CN110183100A - 一种利用大规格二氧化硅疏松体制备石英玻璃的方法 - Google Patents
一种利用大规格二氧化硅疏松体制备石英玻璃的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种利用大规格的二氧化硅疏松体制备石英玻璃的方法，属石英玻璃生产技术领域。本发明的原始料为直径Φ500~Φ1100mm高度500~1000mm的大规格二氧化硅疏松体；经第一次抽真空、第一次升温、第一次充气、第二次抽真空、第二次升温、第二次充气和降温制得石英玻璃产品，制得的石英玻璃产品的羟基含量＜5ppm，氯含量＜1ppm，因此在全光谱透过率方面均较高，可满足精密光学、激光技术和半导体光刻技术等高新技术领域的使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用大规格的二氧化硅疏松体制备石英玻璃的方法，属石英玻璃生产技术领域。
背景技术
石英玻璃的制备主要有电熔、气熔、化学气相沉积和等离子化学气相沉积及等离子体等直接一步法熔制工艺。间接合成二步法制备工艺，是指将不含氯的硅化合物经火焰水解，生成二氧化硅颗粒并沉积形成二氧化硅疏松体，再将二氧化硅疏松体在一定温度下进行玻璃化制得石英玻璃。直接合成石英玻璃的一个缺点是羟基(-OH)含量过高，这是在合成过程中由氢氧火焰燃烧所引入的。羟基的存在会降低石英玻璃的红外透过性，并降低其热学性能。
目前，较成熟的石英玻璃间接合成二步法制备工艺，是将棒状的二氧化硅疏松体倒置吊入封闭的炉芯管内，通入含氯的脱羟气体脱除羟基，并通过机械装置持续缓慢经过高温加热带，在很窄的加热区进行一段一段逐步玻璃化，从而制成石英玻璃。
但是这种生产工艺存在如下问题：
1、石英玻璃中残留有脱除羟基时脱羟气体带入的氯，使石英玻璃残留有大量氯离子；石英玻璃中的氯离子会降低真空远紫外的光谱透过率，还会影响石英玻璃的高温使用性能。
2、这种工艺仅能处理直径＜Φ360mm，重量＜180kg的二氧化硅疏松体，不能满足Φ500mm以上大规格石英玻璃柱（锭）的生产。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种工艺简单，成本低，易于实施，以满足Φ500mm以上大规格石英玻璃柱生产，且低羟基含量和低氯含量的利用大规格二氧化硅疏松体制备石英玻璃的方法。
本发明的技术方案是：
一种利用大规格二氧化硅疏松体制备石英玻璃的方法，其特征在于：它包括以下步骤：
1）、将大规格二氧化硅疏松体放置在坩埚内正中间的位置，然后盖上圆形坩埚盖，再将装有大规格二氧化硅疏松体的坩埚放入真空熔制炉内正中位置；
2）、将真空熔制炉内真空度抽至≤20Pa；以将真空熔制炉内的气体排除,避免挥发性杂质污染二氧化硅疏松体；
3）、真空熔制炉内真空度抽至≤20Pa后；以＜60℃/h的升温速度将真空熔制炉内温度从室温缓慢升高至600~1500℃；以将大规格二氧化硅疏松体预热至脱羟温度；
4）、真空熔制炉内温度升高至600~1500℃后；向真空熔制炉内充入高纯氦气，直至真空熔制炉内气压达到一个大气压；保持真空熔制炉内温度维持在600~1500℃，恒温10~80h；以使大规格二氧化硅疏松体充分脱除羟基；
5）、恒温10~80h后，对真空熔制炉进行二次抽真空；将炉内真空度抽至≤10Pa；以对大规格二氧化硅疏松体玻璃化做好准备；
6）、真空度抽至≤10Pa；以60~120℃/h的速度将真空熔制炉内温度从600~1500℃快速升高至1550~1700℃，并恒温2~10h，以使二氧化硅疏松体玻璃化；
7）、真空熔制炉持续加热并使温度保持恒定的同时，向真空熔制炉内充入高纯氮气，直至所述真空熔制炉内气压达到一个大气压后恒温30分钟；以利用大气压力缩小玻璃中气泡的尺寸；
8）、恒温30分钟后，停止加热，待真空熔制炉自然降至室温后，取出石英玻璃产品。
所述的坩埚包括底座、筒状坩埚体和圆形坩埚盖；底座为圆板形，底座上有密集分布有排气通孔，底座上设置有筒状坩埚体，筒状坩埚体顶部活动装有圆形坩埚盖。
所述的坩埚材质为石墨、氧化锆、氧化铝、碳化硅中的任意一种或几种材质的组合。即，底座、筒状坩埚体和圆形坩埚盖可分别使用不同的材质组合成所述的坩埚结构。
所述步骤3）的最佳升温速度是30~60℃/h，升温温度是1100℃。
所述步骤6）的最佳升温速度是60~100℃/h，升温温度是1550℃。
所述大规格二氧化硅疏松体的直径为Φ500~Φ1100mm，高度为500~1000mm。
本申请发明人在实际工作中发现，真空度、升温速度对二氧化硅疏松体玻璃化的过程都有很大的影响，为此做了大量实验，其结果如下：
真空度对二氧化硅疏松体玻璃化的影响：
由表1可以看出，在所述步骤2）阶段，真空度在≤20Pa范围时玻璃锭羟基含量最佳；
由表2可以看出，在所述步骤5）阶段，真空度在≤10Pa范围时玻璃锭气泡质量最佳；
升温速度对二氧化硅疏松体玻璃化的影响：
由表3和表4可以看出，所述步骤3）升温速度在30~60℃/h范围，所述步骤6）升温速度在60~120℃/h范围时，玻璃锭气泡质量最佳；
温度对二氧化硅疏松体玻璃化的影响：
由表5可以看出，所述步骤3）恒温温度在600~1500℃范围，玻璃锭羟基含量最佳；
由表6可以看出，所述步骤6）恒温温度在1550~1700℃范围时，玻璃锭气泡质量最佳。
本发明的有益效果在于：
本发明可以对直径Φ500~Φ1100mm高度500~1000mm的大规格二氧化硅疏松体进行脱羟和玻璃化，生产羟基含量＜5ppm和氯元素含量＜1ppm的石英玻璃产品。产品的特征是从紫外到红外波段透过良好，产品纯度高，耐温性能好。本发明制备的石英玻璃羟基含量及氯含量较低，因此在全光谱透过率方面均较高，可满足精密光学、激光技术和半导体光刻技术等高新技术领域的使用要求。
附图说明
图1为本发明的坩埚的结构示意图。
图中：1、底座，2、筒状坩埚体，3、圆形坩埚盖，4、大规格二氧化硅疏松体，5、排气通孔。
具体实施方式：
实施例1
将Φ700mm、高度500mm的大规格二氧化硅疏松体4放置在坩埚内正中间的位置，然后盖上圆形坩埚盖；坩埚材质为石墨，坩埚包括底座1、筒状坩埚体2和圆形坩埚盖3；底座1为圆板形，底座1上有密集分布有排气通孔5，底座1上设置有筒状坩埚体2，筒状坩埚体2与排气通孔5连通；筒状坩埚体2顶部活动装有圆形坩埚盖3。再将装有大规格二氧化硅疏松体4的坩埚放入真空熔制炉内正中位置。 装料完成后，将真空熔制炉内真空度抽至≤20Pa。
真空熔制炉内真空度抽至≤20Pa后；以40℃/h的升温速度将真空熔制炉内温度从室温缓慢升高至1200℃；再向真空熔制炉内充入高纯氦气，直至真空熔制炉内气压达到一个大气压；同时保持真空熔制炉内温度维持在1200℃，恒温60h，充分脱除二氧化硅疏松体4所含的羟基；恒温60h后，对真空熔制炉进行二次抽真空；以将炉内真空度抽至≤10Pa；然后以80℃/h的速度将真空熔制炉内温度从1200℃快速升高至1600℃，并恒温5h，以使二氧化硅疏松体4玻璃化；
真空熔制炉持续加热并使温度保持恒定的同时，向真空熔制炉内充入高纯氮气，直至所述真空熔制炉内气压达到一个大气压后恒温30分钟；以利用大气压力缩小玻璃中气泡的尺寸；
恒温30分钟后，停止加热，待真空熔制炉自然降至室温后，取出石英玻璃产品，制备过程完成。
实施例2
将Φ550mm、高度700mm的大规格二氧化硅疏松体放置在坩埚内正中间的位置，然后盖上圆形坩埚盖，坩埚材质为石墨，坩埚包括底座1、筒状坩埚体2和圆形坩埚盖3；底座1为圆板形，底座1上有密集分布有排气通孔5，底座1上设置有筒状坩埚体2，筒状坩埚体2与排气通孔5连通；筒状坩埚体2顶部活动装有圆形坩埚盖3。再将装有大规格二氧化硅疏松4的坩埚放入真空熔制炉内正中位置。装料完成后，将真空熔制炉内真空度抽至≤20Pa。
真空熔制炉内真空度抽至≤20Pa后；以30℃/h的升温速度将真空熔制炉内温度从室温缓慢升高至1100℃；再向真空熔制炉内充入高纯氦气，直至真空熔制炉内气压达到一个大气压；同时保持真空熔制炉内温度维持在1100℃，恒温50h,充分脱除二氧化硅疏松体所含的羟基；恒温50h后，对真空熔制炉进行二次抽真空；以将炉内真空度抽至≤10Pa；然后以60℃/h的速度将真空熔制炉内温度从1100℃快速升高至1550℃，并恒温5h，以使二氧化硅疏松体玻璃化；
真空熔制炉持续加热并使温度保持恒定的同时，向真空熔制炉内充入高纯氮气，直至所述真空熔制炉内气压达到一个大气压后恒温30分钟；以利用大气压力缩小玻璃中气泡的尺寸；
恒温30分钟后，停止加热，待真空熔制炉自然降至室温后，取出石英玻璃产品。制备过程完成。
实施例3
将Φ1100mm、高度800mm的大规格二氧化硅疏松体4放置在坩埚内正中间的位置，然后盖上圆形坩埚盖；坩埚材质为石墨，坩埚包括底座1、筒状坩埚体2和圆形坩埚盖3；底座1为圆板形，底座1上有密集分布有排气通孔5，底座1上设置有筒状坩埚体2，筒状坩埚体2与排气通孔5连通；筒状坩埚体2顶部活动装有圆形坩埚盖3。再将装有大规格二氧化硅疏松体4的坩埚放入真空熔制炉内正中位置。装料完成后，将真空熔制炉内真空度抽至≤20Pa。
真空熔制炉内真空度抽至≤20Pa后；以50℃/h的升温速度将真空熔制炉内温度从室温缓慢升高至1300℃；再向真空熔制炉内充入高纯氦气，直至真空熔制炉内气压达到一个大气压；同时保持真空熔制炉内温度维持在1300℃，恒温70h,充分脱除二氧化硅疏松体所含的羟基；恒温70h后，对真空熔制炉进行二次抽真空；以将炉内真空度抽至≤10Pa；然后以100℃/h的速度将真空熔制炉内温度从1300℃快速升高至1650℃，并恒温10h，以使二氧化硅疏松体玻璃化；
真空熔制炉持续加热并使温度保持恒定的同时，向真空熔制炉内充入高纯氮气，直至所述真空熔制炉内气压达到一个大气压后恒温30分钟；以利用大气压力缩小玻璃中气泡的尺寸；
恒温30分钟后，停止加热，待真空熔制炉自然降至室温后，取出石英玻璃产品。制备过程完成。
实施例4
将Φ500mm、高度500mm的大规格二氧化硅疏松体放置在坩埚内正中间的位置，然后盖上圆形坩埚盖。坩埚材质为石墨，坩埚包括底座1、筒状坩埚体2和圆形坩埚盖3；底座1为圆板形，底座1上有密集分布有排气通孔5，底座1上设置有筒状坩埚体2，筒状坩埚体2与排气通孔5连通；筒状坩埚体2顶部活动装有圆形坩埚盖3。再将装有大规格二氧化硅疏松体4的坩埚放入真空熔制炉内正中位置。 装料完成后，将真空熔制炉内真空度抽至≤20Pa。
真空熔制炉内真空度抽至≤20Pa后；以60℃/h的升温速度将真空熔制炉内温度从室温缓慢升高至1400℃；再向真空熔制炉内充入高纯氦气，直至真空熔制炉内气压达到一个大气压；同时保持真空熔制炉内温度维持在1400℃，恒温25h,充分脱除二氧化硅疏松体所含的羟基；恒温25h后，对真空熔制炉进行二次抽真空；以将炉内真空度抽至≤10Pa；然后以110℃/h的速度将真空熔制炉内温度从1400℃快速升高至1700℃，并恒温2h，以使二氧化硅疏松体玻璃化；
真空熔制炉持续加热并使温度保持恒定的同时，向真空熔制炉内充入高纯氮气，直至所述真空熔制炉内气压达到一个大气压后恒温30分钟；以利用大气压力缩小玻璃中气泡的尺寸；
恒温30分钟后，停止加热，待真空熔制炉自然降至室温后，取出石英玻璃产品。制备过程完成。
各实施例中制备的石英玻璃产品取测试样品测定其羟基含量和氯元素含量,其中氯含量＜1ppm，羟基含量约为3ppm。
Claims (4)
1.一种利用大规格二氧化硅疏松体制备石英玻璃的方法，其特征在于：它包括以下步骤：
1）、将大规格二氧化硅疏松体（4）放置在坩埚内正中间的位置，然后盖上圆形坩埚盖，再将装有大规格二氧化硅疏松体（4）的坩埚放入真空熔制炉内正中位置；
2）、将真空熔制炉内真空度抽至≤20Pa；以将真空熔制炉内的气体排除,避免挥发性杂质污染二氧化硅疏松体；
3）、真空熔制炉内真空度抽至≤20Pa后；以＜60℃/h的升温速度将真空熔制炉内温度从室温缓慢升高至600~1500℃；以将大规格二氧化硅疏松体（4）预热至脱羟温度；
4）、真空熔制炉内温度升高至600~1500℃后；向真空熔制炉内充入高纯氦气，直至真空熔制炉内气压达到一个大气压；保持真空熔制炉内温度维持在600~1500℃，恒温10~80h；以使大规格二氧化硅疏松体（4）充分脱除羟基；
5）、恒温10~80h后，对真空熔制炉进行二次抽真空；以将炉内真空度抽至≤10Pa；以对大规格二氧化硅疏松体（4）玻璃化做好准备；
6）、真空度抽至≤10Pa；以60~120℃/h的速度将真空熔制炉内温度从600~1500℃快速升高至1550~1700℃，并恒温2~10h，以使二氧化硅疏松体玻璃化；
7）、真空熔制炉持续加热并使温度保持恒定的同时，向真空熔制炉内充入高纯氮气，直至所述真空熔制炉内气压达到一个大气压后恒温30分钟；以利用大气压力缩小玻璃中气泡的尺寸；
8）、恒温30分钟后，停止加热，待真空熔制炉自然降至室温后，取出石英玻璃产品。
2.根据权利要求1所述的一种利用大规格二氧化硅疏松体制备石英玻璃的方法，其特征在于：步骤1）所述的坩埚包括底座（1）、筒状坩埚体（2）和圆形坩埚盖（3）；底座（1）为圆板形，底座（1）上有密集分布有排气通孔（5），底座（1）上设置有筒状坩埚体（2），筒状坩埚体（2）与排气通孔（5）连通；筒状坩埚体（2）顶部活动装有圆形坩埚盖（3）。
3.根据权利要求2所述的一种利用大规格二氧化硅疏松体制备石英玻璃的方法，其特征在于：所述坩埚材质为石墨、氧化锆、氧化铝、碳化硅中的任意一种或几种材质的组合。
4.根据权利要求1所述的一种利用大规格二氧化硅疏松体制备石英玻璃的方法，其特征在于：步骤1）所述的所述大规格二氧化硅疏松体（4）的直径为Φ500~Φ1100mm，高度为500~1000mm。
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Denomination of invention: A Method for Preparing Quartz Glass Using Large Scale Silica Porous System Effective date of registration: 20230925 Granted publication date: 20210716 Pledgee: China Everbright Bank Co.,Ltd. Jingzhou Branch Pledgor: HUBEI FEILIHUA QUARTZ GLASS Co.,Ltd. Registration number: Y2023980058350 |