CN114409247B - 一种表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料及制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料，包括石英玻璃本体以及设置在石英玻璃表面的耐高温耐腐蚀层；石英玻璃本体按照重量份数计算，包括以下成分：100份高纯石英砂、3.71～4.85份硼化铬、1.24～1.86份二硼化铬、2.52～4.31份四硼化三铬。本发明针对现有的石英玻璃的改进有两点：第一是将石英玻璃本身进行改进，从而提升紫外透过性；第二为了使石英玻璃具有较好的耐高温性和耐腐蚀，还在石英玻璃的表面设置了耐高温耐腐蚀层，而同时还要保证石英玻璃的紫外光透过性。

Description

一种表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料及制备工艺
技术领域
本发明涉及石英玻璃领域，具体涉及一种表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料及制备工艺。
背景技术
石英玻璃，是由各种纯净的天然石英(如水晶、石英砂等)熔化制成。线膨胀系数极小，是普通玻璃的1/10～1/20，有很好的抗热震性。它的耐热性很高，经常使用温度为1100℃～1200℃，短期使用温度可达1400℃。石英玻璃主要用于实验室设备和特殊高纯产品的提炼设备。由于它具有高的光谱透射，不会因辐射线损伤(其他玻璃受辐射线照射后会发暗)，因此也是用于宇宙飞船、风洞窗和分光光度计光学系统的理想玻璃。
但是随着科技的发展，越来越多的材料需要更高的温度反应，因此传统的石英玻璃的耐高温性已经不能够达到需求，有些耐高温的玻璃强度达不到特种使用的要求；此外，现有技术制备的耐高温玻璃，不能同时具备热稳定性、紫外透光性、耐腐蚀性的优点，对于一些使用场合下，达不到使用的标准和要求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料及制备工艺。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
第一方面，本发明提供一种表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料，包括石英玻璃本体以及设置在石英玻璃表面的耐高温耐腐蚀层；石英玻璃本体按照重量份数计算，包括以下成分：100份高纯石英砂、3.71～4.85份硼化铬、1.24～1.86份二硼化铬、2.52～4.31份四硼化三铬。
优选地，所述高纯石英砂为纯度大于99.99％的石英砂。
优选地，所述石英玻璃本体是通过电熔法制备得到，电熔过程的温度为1800～2000℃，电熔过程的真空度为0.1～0.5Pa。
优选地，所述高纯石英砂的粒径为50～100μm。
优选地，所述硼化铬、所述二硼化铬、所述四硼化三铬的粒径为500～1000nm。
优选地，所述耐高温耐腐蚀层的厚度为75～130nm。
优选地，所述耐高温耐腐蚀层包括在所述石英玻璃本体上从内至外依次设置的硅酸钪镀膜和氟化钪镀膜。
优选地，所述硅酸钪镀膜的厚度为15～35nm，磁控溅射时的温度为185～210℃，真空度为0.1～0.5Pa。
优选地，所述氟化钪镀膜的厚度为15～25nm，磁控溅射时的温度为165～180℃，真空度为0.1～0.5Pa。
第二方面，本发明提供一种表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料的制备工艺，包括以下步骤：
步骤1，按照石英玻璃本体的成分重量份称取各成分，并使用电熔法制备得到石英玻璃本体；
步骤2，将石英玻璃本体清洁干净并干燥处理后，在其表面使用磁控溅射的方式镀膜，包括依次设置的硅酸钪镀膜和氟化钪镀膜。
第二方面，本发明提供一种表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料的应用，上述所制备的石英玻璃材料应用于各种石英制品，包括石英管、石英法兰、太阳能石英片等。
本发明的有益效果为：
由于紫外线的穿透能力较弱，在穿过石英玻璃时会被削弱很多，使得依赖紫外线的仪器无法使用石英玻璃制备，因此需要设计出一种高透过紫外仪器使用的石英玻璃。本发明针对现有的石英玻璃的改进有两点：第一是将石英玻璃本身进行改进，从而提升紫外透过性；第二为了使石英玻璃具有较好的耐高温性和耐腐蚀，还在石英玻璃的表面设置了耐高温耐腐蚀层，而同时还要保证石英玻璃的紫外光透过性。
本发明使用硼化铬(CrB)、二硼化铬(CrB2)以及四硼化三铬(Cr3B4)掺入高纯石英砂(纯度大于99.99％)内，通过高温电熔法制备得到了石英玻璃本体，该石英玻璃本体相比较于常规的纯石英玻璃具有更高的耐高温性以及紫外透光性。
本发明制备的耐高温耐腐蚀层包括硅酸钪镀膜和氟化钪镀膜；其中，硅酸钪镀膜起到粘结和缓冲作用，由于含有硅酸盐能够与石英具有更好的结合性，同时硅酸钪的紫外透过性比普通的硅酸盐要更好，之后依次设置氟化钪镀膜和氟化钙镀膜，传统的紫外透过中一般只是使用氟化钙或氟化镁，氟化钙或氟化镁的光透过波长宽度虽然很广(理论上在250nm～7μm)，但是在实际应用时由于各种原因也仅限于在300nm以上的波长，而紫外线的波长范围为10～400nm，本申请使用的氟化钪镀层结合硅酸钪镀膜对紫外光的透过范围更广，能够在实际应用中达到最低200nm。
具体实施方式
下面结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料，包括石英玻璃本体以及设置在石英玻璃表面的耐高温耐腐蚀层；石英玻璃本体按照重量份数计算，包括以下成分：100份高纯石英砂、4.27份硼化铬、1.58份二硼化铬、3.24份四硼化三铬。
石英玻璃本体是通过电熔法制备得到，电熔过程的温度为2000℃，电熔过程的真空度为0.1～0.3Pa。
其中，高纯石英砂为纯度大于99.99％的石英砂，高纯石英砂的粒径为50～80μm，硼化铬的粒径为500～700nm，二硼化铬的粒径为600～800nm，四硼化三铬的粒径为800～1000nm。
耐高温耐腐蚀层的厚度为100nm，耐高温耐腐蚀层包括在石英玻璃本体上从内至外依次设置的硅酸钪镀膜和氟化钪镀膜。
硅酸钪镀膜的厚度为25nm，磁控溅射时的温度为200℃，真空度为0.1～0.3Pa，氟化钪镀膜的厚度为20nm，磁控溅射时的温度为170℃，真空度为0.1～0.3Pa。
上述表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料的制备工艺，包括以下步骤：
步骤1，按照石英玻璃本体的成分重量份称取各成分，并使用电熔法制备得到石英玻璃本体；
步骤2，将石英玻璃本体清洁干净并干燥处理后，在其表面使用磁控溅射的方式镀膜，包括依次设置的硅酸钪镀膜和氟化钪镀膜。
实施例2
一种表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料，包括石英玻璃本体以及设置在石英玻璃表面的耐高温耐腐蚀层；石英玻璃本体按照重量份数计算，包括以下成分：100份高纯石英砂、3.71份硼化铬、1.24份二硼化铬、2.52份四硼化三铬。
石英玻璃本体是通过电熔法制备得到，电熔过程的温度为1800℃，电熔过程的真空度为0.1～0.5Pa。
其中，高纯石英砂为纯度大于99.99％的石英砂，高纯石英砂的粒径为80～100μm，硼化铬、二硼化铬、四硼化三铬的粒径均为500～800nm。
耐高温耐腐蚀层的厚度为75nm，耐高温耐腐蚀层包括在石英玻璃本体上从内至外依次设置的硅酸钪镀膜和氟化钪镀膜。
硅酸钪镀膜的厚度为15nm，磁控溅射时的温度为185℃，真空度为0.1～0.5Pa，氟化钪镀膜的厚度为15nm，磁控溅射时的温度为165℃，真空度为0.1～0.5Pa。
上述表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料的制备工艺，包括以下步骤：
步骤1，按照石英玻璃本体的成分重量份称取各成分，并使用电熔法制备得到石英玻璃本体；
步骤2，将石英玻璃本体清洁干净并干燥处理后，在其表面使用磁控溅射的方式镀膜，包括依次设置的硅酸钪镀膜和氟化钪镀膜。
实施例3
一种表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料，包括石英玻璃本体以及设置在石英玻璃表面的耐高温耐腐蚀层；石英玻璃本体按照重量份数计算，包括以下成分：100份高纯石英砂、4.85份硼化铬、1.86份二硼化铬、4.31份四硼化三铬。
石英玻璃本体是通过电熔法制备得到，电熔过程的温度为2000℃，电熔过程的真空度为0.1～0.5Pa。
其中，高纯石英砂为纯度大于99.99％的石英砂，高纯石英砂的粒径为50～100μm，硼化铬、二硼化铬、四硼化三铬的粒径均为800～1000nm。
耐高温耐腐蚀层的厚度为75～130nm，耐高温耐腐蚀层包括在石英玻璃本体上从内至外依次设置的硅酸钪镀膜和氟化钪镀膜。
硅酸钪镀膜的厚度为35nm，磁控溅射时的温度为210℃，真空度为0.1～0.5Pa，氟化钪镀膜的厚度为25nm，磁控溅射时的温度为180℃，真空度为0.1～0.5Pa。
上述表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料的制备工艺，包括以下步骤：
步骤1，按照石英玻璃本体的成分重量份称取各成分，并使用电熔法制备得到石英玻璃本体；
步骤2，将石英玻璃本体清洁干净并干燥处理后，在其表面使用磁控溅射的方式镀膜，包括依次设置的硅酸钪镀膜和氟化钪镀膜。
对照例
一种表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料，包括石英玻璃本体以及设置在石英玻璃表面的耐高温耐腐蚀层；石英玻璃本体按照重量份数计算，包括以下成分：100份高纯石英砂、9.09份硼化铬。
石英玻璃本体是通过电熔法制备得到，电熔过程的温度为2000℃，电熔过程的真空度为0.1～0.3Pa。
其中，高纯石英砂为纯度大于99.99％的石英砂，高纯石英砂的粒径为50～80μm，硼化铬的粒径为500～700nm。
耐高温耐腐蚀层的厚度为100nm，耐高温耐腐蚀层包括在石英玻璃本体上从内至外依次设置的硅酸钙镀膜和氟化钙镀膜。
硅酸钙镀膜的厚度为25nm，磁控溅射时的温度为200℃，真空度为0.1～0.3Pa，氟化钙镀膜的厚度为20nm，磁控溅射时的温度为170℃，真空度为0.1～0.3Pa。
上述表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料的制备工艺，包括以下步骤：
步骤1，按照石英玻璃本体的成分重量份称取各成分，并使用电熔法制备得到石英玻璃本体；
步骤2，将石英玻璃本体清洁干净并干燥处理后，在其表面使用磁控溅射的方式镀膜，包括依次设置的硅酸钙镀膜和氟化钙镀膜。
将实施例1、实施例2、实施例3以及对照例制备的石英玻璃材料进行检测，紫外透过率使用波长为200～300nm的紫外光照射，使用仪器检测透过率；腐蚀测试是将石英玻璃材料置于98％的浓硫酸中检测其质量损失变化率。结果如下表所示：
上表中能够看出，本发明实施例1、实施例2、实施例3在抗拉强度、抗压强度以及抗折强度上均具有更好表现，尤其是实施例1，使用温度能够高于1200℃，腐蚀测试损失率低于也低于对照例，紫外光透过率能够高于80％。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料，其特征在于，包括石英玻璃本体以及设置在石英玻璃表面的耐高温耐腐蚀层；石英玻璃本体按照重量份数计算，包括以下成分：100份高纯石英砂、3.71~4.85份硼化铬、1.24~1.86份二硼化铬、2.52~4.31份四硼化三铬；
所述耐高温耐腐蚀层包括在所述石英玻璃本体上从内至外依次设置的硅酸钪镀膜和氟化钪镀膜；
所述石英玻璃本体是通过电熔法制备得到，电熔过程的温度为1800~2000℃，电熔过程的真空度为0.1~0.5Pa。
2.根据权利要求1所述的一种表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料，其特征在于，所述高纯石英砂为纯度大于99.99%的石英砂。
3.根据权利要求1所述的一种表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料，其特征在于，所述高纯石英砂的粒径为50~100μm。
4.根据权利要求1所述的一种表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料，其特征在于，所述硼化铬、所述二硼化铬、所述四硼化三铬的粒径为500~1000nm。
5.根据权利要求1所述的一种表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料，其特征在于，所述耐高温耐腐蚀层的厚度为75~130nm。
6.根据权利要求1所述的一种表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料，其特征在于，所述硅酸钪镀膜的厚度为15~35nm，磁控溅射时的温度为185~210℃，真空度为0.1~0.5Pa。
7.根据权利要求1所述的一种表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料，其特征在于，所述氟化钪镀膜的厚度为15~25nm，磁控溅射时的温度为165~180℃，真空度为0.1~0.5Pa。
8.权利要求1~7任意之一所述的一种表面具有耐腐蚀和耐高温的石英玻璃材料的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，按照石英玻璃本体的成分重量份称取各成分，并使用电熔法制备得到石英玻璃本体；步骤2，将石英玻璃本体清洁干净并干燥处理后，在其表面使用磁控溅射的方式镀膜，包括依次设置的硅酸钪镀膜和氟化钪镀膜。
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