CN1422819A - 部分区域或完全玻璃化的SiO2成形体、其制造方法及用途 - Google Patents
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Abstract
一种制造部分区域或完全玻璃化的SiO2成形体的方法,在该方法中,一种无定形的、多孔性SiO2预成形体是借助于辐射的非接触式加热而烧结或玻璃化,且在此步骤过程中可避免SiO2成形体受到外来原子的污染,其中所用辐射是激光束。
Description
技术领域
本发明涉及部分区域或完全玻璃化的SiO2成形体、其制造方法及用途。
背景技术
许多技术领域使用多孔性无定形SiO2成形体。可提及的实例包括过滤材料、绝热材料或挡热罩。
再者，借助于烧结和/或熔化作用，由无定形、多孔性SiO2成形体可制造所有种类的熔凝硅石材料。例如，高纯度多孔性SiO2成形体可用作玻璃纤维或光纤维的预成形体。再者，如此也可能制造用以抽拉单晶尤其硅单晶的坩埚。
由现有技术已知的用以烧结和/或熔化硅石材料如炉烧结、区域烧结、电弧烧结、接触烧结、使用热气体或借助等离子体烧结的诸方法中，待烧结和/或熔化的硅石材料是通过传递热能或热辐射而加热。若有待如此制造的熔凝硅石材料不含任何外来原子而具有极高纯度时，使用热气体或热接触表面则导致待烧结和/或熔化的硅石材料受到外来原子的不良污染。
所以，原则上，唯有利用借助辐射作用的非热式、非接触式加热方能减低或避免外来原子的污染。
现有技术已知的一种方法是微波烧结。但送入高纯度SiO2硅石材料的微波辐射极低。所以，此种方法效率非常低，因而成本极高。该方法的另一缺点是：因该微波辐射仅以非常不聚焦的形式得到，硅石材料的部分、局部界定及精确限定玻璃化作用是不可能的。
发明内容
本发明的目的是提供一种制造部分区域或完全玻璃化的SiO2成形体的方法，在该方法中，无定形的、多孔性SiO2预成形体是借助于辐射的非接触式加热而烧结或玻璃化，且在此步骤过程中可避免SiO2成形体受到外来原子的污染。
使用激光束作为辐射线可达成该目的。
该激光束的波长以大于玻璃状硅石在4.2微米的吸收边缘为佳。
尤以波长为10.6微米的CO2激光束更佳。
所以，所有可商购的CO2激光均适用作激光。
就本发明的观点而论，SiO2预成形体应理解为是指通过若干成形步骤由无定形SiO2微粒(玻璃状硅石)制造的多孔性、无定形成形体。
原则上，现有技术已知的所有SiO2预成形体都是适合的。例如，在EP 705797、EP 318100、EP 653381、DE-A 2218766、GB-B2329893、JP 5294610、US-A-4,929,579中均描述了其制造方法。DE-A1 19943103中所描述的SiO2预成形体的制造方法特别适合。该SiO2预成形体以呈坩埚形态为佳。
SiO2预成形体的内侧及外侧以用焦斑直径至少2厘米的激光束辐射而烧结或玻璃化为佳。
实施该辐射作用所用辐射密度以每平方厘米50瓦至500瓦为佳，但以每平方厘米100瓦至200瓦较佳，尤以每平方厘米130瓦至180瓦更佳。
以均匀地及连续地辐射在SiO2预成形体的内、外两侧上为佳。
原则上，实施SiO2预成形体内侧及外侧的均匀及连续辐射以达成烧结或玻璃化作用可利用活动激光光学仪器和/或坩埚在激光光束中的对应移动。
实施激光束移动可利用本领域技术人员已知的所有方法，例如：容许激光焦点沿所有方向移动的波束制导系统。实施预成形体在激光束内移动，同样地也可利用本领域技术人员已知的所有方法，例如：借助于一机器人。再者，结合该两种运动也是可能的。
依照本发明，在预成形体的烧结或玻璃化过程中可制得封闭、无孔洞、无气泡及无裂痕的无定形SiO2表面。通过吸收激光辐射能将无定形SiO2加以烧结或熔化可达成此目的。玻璃化内侧或外侧的厚度是通过激光能量的输入于每个部位而加以控制。
各侧玻璃化的厚度最好尽可能均匀。
由于SiO2预成形体几何形状的影响，在辐射预成形体的过程中，激光束可能无法以恒定的角度照到预成形体的表面。因激光辐射能的吸收随角度改变，所以玻璃化的厚度不均匀。在此情况下，为确保玻璃化尽可能均匀，在预成形体的激光辐射过程中，最好将一个或更多个加工变量、激光能量、位移路径、位移速率及激光焦点等加以适当调节。
实施SiO2预成形体表面玻璃化或烧结的温度为1000至2500℃，但以1300至1800℃较佳，尤以1400至1500℃更佳。
在超过1000℃的温度下，热量由热表面传导入成形体容许SiO2成形体的部分至全部烧结作用超越待达成的玻璃化内层和/或外层。
本发明的另一目的是提供一种方法，该方法容许SiO2预成形体的局部界定、限定的玻璃化或烧结。
该目的的达成是借助于一项事实：利用激光仅辐射多孔性、无定形SiO2预成形体内侧或其外侧的表面而加以烧结或玻璃化。
除仅成形体的一侧经辐射之外，参数及程序最好对应于已被描述的方法。依照本发明，如此仅将成形体的一侧加以玻璃化也是可能的。
由于玻璃化硅石的热传导性极低，可利用本发明方法，在SiO2成形体内玻璃化及未玻璃化层之间制造一清晰限定的界面。如此可使SiO2成形体内形成一限定的烧结梯度。
所以本发明也涉及内侧完全玻璃化及外侧开孔的SiO2成形体和外侧完全玻璃化及内侧开孔的SiO2成形体。
该内侧完全玻璃化及外侧开孔的SiO2成形体最好是一利用CZ法以抽拉硅单晶的玻璃状硅石坩埚。
本发明方法的另一优点是限定的辐射方向。由于激光辐射具有显著的平行性，所以将激光来源与试样间的距离依照任何预期的范围予以增加也是可能的。如此可对正在烧结的材料的加以辐射而无发生污染的危险。再者，激光的优良聚焦性可达成极高的局部能量密度。
再者，在实施加工过程中，SiO2预成形体内的极高温度可抑制玻璃状硅石的结晶作用。
若是坩埚形预成形体的内侧玻璃化，因坩埚外侧无收缩现象，如此可容易地制成最终形状的坩埚。
利用CZ法抽拉单晶以使用内侧玻璃化的玻璃状玻璃坩埚为佳。
该等内侧玻璃化、外侧开孔的无定形玻璃状玻璃坩埚的外层最好浸渍以若干物质，该等物质可导致或加速随后实施CZ方法过程中外层的结晶作用。例如现有技术公开且在DE 10156137中描述了适作此用途的物质及浸渍方法。
附图说明
图1为实施例2中所用装置的结构图。
图2为实施例2中的位移路径的示意图。
图3为内部玻璃化的坩埚的示意图。
具体实施方式
下面参考实施例将对本发明加以更详细地说明。实施例1：坩埚形的多孔性、无定形SiO2预成形体的制备
本制备工作是依据DE-A1-19943103中所述的方法实施。在真空情况下，借助于涂覆塑胶的混合器，将高纯度热解及熔融硅石均匀地、无气泡及无金属污染地分散于双重蒸馏水内。如此所制分散液的固体含量为83.96重量％(95％熔融及5％热解)。借助于陶瓷工业普遍采用的所谓辊法，于一涂覆塑胶的外模内，将该分散液制成14寸坩埚形状。在80℃温度下烘干1小时之后，将坩埚自模中取出，随后，在约200℃温度下，于24小时内予以完全烘干。经烘干的开孔坩埚的密度约为1.62克/立方厘米及壁的厚度为9毫米。实施例2：使用实施例1的预成形体实施本发明的方法
借助于一ABB自动装置2(IRB 2400型)，于一激光束功率3千瓦的CO2激光器3(TLF 3000 Turbo型)的焦点内将实施例1的14寸坩埚预成形体1加以辐射。
激光器3装有刚性波束制导系统，自动装置2提供有所有的运动自由度。除将激光共振器水平方向发出的辐射能转至垂直方向的转向镜4之外，该波束制导系统装有光学仪器5，以拓宽原激光束6。该原激光束的直径为16毫米。该原激光束通过该拓宽光学仪器5之后，形成发散的激光束路径7。该14寸坩埚上8的直径为50毫米，光学仪器5与坩埚1间的距离约为450毫米(见图1)。自动装置2是利用一适合坩埚几何形状的程序加以控制。由于坩埚1具有转动对称性(转动轴R)，可能将运动的自由度限制在一个平面加两个转动轴上(见图2)。在坩埚转动时(角速度为0.15°/秒)，首先坩埚的所有上缘均以375°角度范围覆以激光。之后，激光以螺旋方式通过坩埚1内表面9的其余部分。坩埚的转动速率及在自坩埚边缘至中心的轴上的前进速率是经适当地加速以使单位时间覆盖的面积恒定。实施利用150瓦/平方厘米的辐射。
在同一加工步骤内，除预成形体表面的玻璃化作用外，因自热内表面9传导入成形体内部的热量使SiO2成形体部分烧结(B层)。激光辐射之后，自内表面算起的3毫米厚度中，该SiO2坩埚1已经无孔洞、无气泡或无裂痕地加以玻璃化(A层)，而其原有外部几何形状仍保持不变(见图3)。
Claims (12)
1.一种制造部分区域或完全玻璃化的SiO2成形体的方法，在该方法中，无定形的、多孔性SiO2预成形体是借助于辐射的非接触式加热而烧结或玻璃化，且在此步骤过程中可避免SiO2成形体受到外来原子的污染，其中所用辐射线是激光束。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述激光束的波长大于4.2微米的玻璃状硅石的吸收边缘。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述激光是波长为10.6微米的CO2激光束。
4.如权利要求1-3之一所述的方法，其中所述多孔性、无定形的SiO2预成形体是呈坩埚形状。
5.如权利要求1-4之一所述的方法，其中SiO2预成形体的内侧及外侧是用焦斑直径至少为2厘米的激光束辐射，且用此方法烧结或玻璃化。
6.如权利要求1-5之一所述的方法，其中对预成形体内侧及外侧的辐射是均匀且连续地实施。
7.如权利要求1-6之一所述的方法，其中所述SiO2预成形体表面实施玻璃化或烧结的温度为1000至2500℃，优选1300至1800℃，特别优选1400至1500℃。
8.如权利要求1-7之一所述的方法，其中实施激光辐射的能量为50瓦至500瓦/平方厘米，优选100至200瓦/平方厘米。
9.一种用于具有内侧及外侧的多孔性、无定形SiO2预成形体局部界定、限定玻璃化或烧结的方法，其中该SiO2预成形体仅内侧或仅外侧是用激光辐射其表面且由此烧结或玻璃化。
10.一种SiO2成形体，其内侧完全玻璃化且其外侧是开孔的。
11.如权利要求10所述的SiO2成形体，其是利用CZ法以抽拉硅单晶的玻璃状硅石坩埚。
12.一种SiO2成形体，其外侧完全玻璃化且其内侧是开孔的。
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