中石英玻璃制备装置结构示意图；

图2为本发明实施例中石英玻璃制备装置的供料器的结构示意图；

图3本发明实施例中脱水处理示意图；

图4石英玻璃烧实示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1料斗,2供料器,3石英颗粒,4喷灯,5炉腔,6熔炉,7旋转支架,8火焰,9多孔石英体,10石英基层,11基板,12载气入口,13氢气管道,14氧气管道,15加热炉,16加热元件,17旋转底座,18透明石英柱体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的具体实施方案如下：

如图1所示，喷灯(4)同时接入H₂管道(13)和O₂管道(14)，氢气和氧气点燃形成氢氧焰(8)，氢气与氧气理论反应比例为2:1，在本发明中，为保证氢气充分燃烧，氢气与氧气比例控制在1.0:1～1.8:1，使氧气相对过量。将喷灯放置于炉腔(5)内，喷灯位于炉腔中轴上，火焰向下，将炉腔进行加热，当炉腔温度达到1500℃以上后，调节气体供应速度，使炉腔温度达到稳定。炉腔维持在1500℃～1800℃之间，更优的维持在1550℃～1700℃之间。可通入氮气等气体来辅助调整温度。

炉腔温度稳定后，将石英颗粒(3)通过料斗(1)送入供料器(2)，石英颗粒为石英砂或石英粉体，如天然石英砂或气相沉积法和溶胶凝胶法制成的石英粉体。石英颗粒的粒径分布为50μm～500μm，优选50μm～200μm，石英颗粒的形状选用棱形为佳；料斗(1)可以加装振动装置(未在图中标出)，防止石英颗粒下料过程中堵塞料斗，石英颗粒(3)离开料斗(1)之后，进入供料器(2)，如图2所示，供料器由电机(19)、送料管道(20)、送料螺杆(21)和料槽(22)组成，通过电机(19)驱动送料螺杆(21)旋转，将落入的石英砂向前推动送入料槽(22)，具体地可以通过调整送料螺杆(21)的转速来调整出料速度。料槽(22)与H₂管道(13)连接，优选地，可以以H₂为载气将落入的石英颗粒带入喷灯(4)。当然，如图1所示，载气也可以用氧气、N₂或者其他气体替代，此时可以通过载气入口(12)通入载气。可实现供料速度0～100g/min可调，优选8g/min～40g/min，出料精度可达到0.5g/min。送料管道和送料螺杆使用陶瓷、不锈钢等高硬度材料制备，更优的使用石英玻璃制作，可减少与石英颗粒磨损引入的其他杂质。

喷灯(4)与H₂管道(13)和O₂管道(14)连接，点燃形成氢氧焰，石英颗粒通过氢氧焰熔融后喷涂在基板(11)上，基板放置于可在垂直方向上移动的旋转支架(7)上，基板、支架和驱动装置共同构成旋转平台。在石英颗粒熔融喷涂过程中，旋转平台持续转动，但在垂直方向保持静止，石英砂在基板(11)上逐渐沉积，并在氢氧焰的加热作用下，完全熔融变成透明石英玻璃基层(10)，当沉积高度达到10mm以上，优选15mm以上时，旋转平台开始下降，并调整火焰大小，喷涂的石英颗粒表面熔融，但内部并未完全熔融，到达石英玻璃基层(10)上，并随着旋转平台的下降，在完全熔融前脱离火焰高温区域，然后逐渐沉积形成多孔石英体(9)，石英体的粒径分布在50μm～200μm之间。

完成石英砂沉积后，将多孔石英体(9)连同基板(11)一起取出，转移入密封的加热炉(15)中，炉腔内升温至1000℃～1300℃，优选1100℃～1150℃，并通入干燥气体，例如氯气、氟利昂、氮气、氧气、氦气、氩气、四氟化碳气体、四氟化硅气体、四氟化硫气体等气体的一种或几种，经过脱水处理，脱水处理60min以上，优选90min以上，抽走干燥气体，通入氦气和氮气，将炉温升至1700℃，优选1800℃以上，升温速度小于10℃/min，多孔石英体(9)由旋转底座(17)带动可实现持续旋转，有利于受热均匀。

经过持续加热，多孔石英体(9)在氦气环境下烧实成透明石英柱体(18)，再经过退火处理后冷却，得到透明石英玻璃柱，本发明得到的石英玻璃柱具有更好的几何尺寸，羟基含量可以降到15ppm以下，更优的可以降到5ppm以下。

本发明中涉及的加热炉可以是上述的整体式加热，即加热件(16)的有效加热面积覆盖整个多孔石英体，也可以是分段式加热，加热件的有效加热面积小于被加热体，需要移动加热件或者被加热体，使得热区均匀的经过被加热体的所有部位。

制得的透明石英玻璃柱可通过拉伸和打磨抛光等加工，制成柱状、管状、片状或其他形状的石英制品。

本发明优势在于:1)通过本发明方法制备的石英材料羟基含量低，可达到5ppm以下；2)通过精确的下料，原材料利用率高，可以达到95％以上；3)石英制品尺寸和内应力更加均匀，直径波动小于2％；4)设备构造简单，降低了设备投入成本。

以下为实施例：

将平均粒径120μm的石英砂装入料斗中，并对料斗施加轻微正弦振动待用。先后通入向喷灯通入氢气和氧气点燃，形成氢氧焰，氢气流量为55L/min，氧气流量为40L/min，将炉膛加热至1700℃，打开载气阀门通入喷灯，载气为氢气，流量7L/min，待气流稳定后，打开供料器，调整供料螺杆旋转速度，将下料速度控制在45g/min，并打开旋转支架，转速为18rpm/min，石英砂逐渐沉积在基板上，并在火焰的高温下形成透明石英玻璃，经15min后，在基板上形成12mm厚的石英基层。此时氢气和氧气的流量分别降低至40L/min和30L/min，下料速度降低到25g/min，旋转支架开始下降，下降速度1.21mm/min，石英砂在基层上逐渐沉积，形成多孔石英体，7小时之后，形成9.7kg的多孔石英体，将多孔石英体转移至加热炉中，对炉腔进行加热，升温至1150℃，通入氯气进行干燥70min，停止氯气供应，通入氦气，升高炉内温度至1700℃，升温速度10℃/min，然后调整升温速度到2℃/min达到1800℃，持续130min，多孔石英体烧实成透明石英玻璃柱体，然后降低炉腔温度，进行退火处理，从炉膛中取出石英柱体，得到尺寸φ53mm×503mm，羟基含量2ppm以下的石英柱状材料。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高纯石英玻璃的制备装置，其特征在于，包括炉腔(5)、供料器(2)，以及置于炉腔内的喷灯(4)、旋转支架(7)、基板(11)、以及密封的加热炉(15)；所述供料器(2)用于将石英颗粒通过炉腔内喷灯(4)加热后输送到炉腔，供料器连接载气入口(12)，通过载气入口(12)通入载气；所述喷灯(4)同时接入H₂管道(13)和O₂管道(14)；所述基板(11)置于旋转支架(7)上，所述旋转支架(7)带动基板(11)转动；

工作时，石英颗粒被熔融后喷涂在基板(11)上形成多孔石英体，在石英颗粒熔融喷涂过程中，基板(11)持续转动；载气为氢气、氧气、或氮气，炉腔维持在1500℃～1800℃之间；供料速度0～100g/min；完成石英砂沉积后，将多孔石英体(9)连同基板(11)一起取出，转移入密封的加热炉(15)中。

2.一种如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述供料器(2)上设有料斗(1)，所述料斗(1)装有振动装置，用于防止石英颗粒下料过程中堵塞料斗(1)。

3.一种如权利要求1所述的装置，其特征在于，供料器由电机(19)、送料管道(20)、送料螺杆(21)和料槽(22)组成，通过电机(19)驱动送料螺杆(21)旋转，用于推动落入的石英砂向前送入料槽(22)，所述送料螺杆(21)用于通过调整转速来调整供料速度。

4.一种如权利要求1或3所述的装置，其特征在于，送料管道由陶瓷、不锈钢或石英玻璃制成。

5.一种如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，旋转支架(7)和基板(11)连接有驱动装置，共同构成可垂直移动和水平旋转的旋转平台；在石英颗粒熔融喷涂过程中，旋转平台在水平方向上持续转动。

6.一种如权利要求5所述的装置，其特征在于，在石英颗粒熔融喷涂过程中，石英颗粒首先在基板(11)上熔融变成透明石英玻璃基层(10)，当该基层(10)高度达到10mm以上时，旋转平台开始下降。

7.一种如权利要求5所述的装置，其特征在于，旋转平台的转速为0～18rpm，下降速率为0～1.21mm/min。

8.一种如权利要求4所述的装置，其特征在于，载气为氢气，料槽(22)与氢气管道(13)连接，以氢气为载气将落入料槽(22)的石英颗粒带入喷灯(4)。

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