CN108383365B - 一种石英玻璃的退火方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种石英玻璃的退火方法，涉及光学材料领域。该退火方法包括将石英玻璃摆放在退火炉中，还包括：先以200‑250℃/h的升温速率，将退火炉的温度由室温升至1090‑1200℃，保温6‑8h；再以3‑5℃/h的降温速率，将退火炉的温度降至1035‑1050℃，保温6‑8h；再以15‑20℃/h的降温速率，将退火炉的温度降至900℃；最后石英玻璃随炉自然冷却，炉温低于200℃后，开启炉门，将石英玻璃置于空气中完全冷却至室温。该退火方法解决了现有大尺寸石英玻璃的退火工艺效率低和生产成本高的问题，在保证石英玻璃应力双折射去除和不发生较大形变的同时，实现了大尺寸石英玻璃一炉多片的高效退火，提高了生产效率，降低了生产成本。

Description

一种石英玻璃的退火方法

技术领域

本申请涉及光学材料领域，具体涉及一种石英玻璃的退火方法。

背景技术

随着我国核技术、航空航天、精密测量等领域的高速发展，其内部关键部件之一的精密光学系统对光路所使用的光学器件的品质提出了越来越苛刻的要求。大尺寸石英玻璃作为为数不多的几种光学器件之一，具有光学特性好、耐温性能佳、耐受宇宙射线辐照、抗激光损伤阈值高、可加工性能好等优点被广泛应用于各类精密光学系统。且随着技术的发展，大尺寸石英玻璃的尺寸越来越大，由Φ300mm扩大至Φ600mm乃至Φ800mm，同时要求其光学均匀性由10^-5提高至10^-6，应力双折射低于4-5nm/cm。其中应力双折射是衡量石英玻璃内部残余应力的指标。通常在经历了不同的热历史后，石英玻璃内部会残余大小不一的热应力与机械应力。光线在穿过残余应力不一致的区域后，会产生不一样的光程差，从而造成出射光角度的改变，减低光学系统的准确性与精度。随着使用温度的不同及使用时间的延长，石英玻璃内部的应力会逐渐改变，会造成出射光角度的改变、表面面形的改变等一系列问题。故在使用前去除残余应力是很有必要的。

通常，去除残余应力的做法是将石英玻璃重新加热至退火温度区域，保温足够长的时间，使内部分子得以位移，再以较慢的速度冷却(保证各点温度一致，不再产生二次应力)。在此过程中，保温温度与时间、冷却速度与炉膛保温性能、样品尺寸、样品摆放有密切的联系。对于尺寸大于Φ300mm的石英玻璃，由于其重量大，在退火时通常的做法是将其平躺在退火炉内，同时，为保证退火后应力双折射低于4-5nm/cm，退火耗时极长(15天左右)，且一炉只能进行一片大尺寸石英玻璃的退火。对于批量生产来讲，不仅生产成本高，而且供货进度慢。若采用多片石英玻璃直接叠放平躺，则最下面被压的石英玻璃其退火后应力双折射仍达不到使用要求，若采用多层框架，避免了重力的重压，但上下层石英玻璃类似形成一个尺寸较大的石英玻璃盒，将中间的石英玻璃围在中央，由于石英玻璃的热传导较慢，往往中间层石英玻璃的应力双折射情况较差，为保证中间层石英玻璃的应力去除，仍需长时间退火。若采用将大尺寸石英玻璃竖直放置，在已有退火工艺下退火，由于重力原理，退火后石英玻璃均发生较大形变。因此，开发一种既能保证石英玻璃应力双折射去除和不发生较大形变，又能实现批量退火的退火方法具有重要的市场前景。

申请内容

本申请实施例通过提供一种石英玻璃的退火方法，解决了现有大尺寸石英玻璃的退火工艺效率低和生产成本高的问题，在保证石英玻璃应力双折射去除和不发生较大形变的同时，实现了大尺寸石英玻璃一炉多片的高效退火，提高了生产效率，降低了生产成本。

为达到上述目的，本申请主要提供如下技术方案：

本申请实施例提供了一种石英玻璃的退火方法，包括将石英玻璃摆放在退火炉中，所述退火方法还包括：

先以200-250℃/h的升温速率，将退火炉的温度由室温升至1090-1200℃，保温6-8h；

再以3-5℃/h的降温速率，将退火炉的温度降至1035-1050℃，保温6-8h；

再以15-20℃/h的降温速率，将退火炉的温度降至900℃；

最后石英玻璃随炉自然冷却，炉温低于200℃后，开启炉门，将石英玻璃置于空气中完全冷却至室温。

作为优选，所述石英玻璃为采用含硅化合物为原料，氢氧焰为热源，并经化学气相沉积法制备得到的高纯石英玻璃。

作为优选，所述石英玻璃的尺寸不超过500mm×500mm×100mm或Φ750mm×100mm。

作为优选，所述石英玻璃竖直摆放在退火炉中。

作为优选，所述退火炉内设有装卡模具；所述装卡模具包括底板以及设置在底板上的多条平行的隔板，所述隔板之间形成用于固定石英玻璃的凹槽，所述石英玻璃竖直摆放在装卡模具的凹槽内。

作为优选，所述凹槽的宽度大于石英玻璃的厚度20-40mm，凹槽的间距为50-70mm，凹槽的深度为80-120mm。

作为优选，所述装卡模具还包括弧形卡具，所述弧形卡具为两边为平面，一边为凹弧面的三角卡块，所述弧形卡具放置在装卡模具的凹槽内用于固定圆形石英玻璃。

作为优选，所述装卡模具的材质为高纯锆砖。

作为优选，所述退火炉包括支架、炉体、底座、驱动装置；其中

所述炉体安置在所述支架上，且所述炉体内部中空以形成炉膛；

所述底座安置于所述炉体的正下方，且与支架侧部设置的导轨滑动连接，使底座能沿着导轨垂向滑动；

所述支架的下方设有平移滑轨，底座沿着导轨滑动至导轨最低点时与平移滑轨滑动连接，使底座能沿着平移滑轨水平滑动；

所述驱动装置连接底座，用于驱动底座沿着导轨垂向滑动以及沿着平移滑轨水平滑动。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例所提供的退火方法能同时使多片大尺寸石英玻璃退火后的应力双折射达到使用要求，且玻璃所产生的变形尺度小，不需要重新返工进行表面平整，对后续加工无任何影响。另外，整个退火过程历时仅约为3天，退火耗时短，而且一炉能进行多片大尺寸石英玻璃的退火，大大提高了批量生产的生产效率，降低了生产成本。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的退火炉的结构示意图；

图2为本申请另一实施例提供的退火炉装卸样品的示意图；

图3为本申请另一实施例提供的装卡模具的结构示意图；

图4为本申请另一实施例提供的弧形模具的结构示意图；

图5为本申请另一实施例提供的石英玻璃的应力双折射值检测点的示意图；

图6为本申请另一实施例提供的石英玻璃的应力双折射值检测点的示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本申请为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合较佳实施例，对依据本申请提出的技术方案的具体实施方式、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。

本申请实施例采用的退火炉如图1所示，该退火炉包括支架1、炉体2、底座3、平移滑轨6、驱动装置、气氛调节系统以及温度控制系统。炉体安装在支架的上端，炉体内部中空以形成炉膛21，炉膛的内壁上设置有加热层212，加热层外还设置有保温层211。底座置于炉体的正下方且与支架侧部设置的导轨11滑动连接，使底座可以沿着导轨垂向滑动以打开或者关闭炉膛，如图1和图2所示，支架的下方设有平移滑轨6，底座沿着导轨滑动至导轨最低点时与平移滑轨滑动连接，使底座可以沿着平移滑轨水平滑动以水平移动底座，从而方便放置或者取出样品；底座上设置有加热层34和保温层33，保温层设置于加热层的下部，底座上还设置有主轴31，且主轴的上端依次穿过底座以及底座上的保温层、加热层；主轴的上端设置有用于放置石英玻璃的托盘32。驱动装置包括升降电机、平移电机以及减速电机，升降电机和平移电机连接底座，减速电机连接主轴，升降电机和平移电机分别用于驱动底座沿着支架上的导轨垂向滑动以及沿着平移滑轨水平滑动，以方便取放样品，减速电机用于驱动底座上的主轴旋转，以使托盘上的石英玻璃受热均匀。气氛调节系统包括与炉膛相通的进气通道51、出气通道54、压力流量调节器(如图1中的压力表53以及流量计52)，其中进气通道设置在炉体的一侧，出气通道设置在炉体的另一侧，进气通道用于连接进气管道，以向炉膛输入气体，出气通道连接出气管道，用于将炉膛内的气体输出，且进气通道和出气通道上分别设置有阀门，用于实现炉膛封闭和通气两种功能；进气通道上设置有耐高温密封法兰，法兰采用硅胶密封圈密封，法兰内设置压力表53，可实测炉膛压力，流量计52安装在进气通道上用于精密控制输入炉体内气体的流量。温度控制系统包括多个分散地设置在于炉膛内壁的热电偶以及控制器，控制器设置在炉体附近放置的电控柜(未示出)内，控制器与多个热电偶以及炉膛内壁的加热层、底座上的加热层连接；其中，热电偶用于测量炉膛内壁各处的温度，并将实测温度反馈给控制器，控制器根据设定的温度与测试的温度做比较并自动对炉膛内的加热层以及底座上的加热层调温，使其达到指定温度，通过温度控制系统炉膛内的温度最高可达1400℃，且炉膛内各点温度差不大于0.5℃，满足炉膛内石英玻璃受热均匀的要求。本申请实施例提供的退火炉通过设置平移滑轨，使底座进行下降外移，方便样品的装卸，尤其对大尺寸石英玻璃而言，大大降低了石英玻璃装卸的难度。

作为上述实施例的优选，如图3所示，托盘上设置有装卡模具321，该装卡模具包括底板以及设置在底板上的多条平行的隔板，该隔板之间形成用于固定石英玻璃的凹槽；该装卡模具还包括弧形卡具，如图4所示，该弧形卡具为两边为平面，一边为凹弧面的三角卡块，该弧形卡具放置在装卡模具的凹槽内用于固定圆形石英玻璃。本申请实施例提供的装卡模具可以使多片石英玻璃竖直摆放在退火炉中，不仅可以增加石英玻璃与气体的接触面积，更好地实现对石英玻璃内部结构的控制，还可以使石英玻璃受热均匀。

以下实施例采用上述退火炉对大尺寸石英玻璃进行退火。

实施例1

先启动升降电机使底座沿着支架上的导轨向下滑动至导轨的最低点，再启动平移电机使底座3沿平移滑轨水平滑动至平移滑轨的最外端，将3片(500×500×100)mm待退火的石英玻璃竖直摆放在托盘上的装卡模具的凹槽中，再次启动平移电机使底座沿平移滑轨水平滑动至平移滑轨的最内端，再启动升降电机使底座沿支架上的导轨向上滑动，当底座上的保温层与炉膛内壁的保温层紧密结合时，则炉膛完全闭合。通过减速电机驱动主轴旋转，同时带动托盘、装卡模具一同做圆周运动，此时，通过进气通道开始缓慢通气，气体的流量由流量计控制，并打开出气通道，通气1-2h，待炉膛内部气流稳定后，开始加热，先以200-250℃/h的升温速率，将炉温由室温升至1090-1200℃，待温度稳定后，通过阀门先后关闭出气通道和进气通道，通过压力表读数，保持炉体内气体的压力为0.1-0.5Pa，并在此温度下保温6-8h，再以3-5℃/h的降温速率，将炉温降至1035-1050℃，并在此温度点保温6-8h；后以15-20℃/h的降温速率将炉温降至900℃；最后石英玻璃随炉自然冷却，冷却速率约为30-35℃/h，炉温低于200℃后，关闭流量计、出气通道、总电源，开启炉门，将石英玻璃置于空气中完全冷却至室温，石英玻璃退火完成，整个退火过程历时约3天。

按照JC/T 185-2013标准检测上述退火后的石英玻璃的应力双折射值，如图5所示，分别取中心、四边的中心及四角共9个监测点，检测数值如下表1：

表1.石英玻璃退火后的应力双折射值(单位：nm/cm)

采用平面度测量仪对退火前后石英玻璃正反表面中间与两边的平面度进行对比测量，检测数值如下表2：

表2.石英玻璃退火前后的平面度(单位：×0.001mm)

实施例2

将3片(Φ750×100)mm的石英玻璃竖直摆放在退火炉内装卡模具的凹槽中，并采用弧形卡具放在圆形石英玻璃的两侧进行固定，记录每块石英玻璃样品放置的方位，本实施例按照与实施例1相同的退火工艺对该大尺寸石英玻璃进行退火。

按照JC/T 185-2013标准检测上述退火后的石英玻璃的应力双折射值，如图6所示，分别取圆心、圆周上4点共5个监测点，检测数值如下表3：

表3.石英玻璃退火后的应力双折射值(单位：nm/cm)

采用平面度测量仪对退火前后石英玻璃正反表面中间与两边的平面度进行对比测量，检测数值如下表4：

表4.石英玻璃退火前后的平面度(单位：×0.001mm)

对比例

本对比例采用与实施例1相同的退火炉，并对与实施例1相同的石英玻璃进行退火。

将3片(500×500×100)mm的石英玻璃竖直摆放在退火炉内装卡模具的凹槽中，记录每块石英玻璃样品放置的方位，关闭炉门。先以200-250℃/h的升温速率，将炉温由室温升至1090-1200℃，在此温度下保温10-24h；再以3-10℃/h的降温速率，将炉温降至900℃；最后石英玻璃随炉自然冷却，冷却速率约为30-35℃/h，炉温低于200℃后，开启炉门，将石英玻璃置于空气中完全冷却至室温，石英玻璃退火完成，整个退火过程历时约7-8天。

按照JC/T 185-2013标准检测上述退火后的石英玻璃的应力双折射值，如图5所示，分别取中心、四边的中心及四角共9个监测点，检测数值如下表5：

表5.石英玻璃退火后的应力双折射值(单位：nm/cm)

将上述退火后的石英玻璃放置在平面度为λ1/10的测量平晶上，石英玻璃的变形已超出平面度测量仪的测量范围，用卡尺测量其与平晶的间隙，检测数值如下表6：

表6.石英玻璃退火后的平面度

	AA`角	CC`角	BB`角	DD`角
					样品1	3.6mm	4.2mm	-2.5mm	-3.2mm
样品2	2.8mm	3.2mm	-4.4mm	-3.6mm
					样品3	-3.6mm	-3.3mm	4.0mm	3.9mm

从表1可以看出，本申请实施例中方形石英玻璃和圆形石英玻璃在退火后的各点应力均低于5nm/cm，且退火后石英玻璃平面度发生仅约0.1-0.5mm的改变，说明采用本申请实施例的退火方法能同时使多片大尺寸石英玻璃退火后的应力双折射达到使用要求，且玻璃所产生的变形尺度小，不需要重新返工进行表面平整，对后续加工无任何影响。另外，整个退火过程历时仅约为3天，退火耗时短，而且一炉能进行多片大尺寸石英玻璃的退火，大大提高了批量生产的生产效率，降低了生产成本。对比例将大尺寸石英玻璃竖直放置在退火炉中，采用现有的退火工艺对玻璃进行退火，由表5和表6的测试数据可以看出，退火后的石英玻璃有2-5mm不同程度的变形，这些变形后的大尺寸石英玻璃需要重新返工进行表面平整后方可研磨抛光加工成光学器件，由此说明现有的退火工艺不能用于对大尺寸石英玻璃进行一炉多片的高效退火。

本申请实施例先以200-250℃/h的升温速率，将退火炉的温度由室温升至1090-1200℃，在此温度点保温6-8h；再以3-5℃/h的降温速率降至1035-1050℃，并在此温度点保温6-8h；然后以15-20℃/h的降温速率降至900℃；最后石英玻璃随炉自然冷却至200℃，冷却速度约为30-35℃/h，当炉温低于200℃后，开启炉门，将石英玻璃置于空气中完全冷却至室温。其中200-250℃/h的升温速率可防止石英玻璃发生炸裂，而过快的升温速率会降低炉膛使用寿命，同时易导致应力较大的玻璃样品发生炸裂，在1090-1200℃和1035-1050℃的温度下分别保温6-8h，可以保证石英玻璃内部各点温度一致。

本申请实施例所进行退火的石英玻璃优选为采用含硅化合物为原料，氢氧焰为热源，并经化学气相沉积法制备得到的高纯石英玻璃。由于不同工艺制备的不同尺寸的石英玻璃差别较大，其退火工艺也不同。不同工艺制备的石英玻璃内部羟基与金属杂质含量不同，导致其退火温度相差较大，通常羟基与金属杂质(Al⁺³除外)含量增加，石英玻璃粘度降低，其退火点温度值发生变化，如国外不同工艺制造的石英玻璃的退火下限温度分别为：英国电熔水晶石英玻璃1108℃、英国气炼水晶石英玻璃1015℃、德国水晶熔制石英玻璃1075±25℃、英国四氯化硅合成石英玻璃987℃、德国四氯化硅合成石英玻璃1025±25℃；同时，由于石英玻璃为热的不良导体，而退火即在一定温度范围内使石英玻璃内部各点温度保持一致，不同尺寸的石英玻璃其热量传递平衡时间不同，故退火工艺也不同。本申请实施例的退火工艺为采用含硅化合物为原料，氢氧焰为热源，并经化学气相沉积法制备得到的高纯石英玻璃而设计，且更适于尺寸最大不超过(500×500×100)mm或(Φ750×100)mm的石英玻璃。

本申请实施例将多片大尺寸石英玻璃竖直摆放在退火炉中，既避免了多片石英玻璃直接叠放平躺时产生重力的重压，又避免了多层框架放置时应力双折射去除不均匀，而在现有退火工艺下，石英玻璃的竖直摆放由于重力原理，石英玻璃退火后会发生较大形变。本申请通过改变常规的退火工艺，在保证应力双折射去除的同时，避免了石英玻璃发生较大形变，实现了一炉多片的高效退火。

本申请实施例在退火炉中设置装卡模具来固定竖直摆放的大尺寸石英玻璃，其中装卡模具上的凹槽既保证了圆形或方形大尺寸石英玻璃竖直摆放时的稳定与牢固，又保证了石英玻璃的退火不受装卡模具影响。本申请实施例优选装卡模具的凹槽的宽度大于石英玻璃的厚度20-40mm，凹槽的间距为50-70mm，凹槽的深度为80-120mm，其中凹槽的宽度较石英玻璃的厚度大20-40mm，可减少与石英玻璃接触的同时，保证热传导；凹槽的间距为50-70mm，可形成热气氛的流通，不影响热量辐射传递，保证石英玻璃片间温度与炉内温度一致性；凹槽的深度为80-120mm，既能起到稳固固定样品的作用，又能使装卡模具多次精密退火后不易变形。该装卡模具的凹槽适用于尺寸为300×300mm～500×500mm的方形石英玻璃，也可根据石英玻璃的尺寸按比例扩大或缩小。

对于圆形石英玻璃，本申请实施例通过在凹槽的样品位两边各增加一块弧形卡具来保证圆形石英玻璃不在凹槽内移动，由于热压脱模后的弧形卡具表面极为粗糙，摩擦力极大，圆形石英玻璃放置在两个弧形卡具中间后，弧形卡具不会发生移位现象。优选弧形卡具的侧面为高30mm，宽10mm的边沿，由于弧形卡具为内凹型，可将圆形石英玻璃卡在中间，增加其安全稳定性。

本申请实施例优选装卡模具的材质为高纯锆砖，由于高纯锆砖在高温下无有机物挥发，不产生污染，因此不会给石英玻璃带来析晶风险，且耐高温、使用寿命长，在高低温的退火过程中其刚度基本不发生变化，另外其导热性能佳，不影响对石英玻璃的热传导。

本申请中的装卡模具可在精密退火炉内竖直摆放多片大尺寸石英玻璃，其具体大小以及凹槽的数量可随炉膛尺寸增减。由于石英玻璃较重，装卡模具与石英玻璃的重量在炉底可承受范围内即可。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本申请的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种石英玻璃的退火方法，包括将石英玻璃摆放在退火炉中，其特征在于，所述退火方法还包括：

先以200-250℃/h的升温速率，将退火炉的温度由室温升至1090-1200℃，保温6-8h；

再以3-5℃/h的降温速率，将退火炉的温度降至1035-1050℃，保温6-8h；

再以15-20℃/h的降温速率，将退火炉的温度降至900℃；

最后石英玻璃随炉自然冷却，炉温低于200℃后，开启炉门，将石英玻璃置于空气中完全冷却至室温；

所述石英玻璃为采用含硅化合物为原料，氢氧焰为热源，并经化学气相沉积法制备得到的高纯石英玻璃；所述石英玻璃的厚度为100mm；所述石英玻璃竖直摆放在退火炉中；所述退火炉内设有装卡模具；所述装卡模具包括底板以及设置在底板上的多条平行的隔板，所述隔板之间形成用于固定石英玻璃的凹槽，所述石英玻璃竖直摆放在装卡模具的凹槽内；所述凹槽的宽度大于石英玻璃的厚度20-40mm，凹槽的间距为50-70mm，凹槽的深度为80-120mm。

2.根据权利要求1所述的石英玻璃的退火方法，其特征在于，所述石英玻璃的尺寸不超过500mm×500mm×100mm或Φ750mm×100mm。

3.根据权利要求1所述的石英玻璃的退火方法，其特征在于，所述装卡模具还包括弧形卡具，所述弧形卡具为两边为平面，一边为凹弧面的三角卡块，所述弧形卡具放置在装卡模具的凹槽内用于固定圆形石英玻璃。

4.根据权利要求1所述的石英玻璃的退火方法，其特征在于，所述装卡模具的材质为高纯锆砖。

5.根据权利要求1所述的石英玻璃的退火方法，其特征在于，所述退火炉包括支架、炉体、底座、驱动装置；其中

所述炉体安置在所述支架上，且所述炉体内部中空以形成炉膛；

所述底座安置于所述炉体的正下方，且与支架侧部设置的导轨滑动连接，使底座能沿着导轨垂向滑动；

所述支架的下方设有平移滑轨，底座沿着导轨滑动至导轨最低点时与平移滑轨滑动连接，使底座能沿着平移滑轨水平滑动；

所述驱动装置连接底座，用于驱动底座沿着导轨垂向滑动以及沿着平移滑轨水平滑动。

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