CS239487B1

CS239487B1 - A method of passivating the surface of fused silica products

Info

Publication number: CS239487B1
Application number: CS844382A
Authority: CS
Inventors: Bohumil Perner; Miroslav Havrdik; Jiri Kvapil; Josef Kvapil; Ivan Boucek
Original assignee: Bohumil Perner; Miroslav Havrdik; Jiri Kvapil; Josef Kvapil; Ivan Boucek
Priority date: 1984-06-11
Filing date: 1984-06-11
Publication date: 1986-01-16
Also published as: CS438284A1

Abstract

Způsob pasivace povrchu výrobků z taveného křemene, určených k teplotnímu zpracování vysoce čistého hydroxidu nebo oxidu hlinitého, zamezující znečistění zpracovávaného produktu difúzí křemíkem z nádoby z taveného křemene, čímž se spojí výhoda taveného křemene v jeho odolnosti proti náhlým změnám teploty a pasivitou korundových nádob, kde cíle je dosaženo tím, že hladký povrch výrobku z taveného křemene se nejprve vystaví působení směsi kyseliny fluorovodíkové a dusičné při teplotě 40 až 80 °C po dobu 5 až 120 min, načež se smočí ve vodném roztoku, obsahujícím 0,1 až 1 gramiont iontů hlinitých na 100 g vody při pokojové teplotě a potom se vystaví působení plynného amoniaku a konečně vyžíhá při teplotě 1 100 až 1 300 °C.A method of passivating the surface of fused quartz products intended for thermal processing of high-purity hydroxide or alumina, preventing contamination of the processed product by diffusion of silicon from the fused quartz container, thereby combining the advantage of fused quartz in its resistance to sudden temperature changes and the passivity of corundum containers, where the goal is achieved by first exposing the smooth surface of the fused quartz product to a mixture of hydrofluoric and nitric acid at a temperature of 40 to 80 °C for 5 to 120 min, after which it is soaked in an aqueous solution containing 0.1 to 1 gram ion of aluminum ions per 100 g of water at room temperature and then exposed to gaseous ammonia and finally annealed at a temperature of 1,100 to 1,300 °C.

Description

Vynález se týká způsobu pesivece povrchu výrobků z taveného křemene, určených k teplotnímu zpracování vysoce čistého hydroxidu nebo oxidu hlinitého a pro péstování monokrystalů.The present invention relates to a process for pessitizing the surface of fused quartz products for the thermal treatment of high purity hydroxide or alumina and for the crystallization of single crystals.

Při přípravě oxidu hlinitého vysoké čistoty (99,999 % Al^O^) se vychází větěinou z hlinitých solí přečištěných rekrystalizací z vodných roztoků. Nejčastěji.to bývá síran hli nitoamonný (NH^)A1(SO^)₂.12 HgO, který se po vyčistění rozkládá buň tepelně v křemenných mísách při teplotě 1 100 až 1 200 °C na oxid hlinitý, nebo se působením plynného amoniaku přemění topochemickou reakcí na hydroxid hlinitý. Při prvním postupu vznikají velmi nežádoucí exhalace oxidu siřičitého a dochází k znečišťování produktu vlivem difúze křemíku z nádoby při tepelném rozkladu. Při druhém postupu je vedlejším produktem nezávadný síran hlinitoaaonný, který lze buňto recyklovat nebo využít jiným způsobem, například jako hnojivo. Vzniklý hydroxid hlinitý je třeba žíháním na teplotu 700 až 1 000 °C převést na oxid hlinitý. Toto se běžně provádí v nádobách z platiny, příp. je možná použít nádoby z čistého oxidu hlinitého. Oba materiály zajišťují dodržení vysoká čistoty žíhaného produktu, mají vSak tyto nevýhody. Platina je velmi drahé, čistý oxid hlinitý - korund je relativně také drahý a kromě toho snáSÍ pouze pozvolná zahřívání i chlazení a i tak často dochází k jeho prasknutí. Tavený křemen je podstatně levnějSí a snáší rychlé změny teploty při zahřívání i chlazení bez nebezpečí prasknutí. Při žíhání ale dochází k difúzi křemíku z nádoby do kysličníku hlinitého, který se takto znečišťuje, což působí dále nepříznivě při jeho použití pro náročné, účely, jako pro pěstování monokrystalů pro optická a laserové materiály, např. safír, řubín nebo yttritohlinitý granát. Znečištění křemíkem způsobuje vznik optických defektů a ovlivňuje nepříznivě spektrální vlastnosti monokrystalů.The preparation of high purity alumina (99.999% Al 2 O 4) usually starts from aluminum salts purified by recrystallization from aqueous solutions. HLI is Nejčastěji.to nitoamonný sulfate (NH?) A1 (SO ^) ₂ .12 HgO after purification the cells for thermally decomposed in quartz dishes at temperature for 1 100-1 200 ° C for alumina, or by treatment with gaseous ammonia is converted topochemical reaction to aluminum hydroxide. In the first process, highly undesirable sulfur dioxide emissions arise and the product is contaminated by the diffusion of silicon from the vessel during thermal decomposition. In the second process, the by-product is harmless aluminum and aluminum sulphate which can be recycled or used in other ways, for example as a fertilizer. The resulting aluminum hydroxide should be converted to alumina by annealing at 700 to 1000 ° C. This is normally done in platinum or plastic containers. containers of pure alumina may be used. Both materials ensure high purity of the annealed product, but have these disadvantages. Platinum is very expensive, pure alumina - corundum is also relatively expensive, and moreover, it only tolerates gradual heating and cooling, and it often breaks. Fused silica is considerably cheaper and can withstand rapid temperature changes during heating and cooling without the risk of rupture. On ignition, however, the diffusion of silicon from the vessel into the alumina is thus contaminated, which further adversely affects its use for demanding purposes, such as the cultivation of single crystals for optical and laser materials such as sapphire, ribs or yttrium aluminum garnet. Silicon contamination causes optical defects and adversely affects the spectral properties of single crystals.

Tento nedostatek nádob z taveného křemene lze odstranit podle vynálezu způsobem pasivace povrchu výrobků z taveného křemene, určených k teplotnímu zpracování vysoce čistého hydroxidu nebo oxidu hlinitého, jehož podstata spočívá v tom, že hladký povrch výrobku z taveného křemene se nejprve vystaví působení směsi kyseliny fluorovodíkové 20 až 4 Ojíní a kyseliny dusičné 30 až 60*ní v poměru 3 : 1 až 1 : 3 objemových dílů při teplotě 40 ež 80 °C po dobu 5 až 120 min, načež se smočí ve vodném roztoku, obsahujícím 0,1 a 1 graaiont iontů hlinitých na ,00 g vody při pokojové teplotě a na to se vystaví působení plynného amoniaku a konečně vyžíhá při teplotě I 100 až 1 300 °C.This drawback of fused quartz vessels can be remedied according to the invention by a process of passivation of the surface of fused quartz products intended for the heat treatment of high purity hydroxide or alumina, characterized in that the smooth surface of the fused quartz product is first exposed to a hydrofluoric acid mixture. 30 to 60% in a ratio of 3: 1 to 1: 3 parts by volume at 40 to 80 ° C for 5 to 120 minutes, and then wetted in an aqueous solution containing 0.1 and 1 graaion. of aluminum ions per 100 g of water at room temperature and thereafter exposed to ammonia gas and finally calcined at a temperature of 100 to 1300 ° C.

Povrch taveného křemene aktivovaný působením směsi kyselin fluorovodíkové a dusičné je schopen rovnoměrně absorbovat hlinité ionty z vodného roztoku a na takto absorbované hlinité ionty působí plynný amoniak za vzniku vysoce reaktivního hydroxidu hlinitého, který v následující operaci - žíhání na 1 ,00 až 1 300 °C zreaguje s aktivním povrchem taveného křemene za vzniku ochranné mulitové vrstvy o složení 72 AlgOj 28 SiOg o tloušťce 0,1 až 10 μα. Takto upravené nádoby z taveného křemene spojují v sobě vysokou odolnost taveného křemene proti tepelným změnám s pasivitou povrchu, blížící se nádobám korundovým.The surface of the fused quartz activated by a mixture of hydrofluoric and nitric acids is able to absorb aluminum ions evenly from the aqueous solution and the thus absorbed aluminum ions are treated with gaseous ammonia to form highly reactive aluminum hydroxide, which in the following operation - annealing at 1.00 to 1300 ° C it reacts with the active surface of the fused quartz to form a protective mullite layer of 72 AlgOj 28 SiOg with a thickness of 0.1 to 10 μα. The melt quartz containers thus treated combine the high thermal change resistance of the melt quartz with the surface passivity approaching the corundum containers.

PřikladlHe did

Vnitřní povrch mísy z taveného křemene o průměru 160 mm a výšce ,00 aa a tloušťce 5 mm byl vystaven působení smšsi 2 obj. dílů kyseliny fluorovodíkové 35*ní a 1 obj. dílu kyseliny dusičné 5Q*ní při teplotě 70 °C po dobu 30 min. Potom byl povrch omyt destilovanou vodou a vysušen. Takto aktivovaný povrch byl smočen do roztoku síranu hlinitoaaonnáho, obsahujícího 0,5 gramiontů hlinitých ve 100 g vody při teplotě 21 °C podobu ,0 min. Po oschnutí bylo na povrch působeno plynným amoniakem po dobu ,0 min, načež byla nádoba vystavena zahřátí na teplotu 1 200 °C po dobu 2 hodin. Vytvořená ochranná vrstva mulitu.o tloušťce 2 gm chránila surový vysoce čistý hydroxid hlinitý při žíhání na 800 °C před znečištěním křemíkem z nádoby tak, že hotový produkt, oxid hlinitý obsahoval křemíku méně než 2 ppm.The inner surface of the fused quartz bowl with a diameter of 160 mm and a height of 00 aa and a thickness of 5 mm was exposed to a mixture of 2 parts by volume of hydrofluoric acid 35% and 1 part by volume of nitric acid 50% at 70 ° C for 30 min. The surface was then washed with distilled water and dried. The surface so activated was soaked in a solution of aluminum and aluminum sulphate containing 0.5 grams of aluminum in 100 g of water at 21 ° C for 0 min. After drying, the surface was treated with ammonia gas for 0 min and then the vessel was heated to 1200 ° C for 2 hours. The mullite protective layer formed at 2 gm protected crude high purity aluminum hydroxide at annealing at 800 ° C from contamination by silicon from the vessel so that the finished alumina product contained less than 2 ppm silicon.

Příklad 2Example 2

Vnitřní povrch kelímku z čirého taveného křemene o průměru ,00 mm a výšce 100 mm o tlouáice stěny 2 nm byl vystaven působení směsi 1 obj. dílu kyseliny fluorovodíkové 40% a 1 obj. dílu kyseliny dusičné 60%ní při teplotě 80 °C po dobu 5 min. Potom byl povrch omyt destilovanou vodou a vysušen, načež byl smočen do roztoku síranu hlinitoamonného o obsahu 0,2 gramiontu iontů hlinitých na 100 g vody při teplotě 30 °C po dobu 10 min. Po oschnutí bylo na povrch působeno plynným amoniakem po dobu 10 min a potom byl kelímek zahřát na teplotu 1 300 °C po dobu 2 hodin. Vytvořila se vrstva mulitu o tlouštce 0,5 μ·, které chránila surový vysoce čistý hydroxid hlinitý při žíháni v tomto kelímku od znečištění křemíkem difusl z kelímku tak, že vyžíhaný konečný produkt, oxid hlinitý obsahoval méně než 2 ppm křemíku.The inner surface of the clear fused silica crucible of 00 mm diameter and 100 mm height with a wall thickness of 2 nm was exposed to a mixture of 1 part by volume of 40% hydrofluoric acid and 1 part by volume of 60% nitric acid at 80 ° C for 5 min. The surface was then washed with distilled water and dried, and was then soaked in a solution of ammonium aluminum sulfate containing 0.2 gram aluminum ion per 100 g of water at 30 ° C for 10 min. After drying, the surface was treated with ammonia gas for 10 min and then the crucible was heated to 1300 ° C for 2 hours. A 0.5 µm thick mullite layer was formed which protected the crude high purity aluminum hydroxide in the crucible from annealing the silicon diffuser from the crucible so that the annealed end product, the alumina contained less than 2 ppm silicon.

Claims

OBJECT OF THE INVENTION

Method of passivating the surface of fused silica products intended for thermal treatment of high purity hydroxide or alumina, characterized in that the smooth surface of the fused silica product is first exposed to a mixture of hydrofluoric acid 20 to 40% and nitric acid 30 to 60% a ratio of 3: 1 to 1: 3 parts by volume at 40 to 80 ° C for 5 to 20 minutes and then wetted in an aqueous solution containing 0.1 to 1 gram of aluminum ions per 100 g of water at room temperature, it is then exposed to ammonia gas and finally calcined at a temperature of 1100 to 1300 ° C.