CN116253504A - 一种ovd工艺沉积装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种OVD工艺沉积装置，包括有沉积腔体，沉积腔体中安设有上、下旋转夹盘，对应于上、下旋转夹盘安设有上下间隔的喷灯，上、下旋转夹盘或喷灯与上下移动装置相连，沉积腔体的一侧与进风腔相连通，沉积腔体的另一侧与抽风腔相连通，上、下旋转夹盘装夹沉积靶棒，其特征在于所述的上、下旋转夹盘或沉积靶棒上对应安设上、下旋转挡盘。本发明设置上、下旋转挡盘相当于在沉积粉棒的上下端安设隔热保温挡板，将因对流上涌的热量反弹回粉棒处，减小整根粉棒上下部的温度差异，保持沉积加热区域较低的温度差异，使得沉积粉棒温度分布上下趋于均匀，从而提升沉积效率和沉积质量。本发明结构设置简单，但效果明显，不仅可以保温节能，而且操作简便，降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种高纯石英玻璃的沉积装置，具体涉及一种OVD工艺沉积装置，属于光纤制作设备技术领域。
背景技术
基于火焰水解沉积(Flame Hydrolysis Deposition)原理的直接合成法和间接合成法是目前工业生产中大规模制备高纯石英玻璃的主流技术，而间接合成法中的管外气相沉积法(Outside Vapor Deposition，OVD)主要应用于制备石英玻璃及光纤预制棒等。在OVD沉积过程中，含硅原料，一般是四氯化硅(SiCl4)或有机硅(八甲基环四硅氧烷，C8H24O4Si4，D4)，在氢氧焰中发生水解反应产生二氧化硅(SiO2)和掺杂的SiO2颗粒，SiO2颗粒在热泳作用下逐层沉积到旋转的芯棒上形成多孔烟炱预制件，也即沉积粉棒。随后经过脱水处理，以除去水和金属杂质，并在1100℃-1500℃的温度范围内烧结玻璃化获得石英预制棒。
热泳是OVD工艺中颗粒沉积的主要机制，它是一种描述了颗粒在气体介质中从高温区域向低温区域移动的趋势现象。且温差越大，热泳沉积越多。当SiO2颗粒通过热泳机制向靶棒传输时，火焰中产生的SiO2颗粒由于团聚而尺寸增大。在靠近燃烧器的区域中，烟灰颗粒的数量密度因快速成核而迅速增加。颗粒继续往靶棒运动，随后是一个以粒子数密度下降为特征的快速聚集区，然而，随着粒子数密度降低，粒子碰撞率也降低，导致聚集率减慢，总粒子数密度缓慢降低。正因如此，需要确定燃烧器火焰温度与靶棒沉积面温度的温差足够大。
随着沉积燃烧器火焰不断燃烧，腔内温度升高，烟炱预制件外径不断增大，因空气对流热量向上运动，烟炱预制件上下温度不均，导致热泳沉积速率不一，甚至会出现“葫芦状”等外径不均匀的烟炱预制件。烟炱预制件沉积面温度的降低和波动，直接影响到沉积过程中的温度梯度分布，致使粉棒沉积率减小，引起沉积质量变化，难以得到质量优异的石英预制棒产品。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种OVD工艺沉积装置，它不仅结构简单，而且能使沉积粉棒上下温度趋向一致，提高沉积质量。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
包括有沉积腔体，沉积腔体中安设有上、下旋转夹盘，对应于上、下旋转夹盘安设有上下间隔的喷灯，上、下旋转夹盘或喷灯与上下移动装置相连，沉积腔体的一侧与进风腔相连通，沉积腔体的另一侧与抽风腔相连通，上、下旋转夹盘之间装夹沉积靶棒，其特征在于所述的上、下旋转夹盘上或沉积靶棒上下端对应安设上、下旋转挡盘。
按上述方案，所述的上、下旋转挡盘为圆盘形，厚度为2～10mm，直径比沉积粉棒最大外径大30～50mm。
按上述方案，所述的上、下旋转挡盘朝向沉积粉棒的内侧盘面为抛光面。
按上述方案，所述的上、下旋转挡盘朝向沉积粉棒的外侧盘面为磨砂面。
按上述方案，所述的上、下旋转挡盘由石英、陶瓷或金属材料制成，所述石英挡盘为不透明乳白石英玻璃，所述陶瓷挡盘优选氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)或碳化硅(SiC)，所述金属挡板为镍基合金或不锈钢等耐高温合金材料。
按上述方案，所述的上、下旋转挡盘之间距离d与沉积粉棒的长度L和平均外径D存在以下的关系：
L为沉积粉棒长度，D为沉积粉棒平均外径，单位均为mm。
按上述方案，所述的上、下旋转挡盘工作时与上、下旋转夹盘一起旋转。
按上述方案，在沉积腔体的上下方近沉积粉棒的上下部安设有上、下烤灯。
本发明的有益效果在于：1、设置上、下旋转挡盘相当于在沉积粉棒的上下端安设隔热保温挡板，沉积时，上、下挡板会跟随沉积粉棒一起旋转，将因对流上涌的热量反弹回沉积粉棒处，减小整根粉棒上下部的温度差异，保持沉积加热区域较低的温度差异，使得沉积粉棒温度分布上下趋于均匀，还能反射散逸的SiO2颗粒，保证了热泳沉积速率，提高了沉积速率和沉积粉棒的几何尺寸均匀性，从而提升沉积质量。2、上、下旋转挡盘内侧盘面为抛光面，可以增大对热流和SiO2颗粒的反射，进一步提升沉积率。外侧面为磨砂面，减少对热流的散射，可以减少热量浪费，更好地起到隔热保温作用。3、设置上下烤灯，可在沉积时对上下部分的温度进行适当补偿，使得沉积粉棒温度分布上下更加趋于均匀。4、本发明结构设置简单，但效果明显，不仅可以保温节能，节约燃料原料浪费，而且操作简便，简化了复杂的沉积流程，降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明一个实施例的总体结构示意图。
图2为本发明一个实施例中上、下旋转挡盘的局部结构示意图。
图3为本发明不同实施例间沉积粉棒的外径随纵向距离变化的曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
包括有沉积腔体1，沉积腔体中安设有上、下旋转夹盘3，沉积靶棒4装夹于上、下旋转夹盘之间，对应于上、下旋转夹盘在沉积腔体的一侧安设有上下间隔的喷灯8，喷灯与上下移动装置7相连，使得喷灯在沉积时相对沉积粉棒作相对上下往复移动，沉积腔体的一侧与进风腔相连通，沉积腔的另一侧与抽风腔2相连通，所述的上、下旋转夹盘上对应安设上、下旋转挡盘5、6，上、下旋转挡盘可与上、下旋转夹盘相连接，或上、下旋转挡盘通过陶瓷环11与沉积靶棒4的上下端相连。在沉积腔体的上下方近沉积粉棒的上下部安设有上、下烤灯9、10。
实施例1：制备高纯石英玻璃中空圆柱体，预期长度2000mm，平均外径400mm，重量100kg。
沉积靶棒为实心圆柱体杆结构，采用纯度99.9％以上的氮化硅制成，直径为25mm，长度为2800mm。表面经过打磨抛光，粗糙度适中，适宜粉体沉积。含硅原料选择纯度98.0％以上的有机硅D4。上、下烤灯不通D4，只开氢氧焰。上、下旋转挡盘采用不透明乳白石英玻璃材料制成，尺寸为Φ440mm×5mm的圆盘，内侧盘面打磨成抛光面，外侧盘面为磨砂面，根据经验公式不难计算出上、下挡板间距离：(2000+2000/400×4)≤d≤(2000+2000/400×10)，即2020mm≤d≤2050mm，上、下挡板间距离选择为2030mm，即比沉积粉棒(烟炱预制件)长度长30mm。
通过点火开始沉积阶段，沉积结束完毕，冷却后将沉积靶棒抽出，沉积粉棒经过脱水或者烧结阶段后，玻璃化获得高纯石英玻璃中空圆柱体。
由于烟炱预制件整体的沉积率难以直接通过某个参数量纲计算表述，故选用沉积过程的沉积速率来间接描述，沉积速率即为抽出沉积靶棒后的烟炱预制件重量除以沉积总时间；而烟炱预制件的几何尺寸均匀性则通过均匀部位最大外径与最小外径之差进行表征。
计算得实施例1的沉积速率为123.34g/min，均匀部位最大外径与最小外径之差为9.56mm。由于上、下挡板的材料为不透明乳白石英，具有耐高温、低导热和质轻等优点，其线膨胀系数极低，约为5×10-7/K，作为热的不良导体，其热导率与温度变化的关系不大，因此可以起到很好的隔热保温作用。且上、下挡板与烟炱预制件的间距适中，所以获得的高纯石英玻璃中空圆柱体几何尺寸均匀，外观透亮，无明显缺陷，产品质量优异。
实施例2：制备高纯石英玻璃中空圆柱体，预期长度2000mm，平均外径400mm，重量100kg。
沉积靶棒为实心圆柱体杆结构，采用纯度99.9％以上的氮化硅制成，直径为25mm，长度为2800mm。表面经过打磨抛光，粗糙度适中，适宜粉体沉积。含硅原料选择纯度98.0％以上的有机硅D4。上、下烤灯不通D4，只开氢氧焰。
上、下旋转挡盘采用不透明乳白石英玻璃材料制成，尺寸为Φ440mm×5mm的圆柱体薄板，内侧面打磨成抛光面，外侧面为磨砂面，上、下挡板间距离选择为2020mm，即比沉积粉棒(烟炱预制件)长度大20mm。
通过点火开始沉积阶段，沉积结束完毕，冷却后将沉积靶棒抽出，烟炱预制件经过脱水或者烧结阶段后，玻璃化获得高纯石英玻璃中空圆柱体。
计算得实施例2的沉积速率为117.72g/min，均匀部位最大外径与最小外径之差为13.48mm，不同实施例间烟炱预制件的几何尺寸均匀性对比如图3所示。相比实施例1，实施例2的沉积率和玻璃几何尺寸均匀性均有所下降。由于上、下挡板过于靠近烟炱预制件，会影响头端和尾端的粉体颗粒沉积，使得过多的SiO2颗粒在两端碰撞形核，造成两端粗中间细的结果。
实施例3：制备高纯石英玻璃中空圆柱体，预期长度2000mm，平均外径400mm，重量100kg。
沉积靶棒为实心圆柱体杆结构，采用纯度99.9％以上的氮化硅制成，直径为25mm，长度为2800mm。表面经过打磨抛光，粗糙度适中，适宜粉体沉积。含硅原料选择纯度98.0％以上的有机硅D4。上、下烤灯不通D4，只开氢氧焰。
上、下挡板采用不透明乳白石英材料制成，尺寸为Φ440mm×5mm的圆柱体薄板，内侧面打磨成抛光面，外侧面为磨砂面，上、下挡板间距离选择为2050mm，即比烟炱预制件长度大50mm。
通过点火开始沉积阶段，沉积结束完毕，冷却后将沉积靶棒抽出，烟炱预制件经过脱水或者烧结阶段后，玻璃化获得高纯石英玻璃中空圆柱体。
计算得实施例3的沉积速率为108.93g/min，均匀部位最大外径与最小外径之差为21.29mm。相比实施例1和2，粉棒沉积率：实施例1＞实施例2＞实施例3；石英玻璃产品几何尺寸均匀性：实施例1＞实施例2＞实施例3。由于上、下挡板与烟炱预制件间的距离过远，挡板的反射作用不足以使得大部分的热量和颗粒回流到芯棒上，因此上、下挡板与烟炱预制件间的距离最优选为30mm左右，即上、下挡板间距离d最优选为(L+L/D×6)mm。
实施对比例1：制备高纯石英玻璃中空圆柱体，预期长度2000mm，平均外径400mm，重量100kg。
沉积靶棒为实心圆柱体杆结构，采用纯度99.9％以上的氮化硅制成，直径为25mm，长度为2800mm。表面经过打磨抛光，粗糙度适中，适宜粉体沉积。含硅原料选择纯度98.0％以上的有机硅D4。关闭上、下烤灯。
上、下挡板采用不透明乳白石英材料制成，尺寸为Φ440mm×5mm的圆柱体薄板，内侧面打磨成抛光面，外侧面为磨砂面，上、下挡板间距离选择为2030mm，即比烟炱预制件长度大30mm。
通过点火开始沉积阶段，沉积结束完毕，冷却后将沉积靶棒抽出，烟炱预制件经过脱水或者烧结阶段后，玻璃化获得高纯石英玻璃中空圆柱体。
计算得实施对比例1的沉积速率为102.29g/min，均匀部位最大外径与最小外径之差为30.56mm。相比实施例1，对比实施例1的沉积率和玻璃几何尺寸均匀性均有较大降低。这表明烤灯虽然会导致热量与原料的浪费，但是缺少烤灯的外来热源加热，同样会对沉积率和几何尺寸均匀性造成影响，难以获得质量优异的高纯石英产品。
实施对比例2：制备高纯石英玻璃中空圆柱体，预期长度2000mm，平均外径400mm，重量100kg。
沉积芯棒为实心圆柱体杆结构，采用纯度99.9％以上的氮化硅制成，直径为25mm，长度为2800mm。表面经过打磨抛光，粗糙度适中，适宜粉体沉积。含硅原料选择纯度98.0％以上的有机硅D4。上、下烤灯不通D4，只开氢氧焰。不放置上、下挡板。
通过点火开始沉积阶段，沉积结束完毕，冷却后将沉积芯棒抽出，烟炱预制件经过脱水或者烧结阶段后，玻璃化获得高纯石英玻璃中空圆柱体。
计算得实施对比例2的沉积速率为94.45g/min，均匀部位最大外径与最小外径之差为36.42mm。相比实施例1和实施对比例1，粉棒沉积率：实施例1＞实施对比例1＞实施对比例2；石英玻璃产品几何尺寸均匀性：实施例1＞实施对比例1＞实施对比例2。这说明与烤灯加热方式相比，隔热保温档板更能起到调节沉积芯棒温度的作用，还可以节约燃料原料浪费，而且操作简单，简化了沉积流程，降低了生产成本。此外，隔热保温挡板与烤灯相结合的方式，相比单一只使用隔热保温挡板或烤灯的方式，沉积率和产品几何尺寸均匀性获得了极大的提升。
Claims (9)
1.一种OVD工艺沉积装置，包括有沉积腔体，沉积腔体中安设有上、下旋转夹盘，对应于上、下旋转夹盘安设有上下间隔的喷灯，上、下旋转夹盘或喷灯与上下移动装置相连，沉积腔体的一侧与进风腔相连通，沉积腔体的另一侧与抽风腔相连通，上、下旋转夹盘装夹沉积靶棒，其特征在于所述的上、下旋转夹盘或沉积靶棒上对应安设上、下旋转挡盘。
2.按权利要求1所述的OVD工艺沉积装置，其特征在于所述的上、下旋转挡盘为圆盘形，厚度为2～10mm，直径比沉积粉棒最大外径大30～50mm。
3.按权利要求2所述的OVD工艺沉积装置，其特征在于所述的上、下旋转挡盘朝向沉积粉棒的内侧盘面为抛光面。
4.按权利要求3所述的OVD工艺沉积装置，其特征在于所述的上、下旋转挡盘朝向沉积粉棒的外侧盘面为磨砂面。
5.按权利要求2或3所述的OVD工艺沉积装置，其特征在于所述的上、下旋转挡盘由石英、陶瓷或金属材料制成，所述石英挡盘为不透明乳白石英玻璃，所述陶瓷挡盘优选氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)或碳化硅(SiC)，所述金属挡板为镍基合金或不锈钢。
6.按权利要求2或3所述的OVD工艺沉积装置，其特征在于所述的上、下旋转挡盘之间距离d沉积粉棒的长度L和平均外径D存在以下的关系：
L为沉积粉棒长度，D为沉积粉棒平均外径，单位均为mm。
7.按权利要求6所述的OVD工艺沉积装置，其特征在于所述的上、下旋转挡盘之间距离d沉积粉棒的长度L和平均外径D存在以下的关系：
8.按权利要求1或2所述的OVD工艺沉积装置，其特征在于所述的上、下旋转挡盘工作时与上、下旋转夹盘一起旋转。
9.按权利要求1或2所述的OVD工艺沉积装置，其特征在于在沉积腔体的上下方近沉积粉棒的上下部安设有上、下烤灯。
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Citations (4)
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| JP3017990B1 (ja) * | 1999-01-28 | 2000-03-13 | 信越化学工業株式会社 | 多孔質ガラス母材焼結装置 |
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| CN115159833A (zh) * | 2022-07-06 | 2022-10-11 | 杭州金星通光纤科技有限公司 | 一种大尺寸高沉积速率的光纤预制棒制造装置及方法 |
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2023
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