CN114988691A - 一种微米级直径的石英丝手工制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种微米级直径的石英丝手工制作方法，它包括如下步骤：将一根2mm直径的纯石英棒竖直固定在支架上，中部利用氢氧焰加热软化后拉断，形成锥形尖端；再取一节同样粗的石英棒与固定石英棒的锥形尖端通过氢氧焰加热粘黏在一起；等待粘黏点完全冷却后再对粘黏点上部2mm处进行加热，使石英接近融化；利用下端石英棒自身重力产生一个恒定微小的拉力，把氢氧焰灼烧点的石英拉制成丝。本发明制出的石英丝的粗细程度与下端的拉力成正比，选取的下端石英棒的重量越轻，拉制出来的石英丝越细；通过控制灼烧点的位置和下石英棒的自身重量拉制石英细丝，可制得直径为微米级且粗细均匀的长石英丝，有效提高手工拉制石英丝的精细程度。
Description
技术领域
本申请涉及石英丝生产技术领域，具体涉及一种微米级直径的石英丝手工制作方法。
背景技术
目前石英丝制作的方法主要是横拉式或者下拉式，无论是采用哪种方式都需要借助一定的设备来提供制作石英丝的外力。虽然比较大型的设备能够制作出微米级别的石英丝，但是操作繁琐，难以准确控制；手工拉制方法虽然较为简单，但是目前只能制作出上百微米乃至毫米的石英丝，而且均匀性难以控制。
在石英烧制过程中，它的粘性贯穿于整个石英丝制作中，而在拉制过程中必须要有外力与它粘性产生的张力所持恒创造拉制的速度。手工制作石英丝的方法无法控制外力大小，这就是导致手工拉制石英丝中难以制作出均匀的石英丝。并且石英丝一旦达到一定的细度就非常容易在高温状态下断裂，如果降温加热又会使软化的石英固化，而这正是手工拉制石英丝的另外一个难度，烧制时加热的时间以及加热温度难以控制。手工拉制成型的石英丝直径基本上只能达到毫米级别或者是几百微米的程度，同时石英丝的长度较短，难以制作出又长又细的石英丝。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种微米级直径的石英丝手工制作方法，通过控制灼烧点位置和下石英棒的自身重量来控制石英丝的直径，得到微米级且粗细均匀的石英丝。
本发明采取的技术方案是：一种微米级直径的石英丝手工制作方法，包括如下步骤：
S1：对一根直径为2mm、两端均为平面的纯石英棒进行加工，石英棒的中部使用氢氧机进行灼烧软化后握住石英棒两端将石英棒拉开，得到一端为锥形、一端为平面的石英棒作为上石英棒；
S2：对另一根直径为2mm、两端均为平面的纯石英棒进行加工，使用夹具从纯石英棒上截取一段两端均为平面的石英棒作为下石英棒，并测量下石英棒的质量；下石英棒的长度根据需要制得的石英丝直径选定，需要制得的石英丝直径越粗，下石英棒的长度越长；
S3：将上石英棒的平面端固定在铁架台上，对上石英棒的锥形端加热至通红软化后，将上石英棒的锥形端和下石英棒的任一平面端粘黏在一起；
S4：待粘黏点完全冷却后对粘黏点上方进行加热，使下石英棒因自身重力下落，进行石英丝拉制；
S5：将制作的石英丝放在铁架台上进行冷却，完全冷却后放在干燥环境中储存。
进一步地，步骤S1和S2中使用的纯石英棒，二氧化硅含量不低于99.99％。
进一步地，步骤S2中对每根下石英棒的质量进行六次测量并取六次测量值的平均值作为下石英棒的质量。
进一步地，步骤S2中，制得的石英丝直径d与下石英棒的重力，即向下拉力F满足公式：
d＝d1*exp(-F/F0)+d0
其中，d0＝11.9±0.3μm，d1＝-10.3±0.4μm，F0＝1.1±0.2mN。
进一步地，步骤S4的具体操作为：在粘黏点上方2mm的位置使用氢氧机灼烧预热至有红光点，再将氢氧机向下移动，当下石英棒开始向下移动后再缓慢将氢氧机向上移动，当制作的石英丝达到预期长度后停止灼烧。
进一步地，所述铁架台上设置有两个同心的圆柱铅块，第一圆柱铅块的直径大于第二圆柱铅块的直径，第一圆柱铅块与铁架台连接，第二圆柱铅块的圆心处设置有与上石英棒连接的凹槽。
进一步地，步骤S1～S5均在18～24℃的温度下进行。
本发明的有益效果在于：
(1)采用下石英棒自身的重力来提供石英软化后拉丝的恒定的微小拉力，从而克服现有技术中手工制作方式拉力不均匀，力度难以控制的缺陷；
(2)通过控制下石英棒的重量对拉丝拉力大小进行调节，并控制灼烧点的位置和灼烧时间，实现对制备的石英丝直径的控制，从而精确烧制不同直径的石英丝，并且有效提高了手工烧制的石英丝的均匀程度；采用本发明所述的制备方法，可制得直径在十微米以下的长石英细丝。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例铁架台的结构示意图；
图2为本发明实施例上石英棒和下石英棒的结构示意图；
图3为本发明实施例石英丝直径和下端作用力的关系曲线图。
附图标记解释：1-铁架台，2-第一圆柱铅块，3-第二圆柱铅块，4-上石英棒，5-下石英棒。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所述领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
如图1～图2所示，一种微米级直径的石英丝手工制作方法，包括如下步骤：
S1：对一根直径为2mm、两端均为平面的纯石英棒进行加工，石英棒的中部使用氢氧机进行灼烧软化后握住石英棒两端将石英棒拉开，得到一端为锥形、一端为平面的石英棒作为上石英棒4，上石英棒4的锥形端用于拉制形成石英丝。
S2：对另一根直径为2mm、两端均为平面的纯石英棒进行加工，使用夹具从纯石英棒上截取一段两端均为平面的石英棒作为下石英棒5，并测量下石英棒5的质量，在本发明实施例中，对每根下石英棒的质量进行六次测量并取六次测量值的平均值作为下石英棒的质量。下石英棒5的长度根据需要制得的石英丝直径选定。下石英棒5的夹断面必须为平面，确保下石英棒5和上石英棒4连接后可以为上石英棒4的锥形端提供恒定且竖直向下的拉力，从而拉出直径均匀的石英丝。采用下石英棒5自身的重力来提供石英软化后拉丝的拉力，从而克服现有技术中手工制作方式拉力难以控制的缺陷。
S3：将上石英棒4的平面端固定在铁架台1上，由于铁架台的夹持口径较大，难以夹持直径为毫米级的上石英棒4，因此所述铁架台1上设置有两个同心的圆柱铅块，第一圆柱铅块2的直径大于第二圆柱铅块3的直径，第一圆柱铅块2与铁架台1连接，将第二圆柱铅块3固定在铁架台上，第二圆柱铅块3的圆心处设置有与上石英棒4连接的凹槽，使上石英棒4保持稳定。对上石英棒4的锥形端加热至通红软化后，用镊子将上石英棒4的锥形端和下石英棒5的任一平面端粘黏在一起。粘黏时上石英棒4的锥形端需与下石英棒5的圆心粘黏，上石英棒4和下石英棒5需处于同一直线上。
S4：待粘黏点完全冷却后对粘黏点上方进行加热，使下石英棒5因自身重力下落，进行石英丝拉制。具体操作为：在粘黏点上方2mm的位置使用氢氧机灼烧预热至有红光点，再将氢氧机向下移动，当下石英棒5开始向下移动后再缓慢将氢氧机向上移动，在保证石英软化的同时避免成丝的石英丝由于周围温度过高而断裂，当制作的石英丝达到预期长度后停止灼烧。
S5：将制作的石英丝放在铁架台1上进行冷却，由于成品石英丝非常细软，在稍微潮湿的环境中容易与接触到的物体粘黏，不利于使用，因此需要在29℃的干燥环境中进行储存。
在本发明实施例中，步骤S1和S2中使用的纯石英棒，二氧化硅含量不低于99.99％，所杂质含量分别为Al 32.0μg/g；Li 1.80μg/g；Fe 1.20μg/g；Ti 1.40μg/g；Ca1.30μg/g；K 1.10μg/g；B 0.39μg/g；Ni 0.04μg/g；Na 3.40μg/g；Mg 0.40μg/g；Cr 0.02μg/g；Cu 0.17μg/g；石英棒的软化温度点为1683℃，密度为2.203g/cm。步骤S1～S5均需在相对于地表温度较低的环境下进行，避免急速冷却对石英丝的品质造成影响，且预留较长冷却的时间，确保粘黏点和石英丝冷却完全，本发明实施例是在18～24℃的温度下进行实验。
制得的石英丝通过米尺测量长度，并使用分辨率为0.1μm的影像测量仪进行石英丝直径的测量。具体的操作方法为：分别在石英丝总长的1/5处、3/10处、2/5处、1/2处、3/5处和7/10处对石英丝的直径进行测量，每处测量6组数据，最终以6组数据的平均值做为该处石英丝直径的大小。将六处石英丝直径的大小进行对比，三处石英丝直径大小的差值在1μm以内，表明石英丝的质量均匀，满足使用条件；将三处的直径的大小取平均值，作为整根石英丝的直径大小。
本发明实施例使用了12种长度的下石英棒5进行实验，分别为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm和90mm，每种下石英棒5的长度误差均在±1mm之内。每种长度的下石英棒5制作10根质量均匀的石英丝，再将10根石英丝的直径求平均值和标准差得到每种长度的下石英棒5可制作出的石英丝直径大小，具体实验数据如表1所示。
表1下石英棒5长度与石英丝直径数据统计表
从表1中可知，下石英棒5长度越长，即重量越重，拉力越大，制得的石英丝直径越粗。将表1中下石英棒5长度和石英丝直径的数据绘制成如图3所示的曲线图，从图3中可以看出，下石英棒5的长度与石英丝的直径存在一定的函数关系，制得的石英丝直径d与下石英棒的重力，即拉力F满足公式：
d＝d1*exp(-F/F0)+d0
其中，d0＝11.9±0.3μm，d1＝-10.3±0.4μm，F0＝1.1±0.2mN。
通过控制下石英棒5的长度实现对下石英棒重力的控制，调节拉制石英丝的拉力大小，即可对制得的石英丝直径进行控制。从表1中石英丝直径和直径标准差可知，采用本发明实施例所述的方法，可在手工制作的条件下得到直径为微米级的长石英丝，并且直径标准差在1μm以下，数据离散性好、可信度高、精密度高。采用本发明实施例所述的制备方法，可实现对制备的石英丝直径的控制，从而精确烧制不同直径的石英丝，并且有效提高了手工烧制的石英丝的均匀程度，克服了现有技术中手工拉制成型的石英丝直径基本上只能达到毫米级别或者是百微米级别，而且长度较短的缺陷。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种微米级直径的石英丝手工制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：对一根直径为2mm、两端均为平面的纯石英棒进行加工，石英棒的中部使用氢氧机进行灼烧软化后握住石英棒两端将石英棒拉开，得到一端为锥形、一端为平面的石英棒作为上石英棒；
S2：对另一根直径为2mm、两端均为平面的纯石英棒进行加工，使用夹具从纯石英棒上截取一段两端均为平面的石英棒作为下石英棒，并测量下石英棒的质量；下石英棒的长度根据需要制得的石英丝直径选定，需要制得的石英丝直径越粗，下石英棒的长度越长；
S3：将上石英棒的平面端固定在铁架台上，对上石英棒的锥形端加热至通红软化后，将上石英棒的锥形尖端和下石英棒的任一平面端粘黏在一起；
S4：待粘黏点完全冷却后对粘黏点上方2mm处进行加热，使下石英棒因自身重力下落，进行石英丝拉制；
S5：将制作的石英丝放在铁架台上进行冷却，完全冷却后放在干燥环境中储存。
2.根据权利要求1所述的一种微米级直径的石英丝手工制作方法，其特征在于，步骤S1和S2中使用的纯石英棒，二氧化硅含量不低于99.99％。
3.根据权利要求1所述的一种微米级直径的石英丝手工制作方法，其特征在于，步骤S2中对每根下石英棒的质量进行六次测量并取六次测量值的平均值作为下石英棒的质量。
4.根据权利要求1所述的一种微米级直径的石英丝手工制作方法，其特征在于，步骤S2中，制得的石英丝直径d与下石英棒的重力，即向下拉力F满足公式：
d＝d1*exp(-F/F0)+d0
其中，d0＝11.9±0.3μm，d1＝-10.3±0.4μm，F0＝1.1±0.2mN。
5.根据权利要求1所述的一种微米级直径的石英丝手工制作方法，其特征在于，步骤S4的具体操作为：在粘黏点上方2mm的位置使用氢氧机灼烧预热至有红光点，再将氢氧机向下移动，当下石英棒开始向下移动后再缓慢将氢氧机向上移动，当制作的石英丝达到预期长度后停止灼烧。
6.根据权利要求1所述的一种微米级直径的石英丝手工制作方法，其特征在于，所述铁架台上设置有两个同心的圆柱铅块，第一圆柱铅块的直径大于第二圆柱铅块的直径，第一圆柱铅块与铁架台连接，第二圆柱铅块的圆心处设置有与上石英棒连接的凹槽。
7.根据权利要求1所述的一种微米级直径的石英丝手工制作方法，其特征在于，步骤S1～S5均在18～24℃的温度下进行。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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