CN106365418B - 轻量化石英玻璃及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种轻量化石英玻璃的制备方法，其制备方法包括：在压力为0.1‑100Pa真空炉中，对石英玻璃坯料进行加热，使石英玻璃软化和石英模具匹配；其中所述的石墨模具具有预制形状的柱状凸起；停止加热并停止抽真空，充入保护气体至0.1‑0.5MPa；对真空炉进行冷却，冷却速率至少为100℃/h；当真空炉内温度为300℃时，使真空炉内压力与大气平衡，得到粗产品；对粗产品进行退火和冷加工。本发明轻量化石英玻璃的制备方法是具有成形效率高、省料等优势。

Description

轻量化石英玻璃及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种石英玻璃及其制备方法，特别是涉及一种轻量化石英玻璃及其制备方法。
背景技术
石英玻璃具有良好的耐辐射、热稳定性、化学稳定性、可加工性等优点，可广泛应用于航空航天、天文、精密光学领域的光学反射系统中。近年来，航空航天和天文等领域对观测精度提出了更高的要求，唯一的方法就是提高反射光学元件的尺寸，而大尺寸元件的重量是该领域无法接受的。因此要求反射光学元件既具有很高的轻量化率，又具有保证光学元件在温度波动时能够保持其面形精度的能力。
现有的轻量化石英玻璃主要由冷加工轻量化技术制备，但冷加工成功率低、浪费原料并且生产效率低，不适用于工业化生产。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种新型的轻量化石英玻璃及其制备方法，所要解决的技术问题是使其在整块石英玻璃中制造出大量的镂空结构，明显降低石英玻璃坯体的重量，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轻量化石英玻璃的制备方法，包括：
在压力为0.1-100Pa真空炉中，对石英玻璃坯料进行加热，使石英玻璃软化和石英模具匹配；其中所述的石墨模具具有预制形状的柱状凸起；
停止加热并停止抽真空，充入保护气体至0.1-0.5MPa；
对真空炉进行冷却，冷却速率至少为100℃/h；
当真空炉内温度为300℃时，使真空炉内压力与大气平衡，得到粗产品；
对粗产品进行退火和冷加工。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的轻量化石英玻璃的制备方法，其中所述的石英玻璃坯料种类为普通石英玻璃或低膨胀石英玻璃。
优选的，前述的轻量化石英玻璃的制备方法，其中所述的石英玻璃坯体置于石墨模具凸起的上部或下部，模具凸起的高度为所述石英玻璃坯体高度的50-90％。
优选的，前述的轻量化石英玻璃的制备方法，其中所述的石英玻璃坯体和石墨模具之间涂覆或放置耐高温防粘接层。
优选的，前述的轻量化石英玻璃的制备方法，其中所述的加热的升温速度为200-700℃/h。
优选的，前述的轻量化石英玻璃的制备方法，其中所述的石英玻璃软化和石英模具匹配的温度为1760-1850℃，保温5-15min。
优选的，前述的轻量化石英玻璃的制备方法，其中所述的保护气体为氮气、氩气或者氦气。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种轻量化石英玻璃，由上述的方法制备而成；所述与相同口径厚度的石英玻璃坯料相比的重量减轻率为50-90％。
借由上述技术方案，本发明轻量化石英玻璃及其制备方法至少具有下列优点：
1)本发明的轻量化石英玻璃具有大量的镂空结构，明显降低了石英玻璃坯体的重量，并且镂空结构均匀分布于石英玻璃基体中，不存在接口等缺陷，具有保持面形不变的能力；
2)本发明轻量化石英玻璃的制备方法是通过热压成形，与冷加工轻量化技术相比具有成形效率高、省料等优势。
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是本发明的轻量化石英玻璃制备前后的示意图。
图2是本发明的轻量化石英玻璃制备装置炉体示意图。
图3是本发明的轻量化石英玻璃的背部结构示意图。
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轻量化石英玻璃及其制备方法其具体实施方式、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轻量化石英玻璃及其制备方法，其包括：
将石英玻璃坯料1放入高温真空炉的石墨锅中的石英模具内，扣上炉盖，抽真空至0.1-100Pa，通电并使炉内温度以200-700℃/h的速度迅速升高。当炉内温度超过1760℃后，石墨锅内的石英玻璃开始软化，当炉内温度为1760-1850℃，石英玻璃逐渐软化和石英模具匹配，保持5-15min，断开加热电源并停止抽真空，并充入保护气体至0.1-0.5MPa，以循环水冷却的方式使炉内温度以大于100℃/h的速度迅速降低，防止玻璃析晶。当温度低于300℃时，打开放气阀，使炉内气压与外界平衡后，开启炉盖，取出粗产品。再经过退火和冷加工工艺制备得出外形完整的轻量化石英玻璃2。
石英玻璃坯体和石墨模具之间涂覆或放置耐高温防粘接层，防止石英玻璃与石墨模具粘结。
本发明的另一实施例提出一种轻量化石英玻璃的制备装置，炉体示意图如图2所示，包括观察窗3、放气阀4、炉壳5、真空管阀门6、真空管道7、电极8、石墨锅9、发热体10、石英玻璃坯料和石墨模具11、出水口12、保温材料13、进水口14、芯杆15、视窗16。
本发明的轻量化石英玻璃的背部结构示意图如图3所示，在石英玻璃内部具有大量的镂空结构，外表面形状不变，轻量化石英玻璃的重量减轻率大于50％。
实施例1
将10kg、直径为100mm的石英玻璃坯料放入高温真空炉的石墨锅中的圆柱状石墨模具中，模具凸起的高度为石英玻璃坯体高度的50％，石英玻璃坯体和石墨模具之间涂覆或放置耐高温防粘接层，扣上炉盖，抽真空至0.1Pa，通电高纯石墨线圈并使炉内温度以200℃/h的速度迅速升高。当炉内温度为1760℃，石英玻璃逐渐软化和石英模具匹配，保持15min，断开加热电源并停止抽真空，并充入氮气至0.1MPa，以循环水冷却的方式使炉内温度以100℃/h的速度迅速降低。当温度为300℃时，打开放气阀，使炉内气压与外界平衡后，开启炉盖，取出粗产品。再经过退火和冷加工工艺制备得出外形完整的轻量化石英玻璃。该轻量化石英玻璃的重量减轻率为50％。
实施例2
将300kg、直径为1000mm的低膨胀石英玻璃坯料放入高温真空炉的石墨锅中的三角柱状石墨模具中，模具凸起的高度为石英玻璃坯体高度的90％，石英玻璃坯体和石墨模具之间涂覆或放置耐高温防粘接层，扣上炉盖，抽真空至10Pa，通电高纯石墨线圈并使炉内温度以700℃/h的速度迅速升高。当炉内温度为1850℃，石英玻璃逐渐软化和石英模具匹配，保持5min，断开加热电源并停止抽真空，并充入氦气至0.5MPa，以循环水冷却的方式使炉内温度以200℃/h的速度迅速降低。当温度为100℃时，打开放气阀，使炉内气压与外界平衡后，开启炉盖，取出粗产品。再经过退火和冷加工工艺制备得出外形完整的轻量化石英玻璃。该轻量化石英玻璃的重量减轻率为90％。
实施例3
将100kg、直径为200mm的石英玻璃坯料放入高温真空炉的石墨锅中的五边形状石墨模具中，模具凸起的高度为石英玻璃坯体高度的60％，石英玻璃坯体和石墨模具之间涂覆或放置耐高温防粘接层，扣上炉盖，抽真空至100Pa，通电高纯石墨线圈并使炉内温度以300℃/h的速度迅速升高。当炉内温度为1800℃，石英玻璃逐渐软化和石英模具匹配，保持10min，断开加热电源并停止抽真空，并充入氩气至0.3MPa，以循环水冷却的方式使炉内温度以150℃/h的速度迅速降低。当温度为50℃时，打开放气阀，使炉内气压与外界平衡后，开启炉盖，取出粗产品。再经过退火和冷加工工艺制备得出外形完整的轻量化石英玻璃。该轻量化石英玻璃的重量减轻率为55％。
实施例4
将20kg、直径为500mm的低膨胀石英玻璃坯料放入高温真空炉的石墨锅中的六边形状石墨模具中，模具凸起的高度为石英玻璃坯体高度的70％，石英玻璃坯体和石墨模具之间涂覆或放置耐高温防粘接层，扣上炉盖，抽真空至50Pa，通电高纯石墨线圈并使炉内温度以360℃/h的速度迅速升高。当炉内温度为1780℃，石英玻璃逐渐软化和石英模具匹配，保持8min，断开加热电源并停止抽真空，并充入氦气至0.4MPa，以循环水冷却的方式使炉内温度以210℃/h的速度迅速降低。当温度为260℃时，打开放气阀，使炉内气压与外界平衡后，开启炉盖，取出粗产品。再经过退火和冷加工工艺制备得出外形完整的轻量化石英玻璃。该轻量化石英玻璃的重量减轻率为67％。
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 (8)

1.一种轻量化石英玻璃的制备方法，其特征在于，包括：
在压力为0.1-100Pa真空炉中，对石英玻璃坯料进行加热，使石英玻璃软化和石墨模具匹配；其中所述的石墨模具具有预制形状的柱状凸起；
停止加热并停止抽真空，充入保护气体至0.1-0.5MPa；
对真空炉进行冷却，冷却速率至少为100℃/h；
当真空炉内温度为300℃时，使真空炉内压力与大气平衡，得到粗产品；
对粗产品进行退火和冷加工。
2.根据权利要求1所述的轻量化石英玻璃的制备方法，其特征在于，所述的石英玻璃坯料种类为普通石英玻璃或低膨胀石英玻璃。
3.根据权利要求1所述的轻量化石英玻璃的制备方法，其特征在于，所述的石英玻璃坯料置于石墨模具凸起的上部或下部，模具凸起的高度为所述石英玻璃坯料高度的50-90％。
4.根据权利要求1所述的轻量化石英玻璃的制备方法，其特征在于，所述的石英玻璃坯料和石墨模具之间涂覆或放置耐高温防粘接层。
5.根据权利要求1所述的轻量化石英玻璃的制备方法，其特征在于，所述加热的升温速度为200-700℃/h。
6.根据权利要求1所述的轻量化石英玻璃的制备方法，其特征在于，所述的石英玻璃软化和石墨模具匹配的温度为1760-1850℃，保温5-15min。
7.根据权利要求1所述的轻量化石英玻璃的制备方法，其特征在于，所述的保护气体为氮气、氩气或者氦气。
8.一种轻量化石英玻璃，其特征在于：由权利要求1-7任一项所述的方法制备而成；所述的轻量化石英玻璃与相同口径厚度的石英玻璃坯料相比的重量减轻率为50％-90％。
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