CN1159266C - 用溶胶-凝胶法制作独石硅玻璃的方法 - Google Patents

用溶胶-凝胶法制作独石硅玻璃的方法 Download PDF

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Abstract

一种用溶胶-凝胶法制作独石硅玻璃的方法。在这个方法中，第一种溶胶是通过混合100重量份含有粉末的高密度硅和100～300重量份的去离子水，快速干燥，且第一种溶胶的pH值控制在9～11的范围内来得到的。在600℃或600℃以上热处理干燥过的第一种溶胶，第二种溶胶是通过混合热处理过的第一种溶胶和100～200重量份的去离子水获得的。第二种溶胶在模具中胶凝，干燥，热处理和烧结。这样，得到了高纯度的独石硅玻璃。

Description

用溶胶-凝胶制作独石硅玻璃的方法
技术领域
本发明涉及一种溶胶-凝胶法，特别涉及一种制作用于制作光纤形成玻璃的含有高纯度和高密度二氧化硅的独石硅玻璃的方法。
背景技术
通常提出了多种用溶胶-凝胶法制作独石玻璃的方法。然而，通过使用烘熏的二氧化硅粉末获得的二氧化硅玻璃在干燥过程中易炸裂，不常用。在溶胶-凝胶法中使用醇硅，玻璃体均一且透明但收缩率非常高(即，高于60％)，这使得这种玻璃体用于制作光纤的较大的第二玻璃管变得困难。
图1表示使用烘熏的二氧化硅颗粒的常规方法，第一种溶胶的形成是通过在去离子水中分散烘熏的二氧化硅颗粒以阻止炸裂，胶溶，干燥和粉末化，第二种溶胶的形成是通过热处理二氧化硅粉和在去离子水中再分散热处理过的二氧化硅粉，胶溶，干燥和烧结，这样获得的粉末颗粒比原来的粉末颗粒大，颗粒中孔隙的尺寸被增加，这样得到了无裂纹的独石硅玻璃。然而，这种方法在达到此目的方面不是有效的并且需要第一种溶胶凝胶化步骤。
在上面的常规方法中制作较大的独石玻璃时，甚至两溶胶分散步骤也不能阻止在干燥过程中的炸裂，并且凝胶化第一种溶胶需要一段很长的时间。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用溶胶-凝胶法制作独石硅玻璃的方法，这种方法通过控制第一种溶胶的pH值来快速干燥第一种溶胶而无需凝胶化步骤能显著缩短需要达到第二种溶胶分散步骤的时间。
本发明的另一个目的是提供一种用溶胶-凝胶法制作独石硅玻璃的方法，这种方法能阻止在为增加粉末颗粒的尺寸和颗粒之间孔隙的尺寸所进行的干燥过程中由毛细管压力引起的炸裂。
本发明的再一个目的是提供一种用溶胶-凝胶法制作独石硅玻璃的方法，这种方法能通过在第二种溶胶干燥步骤中添加适量的有机化合物含水溶液来阻止在第二种溶胶干燥步骤中的炸裂。
为了达到上述目的，提供一种用溶胶-凝胶法制作独石硅玻璃的方法。在这种方法中，第一种溶胶是通过100重量份含粉末的高密度二氧化硅和100～300重量份的去离子水混合，并将第一种溶胶的pH值控制在9～11的范围内，在微波炉中快速干燥第一种溶胶。将干燥过的第一种溶胶研磨和分粒而形成粉末。该粉末是在600℃或600℃以上热处理，第二种溶胶是通过将热处理过的第一种溶胶和100～200重量份的去离子水混合而形成的。第二种溶胶在模具里胶凝化，干燥，热处理，和烧结。这样，就得到了高纯度的独石硅玻璃。
本发明的上述目的和优点通过参考附图对它的一个优选具体方案详细描述变得更加显而易见：
附图说明
图1是用溶胶-凝胶法制作常规的硅玻璃的流程图；和
图2是根据本发明优选的实施方案用溶胶-凝胶法制作独石硅玻璃的方法的流程图。
对照图2，根据本发明独石硅玻璃的制作方法，将含有高密度二氧化硅的细颗粒，优选通过四氯化硅与氧反应获得的烘熏的二氧化硅粉末(具有合适的尺寸7～40nm)在高剪切混料器中与水优选去离子水混合，重量比1∶1～1∶3，然后，通过球磨得到均一地混合过的第一种溶胶。通过给第一种溶胶加入适量的氨水溶液将第一种溶胶的pH值控制在9～11的范围内，第一种溶胶不用胶凝化。于是，第一种溶胶在100℃或100℃以上在电炉中干燥或在微波炉中快速干燥。通过在600～1200℃的温度下热处理干燥过的第一种溶胶并通过凝结使颗粒生长。生长后的颗粒以形成第一种溶胶同样的方式再分散，从而形成第二种溶胶。在形成第二种溶胶的过程中，为了阻止在干燥步骤中可能的炸裂加入象聚乙烯醇这样的有机粘合剂含水溶液。继而，通过球磨第二种溶胶变为均匀混合物并在优选地易与凝胶分开的模具中胶凝化。更优选地在第二种溶胶注入模具之前通过降低混合物的环境压力到低于一个大气压以从混合物中去掉气泡。胶凝之后，从模具中取出湿的凝胶并干燥。在1100℃或低于1100℃的低温炉中，用Cl气除去干燥过的无裂纹的凝胶OH-基，残留下的Cl和添加的粘合剂用He气从那里同时除去。然后，此凝胶在1100℃和玻璃的熔点之间、在高温炉中烧结和玻璃化。
下面参照此中一个最好形式的实施方案来描述本发明独石硅玻璃的制作方法。
具体实施方式
(实施方案1)
含有25％重量二氧化硅的第一种溶胶是通过混合2200g的具有比表面积50m2/g和含有高密度二氧化硅的烘熏的二氧化硅粉末与6600g去离子水和50ml的28％的氨水溶液混合而形成的。为了得到均一的第一种溶胶，用18Kg直径为10mm的二氧化硅球以90rpm在球磨机中将它们混合24小时。然后，在干燥器里、在120℃下干燥第一种溶胶24小时，研磨，在20目筛中分粒，在温度上升速度为300℃/小时的热处理炉中、在1100℃下热处理1小时。热处理过的粉末与去离子水以重量比为1∶1.2的比例混合15分钟，在第一球磨处理的相同条件下加入20g聚乙烯醇到球磨机并处理24小时。在第二次球磨完成之前20分钟将4.4g氟化铵加入所得的混合物中。然后，将所形成的溶胶在模具里胶凝48小时。此模具由聚四氟乙烯构成并分为上面部分，下面部分，外面管形部分，和一个中心棒。用模可模制成的物体尺寸的内径为35mm，外径为71mm，长度为1.3m。胶凝之后，从模具中取出棒，凝胶在模具中干燥2-3天，从凝胶中取出模具。这个管形凝胶在室温和相对湿度为80％的条件下干燥10天，在40℃下干燥24小时，在60℃下干燥24小时，然后在80℃下干燥24小时。在升温速度为100℃/小时的热处理炉中在900℃下干燥5小时以从干燥的凝胶中除去留下的水份和有机物质。热处理过的凝胶在处于He的气和Cl气的气氛中的炉子中玻璃化。这里，脱羟基作用和玻璃化分别在600～1000℃下进行5小时和在1400℃下进行1小时。玻璃化和烧结过的管的内径为21mm，外径为41mm，长度为1m，并显示收缩率约为25％。
通过上面的描述，与包括两个溶胶分散步骤和两个溶胶胶凝步骤的常规(见图1)方法相比，根据本发明用溶胶-凝胶法制作独石硅玻璃的方法通过快速干燥第一种溶胶而不用胶凝步骤从而缩短了工艺时间且通过添加有机粘合剂含水溶液抑制了在干燥步骤中的炸裂。
另外，第一种溶胶不用第一胶凝步骤而非常快速地干燥、这样减少了到达第二种溶胶分散步骤所需要的时间，因为当第一种溶胶形成时它的pH值用额外的碱性物质来控制到碱性，第一种溶胶从原来的粉末形成，干燥，和热处理结果粉末颗粒的尺寸和颗粒间孔隙的尺寸增加了。结果，干燥过程中毛细管压力的诱导产生的裂开被防止了。此外，孔隙的尺寸和颗粒之间的粘附力通过在第二凝胶干燥步骤中添加适量的有机粘合剂含水溶液得到控制，因此阻止了在第二凝胶干燥步骤中可能炸裂。
参照本发明特定优选的实施方案表述了本发明，同时熟悉本领域的专业人员应该明白在不脱离由所附权利要求书限定的本发明精神和范围的条件下可。

Claims (5)

1.一种用溶胶-凝胶法制作独石硅玻璃的方法，包括以下步骤：
通过100重量份含有粉末的高密度二氧化硅与100～300重量份去离子水混合形成第一种溶胶，并将第一种溶胶的pH值控制在9～11的范围内；
在微波炉中快速干燥第一种溶胶；
将干燥过的第一种溶胶研磨和分粒而形成粉末；
在600℃或600℃以上热处理该粉末；
通过用热处理过的粉末与100～200重量份去离子水混合形成第二种溶胶；
在模具中胶凝第二种溶胶；和
干燥，热处理，烧结第二凝胶因此形成高纯度的独石硅玻璃。
2.权利要求1的用溶胶-凝胶法制作独石硅玻璃的方法，其中含有粉末的高密度二氧化硅是通过四氯化硅和氧反应得到的二氧化硅灰，所用的水是去离子水。
3.权利要求1和2之一的用溶胶-凝胶法制作独石硅玻璃的方法，其中得到的独石硅玻璃是管形的。
4.权利要求1和2之一的用溶胶-凝胶法制作独石硅玻璃的方法，将有机粘合剂含水溶液加入第二种溶胶中。
5.权利要求1和2之一的用溶胶-凝胶法制作独石硅玻璃的方法，其中从混合物中去掉气泡是通过在注入第二种溶胶到模具中之前减小混合物的环境压力到低于一个大气压来完成的。
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