TWI483909B - 具有玻璃狀二氧化矽內層之熔融的氧化矽本體及其製造方法 - Google Patents

Description

具有玻璃狀二氧化矽內層之熔融的氧化矽本體及其製造方法 發明領域

本發明係有關於具有玻璃狀二氧化矽內層之熔融的氧化矽本體及其製造方法。

發明背景

熔凝的二氧化矽陶瓷體對各種不同的用途乃是實用且有利的。它們能藉由滑鑄法和其它方法而被容易且較不昂貴地製成。它們具有許多有利的性質，譬如強度、耐久性和重量輕。在某些特殊用途中，熔凝二氧化矽陶瓷會顯示額外的有利性質。一種此等特殊用途係為一電磁窗，譬如一用於雷達天線和電子裝置的“雷達罩”蓋，而熔凝二氧化矽雷達罩可常被見於航太用途中，例如飛機或飛彈的鼻錐等。熔凝二氧化矽的介電性質使其特別適合於一雷達罩用途，因熔凝二氧化矽不會顯著地干擾被該天線所傳送和接收的射頻能量。另一種利用熔凝二氧化矽之優點的特殊用途是製藥的混合；陶瓷杵和坩堝時常被使用。於此用途中，再次地，該二氧化矽是強固且重量輕，對溫度變化調適良好，並耐抗搗磨。該二氧化矽與大部份被混合的反應劑不會相互作用，且陶瓷器皿能阻抗玷污，不會生銹或氧化，並較容易清潔。

但是，熔凝二氧化矽體在該等不同的用途中亦具有某些缺點。於此等缺點中顯著的是，該熔凝的二氧化矽除非完全地密實否則是多孔的，而會容許水分或其它流體貫穿該壁厚從該本體的一側滲透至另一側。此由於一些原因乃是不可接受的，而明確的原因取決於特定的用途。例如，在滑鑄熔凝二氧化矽體被用於外太空或航太用途的雷達罩之情況下，該半多孔性熔凝二氧化矽壁會容許水分由外部大氣滲透該雷達罩壁，而可能達到設在內部的敏感性電子部件，其對系統性能是很重要的。此等敏感性部件可由環境的保護受益歷經很長的時間。於該等用途中，水分的滲透會使雷達設備的操作品質，或甚至在不佳環境中的留存，呈現一嚴重的困難。又如另一例，於該製藥混合用途中，該半多孔性熔凝二氧化矽容許外部水分滲透該容器壁而污染正在該容器內被複合的化學物。該二氧化矽的粗糙紋理亦會容許反應劑殘餘物黏附於該容器內部而阻礙完全移除。

在熔凝二氧化矽雷達罩被使用而沒有任何保護性塗層或阻隔物的航太用途中，該水分滲透問題已使其必須將該雷達罩內的敏感性電子設備進一步封閉於其自己的環境密封包罩物內。有些企圖曾被作成來密封該雷達罩本身，曾經使用有機物、無機物，或有機物與無機物結合的塗層來作為水分穿透阻隔層。該等材料層典型係被選成會最小化對該雷達罩的介電性能之干擾，並能符合該雷達罩體的相關材料性質。有些該等塗層曾配合某些其它種類的雷達罩材料而被相當成功地使用，但與熔凝二氧化矽則有不同且不均勻的結果。在許多情況下，須有一甚大的資金投資用來將該等薄塗層(一般小於10微米)設於一雷達罩上。此外，許多該等塗層只能被塗敷於一雷達罩外面，而使該塗層容易受到正常搬運、磨損和破裂的損壞。在某些情況下該等塗層材料的塗敷可能需要一熱處理，其會顯著地影響該基礎雷達罩本體的材料性質，並損壞該水分阻隔塗層本身。又，此等材料的添加可能會劣化該雷達罩的射頻介電廓形和性能。

發明概要

本發明的實施例係藉在一熔凝二氧化矽本體之一內表面的至少一部份上造成一薄且均勻的玻璃化二氧化矽層，而來解決水分滲透和其它的問題。該層係為完全玻璃化或至少充分地玻璃化，以防止水分和其它流體滲透穿過該本體的壁。因為依據本發明的實施例可藉改變既有本體材料的材料性質而由該母體本身的熔凝二氧化矽自生地產生該玻璃狀內層，故該阻隔層會完全地黏附並與該本體本身整合，而消減黏著的顧慮事項，並使該層具有對抗磨損和破裂的更佳耐久性及對分層剝離的阻抗性。此外，一自生玻璃狀二氧化矽層的介電性質會呈現一比施加於一雷達罩壁的外來材料之介電性質更佳的改良。

依據某些實施例，本發明係有關一種熔凝二氧化矽本體包含一層玻璃狀二氧化矽鄰接該本體之一內表面的至少一部份。在某些該等實施例中，該玻璃狀二氧化矽層係自生地熔凝於該本體的其餘部份。在另一實施例中，該玻璃狀二氧化矽層實質上是水分不能滲透的。在另一實施例中，該玻璃狀二氧化矽層具有一密度接近一理論上最大密度。在另一實施例中，該熔凝二氧化矽本體的內表面會界定一凹穴。在另一實施例中，該玻璃狀二氧化矽層會實質上延伸遍及該熔凝二氧化矽本體的全部內表面。在另一實施例中，該玻璃狀二氧化矽層的厚度係在大約1/5000吋與大約1/20000吋之間。在另一實施例中，該熔凝二氧化矽本體包含一表面會與該內表面導通，並包含一玻璃狀二氧化矽層鄰接該首通表面的至少一部份。在另一實施例中，該熔凝二氧化矽本體係構製成可供用作一雷達罩。在另一實施例中，該熔凝二氧化矽本體係構製成可用作一供混合物質的容器。在另一實施例中，該熔凝二氧化矽本體係由滑鑄法所形成。

依據其它實施例，本發明係有關一種製造一鄰接一內表面的至少一部份包含一玻璃狀二氧化矽層之熔凝二氧化矽本體的方法，該方法包含將該內表面的至少一部份加熱至該玻璃化之點。在某些實施例中，該方法包含使一構製成可一次加熱該內表面之一較小區域的熱源移動通過該內表面的至少一部份。在某些實施例中，由該熱源發出的熱係在2600℃與3200℃之間。在某些實施例中，該方法包含使該熱源以一實質上不變的旁離距離通過該內表面。在某些實施例中，一由該熱源發出之熱的圖案在一方向係比在另一方向更長，且該較長方向係被設成橫交於該熱源相對該表面移動的方向。在某些此等實施例中，該表面之一被該熱源一次通過而形成黏性的部份會重疊一被該熱源前次通過而先前形成黏性的部份，且在某些此等實施例中，該重疊的寬度係大約為被該熱源前次通過而先前形成黏性的部份之寬度的一半。在其它實施例中，由該熱源發出的熱係實質上傾斜於一該熱源相對於該表面之相對移動的方向，俾可在該表面熔化區之前提供一預熱區。在其它實施例中，該熱源係相對於該內表面螺旋地移動，在有些此等實施例中該螺旋狀移動是由該熔凝二氧化矽本體的旋轉和該熱源的直線移動所造成，且在某些此等實施例中該熔凝二氧化矽本體的旋轉速度會改變。在另一實施例中，該螺旋狀移動包含該熱源相對於該熔凝二氧化矽本體之一旋轉軸線向內或向外的平移，俾可在該熱源與該內表面之離該旋轉軸線具有不同距離的各部份之間保持一實質上不變的旁離距離。在某些實施例中，該方法包含偏差加熱該熔凝二氧化矽本體之一實質部份至一低於會導致玻璃化的溫度，且在有些此等實施例中該偏差加熱會使該熔凝二氧化矽本體之該實質部份的溫度升高至大約600℃與900℃之間。在另一實施例中，該方法包含退火該熔凝二氧化矽本體。

圖式簡單說明

第1A圖係為一依據本發明實施例之具有玻璃化內層和玻離化後唇的熔凝二氧化矽本體之一截切側視圖。

第1B圖為一具有玻璃化內層之熔凝二氧化矽本體的壁之各層的放大截切側視圖。

第2A圖為一區域熱源在一熔凝二氧化矽本體內移動並玻璃化基內表面之一截切側視圖。

第2B圖為一區域熱源在一熔凝二氧化矽本體之內表面上造成重疊的玻璃化描幅之一截切側視圖。

第2C圖為一區域熱源在一熔凝二氧化矽本體之內表面上造成半寬度重疊的玻璃化描幅之一截切側視圖。

第2D圖為一區域熱源在一熔凝二氧化矽本體內移動並玻璃化其內表面的頂視圖。

第3圖為一區域熱源在一熔凝二氧化矽本體內移動並玻璃化其內表面所依循的螺旋路徑之一側面透視示意圖。

較佳實施例之詳細說明

本發明的某些實施例揭露一種具有一自生的玻璃化二氧化矽層之熔凝的二氧化矽本體。該本體，或工件，幾乎可有任何形狀，及大於約1/30000吋之任何厚度的壁。在某些實施例中該工件的形狀包含一迴轉的表面，且在某些實施例中該工件的形狀可為錐形或凸拱的。在其它實施例中，該工件可具有一較大的平直中央部而可視為形狀更像一杯子。在其它實施例中，該工件可為實質上或完全地平直。依據本發明實施例的玻璃化工件可被用於任何用途，其中一熔凝二氧化矽本體的利益可藉一自生玻璃狀二氧化矽層的存在所賦予之一水分阻隔或任何其它性質而被改良。於此所提到的特定用途，航太雷達罩和製藥混合容器，係僅用作方便之例而非意要作為限制。

一依據本發明之實施例的熔凝二氧化矽本體或工件102係示於第1A圖中，而該工件之一內部的放大圖係示於第1B圖中。該基本工件可藉許多種方法，例如滑鑄和燒結，來被首先製成。在一實施例中，該工件包含至少一凹入的內部腔穴104，且該腔穴在一些或全部的內表面上具有一玻璃狀二氧化矽層106。此內層相較於該工件的整體壁厚係相對較薄，且係整合並熔凝於該本體的其餘部份108，而被由它自生地製成。一具有一厚度110為至少大約1/5000吋的玻璃狀層會提供一阻障，其能被重複地驗證實質上可阻止水分滲入該內腔穴中。在某些實施例中，該玻璃狀層會延伸至一交界及/或導接該內凹表面的邊緣112，且該玻璃狀層亦可能延伸超過該邊緣。

相對於該本件之未改變的其餘部份之厚度來最小化該玻璃狀層的厚度可對某些用途提供優點。該未改變的本體傾向於比該玻璃狀層更能容抗損壞，而該玻璃狀層會傾向於比未改變的材料更容易傳延裂縫；未改變材料的此等優點可藉保留未改變材料的最大厚度而被最大化。在射頻用途中，該玻璃狀層可顯示不同於未改變材料的介電性質。對一雷達罩用途而言，該玻璃狀二氧化矽的介電性質會傾向於比未改變的二氧化矽者較差，而對射頻能量的傳輸係較不能透射。於此類的用途中可能較有利的是使該玻璃狀層恰只厚得足以建立一有效的密封層，典型係在1/5000至1/20000吋的範圍內。

另一方面，在某它用途中，譬如製藥等，一較厚的玻璃狀二氧化矽層會因其對例如承受被混合器材和所混合的反應劑之刮磨有更改良的耐久性而可為有利的。一典型的製藥用途可利用一約為1/50000吋或更厚的玻璃狀層。

該玻璃化製程會密實化該玻璃狀層中的二氧化矽。依據一2.13gm/cc之可能的二氧化矽最大密度，一滑鑄二氧化矽本體典型具有一大約1.92gm/cc的密度，接近最大密度的90%，而該完全玻璃化層會接近100%密度。一密度梯度區114會存在於該玻璃狀層106與該熔凝二氧化矽本體之未改變的其餘部份116之間，而在此梯度區中的材料會從未改變的熔凝二氧化矽逐漸轉變成玻璃狀二氧化矽，並朝向該內層逐漸增加密度。於該玻璃狀二氧化矽層具有一在1/5000與1/20000吋之間的厚度之情況下，該密度梯度區會有一厚度118典型是在1/30000與1/60000吋之間。此一轉變層的存在可助成該本體的整體耐久性，且亦可助成該水分阻隔。超過一定最小厚度，則該本體壁的整體厚度120將不被本發明的實施例所限制，而可為任何厚度。例如，一雷達罩的整體壁厚典型可為吋。該各不同層的厚度可藉破壞性測試及視覺檢查和測量來被計量。此乃可藉該未玻璃化的熔凝二氧化矽本體典型為白色，而該玻璃狀層典型是透明的來協助。

為玻璃化該層，該工件的表面必須被加溫至高於二氧化矽的軟化點，大約1700℃，進入一會促成黏性流和玻璃化的溫度區中。其最好以一能避免某些不良現象的方式來進行。

此等不良現象之第一者是該二氧化矽的“沸騰”，及其廓形由於重力而凹陷。這些和其它的不良效應會在當該工件之一甚大部份的溫度升高至1740～1760℃以上時開始被看到。這些效應可包括起泡、脆化、及喪失尺寸穩定性。該二氧化矽在過度加熱之後的冷却可能會使氣泡凝結於該表面中，及使一凹坑固化於該表面廓形中。這些不良效應會在該工件的溫度升高時變得更為顯著，且一工件的整體溫度在達到1900℃時會變得相當地難以處理。因為用來玻璃化所需的最小表面溫度與該整體工件的最大適當峰值溫度之間的範圍係如此地小，故必須非常小心以使被加熱高於此較窄範圍的材料量和該等加熱的持續時間最少化。

該等不良現象的第二者係為重擊。重擊係由例如結晶形成及層內和層間的差動膨脹應變等因素所造成。要玻璃化二氧化矽所須的表面溫度超過二氧化矽之各種不同結晶形式，包括方晶石等，的產生溫度。有關於此該方晶石是一個主要顧慮，因為雖二氧化矽的大部份形式會於一寬廣的溫度範圍內有一較低的熱膨脹係數。但方晶石之一急劇的膨脹/收縮會在250℃發生，此時其晶相會在α方晶石和β方晶石之間轉變。故，為避免該工件由此轉變所生之可觀差動膨脹和伴隨的重擊風險，其最好能玻璃化該層而不會產生或只最少地產生不要的結晶形式，尤其是方晶石。此乃可借助於使用一高純度熔凝二氧化矽工件，其含有較少的外來石英或方晶石晶體，而會較不適於作為晶種在該工件內生長石英種群或方晶石晶體。但是，最佳的成果可如下地獲得：即最少化被加熱至結晶產生溫度之未玻璃化二氧化矽的量，並亦最少化產生結晶之加熱被施加於該工件的時間。

據此，在本發明之一實施例中此等上述考慮的問題係被如下地處理：一次僅使該表面的一部份高於該二氧化矽的1700℃軟化點，並只在將該表面部份快速地冷却回至低於該軟化點且低於該結晶形成溫度區之前短暫地如此作。此短暫、集中的表面加熱會使被加熱至該結晶形成和二氧化矽沸騰溫度範圍的二氧化矽之量，及該等二氧化矽保留在該等溫度範圍內的持續時間，皆能最少化。

在本發明之一實施例中，如第2A圖中所示，該表面202之短暫、集中的超加熱係藉使一局部區域超加熱熱源204通過該表面要被玻璃化的不同部份上而來完成。此集中的熱源典型會在2600～3200℃的溫度範圍內操作，並可包含一噴火器或任何其它能夠輸送超加熱的熱能至該表面之一局部區域的裝置。示於第2A圖中的舉例區域熱源是一種燃料式噴火器而具有一火焰區208大致指向該表面。此區域熱源會連續地通過要被玻璃化的整個表面上，而將最靠近該火焰或其它被發射之熱的熔凝二氧化矽表面熔化成一片流體態二氧化矽210，其嗣會在該區域熱源移開時，硬化成一薄玻璃化二氧化矽層212。

在一較佳實施例中，該區域熱源是一種直線狀或“帶狀”熱源，而非一點狀熱源。典型地一直線狀熱源容許該熔化的二氧化矽帶會沿著一直線狀超加熱區的“熔化寬度”214比以一點熱源時更自然地流動，特別是一種以一圓點噴火器的火焰來進行者，其會傾向於將言被超加熱的熔融二氧化矽從該火焰底下離心地移出，而可能造成該玻璃化表面的陷坑、凹痕、或溝紋。在一使用一噴火器作為區域熱源的較佳實施例中，該噴火器會使用低氣體速度，其與使用一高速氣體噴火器者相較會更能最小化熔融材料的移位。

應請瞭解該區域熱源的移動係相對於被玻璃化的表面，而無關的是該區域熱源或該工件的那一者會相對於外部世界移動。在依據本發明的不同實施例中，該區域熱源可在相對於一固定的工件時進行所有的移動，一工件亦可在相對於一固定的熱源時進行所有的移動，或該熱源與該工件兩者皆可貢獻所需的相對移動之一分量。

為便於討論該區域熱源相對於該工件的運動，三條任意的正交軸線，如第2A圖中所示，會在此被定義。為便於說明，所示的工件係為一實質上對稱的迴轉表面，雖本發明的實施例並不要求被處理的工件有一迴轉表面或是對稱的。該第一軸線係該工件之一旋轉軸線216，其會延伸穿過一對稱工件的前導尖端218，並穿過相反於該尖端之末尾腔穴開口的中心。在處理時會包含該工件的旋轉之本發明的實施例中，該工件係大致繞其旋轉軸線轉動。被處理的工件形狀典型近似一繞此軸線的迴轉表面，而要被處理的腔穴亦係大致繞此軸線呈對稱的。但是，該工件可能不是一真正或精確的迴轉表面，因該工件及/或該腔穴可能具有不規則的結構、斜坡、或凹部等。其它二軸線係相對於該熱源而非該工件上的任何特定點來被定義，因在某些實例中該工件會旋轉，因此以相對於該熱源保持穩定的軸線來描述該熱源的運動會較容易。緣是，該第二軸線是該徑向軸線220，其係垂直於該旋轉軸線，並由該旋轉軸線朝該區域熱源的方向延伸。該第三軸線是該正切軸線222，其係垂直於被定義的其它二條軸線，並會在最靠近該區域熱源之點處大致正切於該工件的表面延伸。為更便於討論該區域熱源與該工件的定位和運動，向上及向下的概念會被使用於此，雖該工件係被定位成使其尖端向下，而其後緣或腔穴開口向上，但是，這些僅為方便而被使用，且雖在一較佳實施例中該工件係呈該定向來被處理，但本發明的其它實施例並不要求該工件以該物理定向或圖中所示的定向來被處理。

在一較佳實施例中，該區域熱源的線狀超加熱區係被設成橫交於該熱源繞被玻璃化表面移行的方向。俾當該熱源沿該方向移動時會造成一短暫超加熱的描幅延伸橫過該表面，而此描幅會占有一由該區域熱源的直線尺寸所決定的熔化寬度214。該熱源可被以任何圖案移動通過該表面，該圖案會提供均勻的加熱涵蓋一玻璃化層所需的整個區域。為達到如此，該熱源可被設成能沿任何維向軸線平移或繞任何軸線旋轉而相對於該工件來被定位。

如第3圖中所示，本發明之一特別適用於一概呈凹曲內表面的實施例，會結合該區域熱源繞該旋轉軸線之相對轉動，與該區域熱源沿該旋轉軸線之一較慢的平移，而來造成一螺旋“描跡”運動，其會使該區域熱源以連續的螺卷掠圈302掃描通過整個凹曲的內表面304上。(為說明的清楚和簡潔，依據本發明之某些實施例的某些態樣和特徵，例如接近地定位，重疊的描幅，平描開始和最後描幅等，及使用多個熱源處理該內表面的不同區段，並未示於第3圖中)。該熱源相對於被處理本體之此相對運動能藉移動該熱源與該本體的任一者或兩者來達成，且在一實施例中此所需的螺旋運動之旋轉分量係藉旋轉該本體來達成。

若該腔穴具有一平底而非一錐狀尖端，則任何會涵蓋該區域的運動仍可被使用，但某些運動可能會較適用來有效率地涵蓋該表面，而只有最少量的浪費相對運動，且能便於促成發生重疊。一實施例會處理一截斷該旋轉軸線的平面或淺表面，係首先將該區域熱源放在該表面上之截斷該旋轉軸線處，然後將該熱源由該點沿該平面或淺表面螺卷移出至該表面終止或向上彎曲朝向該腔穴的後端之點處。在處理此一具有一朝上壁的平底工件時，該熱源將會在該平表面的外緣處開始將其平螺卷伸入第三維向中形如一螺旋。為形成此一螺卷和螺旋，在該運動的旋轉分量係藉旋轉該工件來賦予的實施例中，該最初被定位在該平表面上之截斷該旋轉軸線處的區域熱源會沿該徑向軸線向外平移，直到達到該壁彎曲處為止，在此時沿該徑向軸線的平移會減慢或停止，而一沿該旋轉軸線的向上移動將會開始或加速。在另一實施例中，若該被處理的工件係實質上或完全地平直，則一只有很小或沒有沿該旋轉軸線移動的螺卷運動可被用來處理該整個工件。

雖加熱的一致性可藉該區域熱源的補償調整而被改良，譬如對其燃料、電弧，或其它熱源參數等。但在該區域熱源移動通過被處理表面上時，所施加的熱仍可能會有波動。為對此進一步補償，在一較佳實施例中由該區域熱源所烙下的加熱描幅會在每一次連續通過時重疊，而來將該表面上的每一點加熱多次。此可確保該表面上沒有點會被該區域熱源漏失，且多次加熱會傾向於能夠補償單次通過時的不完善加熱所造成的不規則性，並會傾向於能達成一全部均一的層厚度。在此實施例中，如第2B圖中所示，該區域熱源會首先被放入位置224處來造成一第一描幅226，然後當該熱源繞該工件的旋轉軸線行下次迴轉時，該區域熱源會被以一比該描幅226之寬度更小的量沿該旋轉軸線橫向地移動，而來造成一第二重疊的描幅230，並有一重疊區域232。此會造成重疊描幅之一“強迫掃掠效果”，其會再加熱前次被加熱區域的部份，並確保在二相鄰的描幅之間不會有漏失的邊緣。

在一較佳實施例中，該區域熱源每一次沿該橫向通過的移程實質上係為上次通過時被形成黏性的描幅之一半寬度。此導致該表面上的每一點皆能被兩次重疊的區域熱源之移動通過所涵蓋，使得該表面上的每一點有一被再度熔化和重流的機會，而改善玻璃狀二氧化矽流的均勻度。以該寬度的一半重疊亦會最大地補償可能會發生於該描幅中的凸起。此凸起係由於該熱源的中央-也是該表面上之該描幅的中央-之溫度比邊緣處的溫度更高所致；此等凸起可能如第2C圖中所示的形式，即在描幅236的中央有一比在其邊緣238和240處更大的材料厚度234。藉著將該區域熱源從位置242移至位置244，並因此而使一後續的描幅246偏差該橫向描幅寬度的一半寬度，在該後次通過時的描幅之較薄部份248會疊加於前次通過的增厚影響區域234來補償它，而該增厚影響區域250會疊加於前次描幅的較薄部份240來同樣地補償它。當下次通過時會使熱源在位置252並造成描幅254，較薄影響部份256會疊加於前次增厚區域250，且較厚影響區域258會疊加於前次較薄區域260，而再度補償該二區域。

在某些實施例中，該熱源並未與該表面實體接觸，而係以一旁離距離206通過其上，如第2A圖中所示。在一此等實施例中，該距離典型係為大約1吋。為能最佳地加熱，某些旋轉調整可被施用於該熱源。如前所述，一直線狀熱源的長尺寸較好係橫交於其移行方向，且在一螺旋掃描時該區域熱源的移行方向係實質上繞該旋轉軸線；因此，該區域熱源會被繞該徑向軸線旋轉地調整來將該長尺寸排列成實質上平行於該旋轉軸線。為能沿該長尺寸均勻地施加熱，該區域熱源會被繞該正切軸線旋轉地調整成為垂直於正被玻璃化的表面部份。當該熱源向一凹曲表面的後端移動時，該腔穴沿該徑向軸線的直徑典型會擴張，且該表面的“錐角”，即是該局部內表面在由該旋轉軸線和徑向軸線所界定的平面中之切線，典型會朝向與該旋轉軸線平行來轉變。該熱源在一後續通過時最好係被繞該正切軸線旋轉地調整一角度262，如第2B圖中所示，以使該熱源在該後續通過時保持垂直於該表面。

有關該熱源的其它旋轉調整，如在頂視的第2D圖中所示，在某些實施例中，該區域熱源會被繞一平行於該旋轉軸線的軸線(或更精確地，繞一由該旋轉軸線傾斜一量的軸線，該量係如同前述該熱源繞該正切軸線的任何旋轉調整之量)來調整一角度264，以將該熱源發出的熱或火焰266投射在該區域熱源的移動方向，而使該熱或火焰會接觸該表面的一部份268，其係在此相對運動中正在接近該區域熱源者。在某些較佳實施例中，該熱源並未被繞此軸線旋轉地調整成為完全垂直於該表面，而使其熱羽或火焰接觸最靠近該熱源本體的表面，因為以此一熱或火焰的直接垂直施加會發生某些問題。該等問題包括較大的熱衝擊，由一直接垂直之熱或火焰投射所致之熔融材料的較多排移，及一所施之熱的反躍，其會不佳地使熱由該表面移除，而且會使熱不佳地反射回到該區域熱源的機構上。此等不良的效應會被減少或消除，乃藉將該熱或火焰導向該熱源之運動的前方，而讓該火焰或熱羽在接觸該表面之後能沿該表面朝移行方向重導270出。此前導熱羽272亦會預熱該表面的一部份274，當其進入該火焰或熱羽的外邊緣時，而可提供一加熱轉變並減少該漸近部份所經歷的溫度變化之時間梯度。為了這些理由，該區域熱源在此等實施例中會被繞此軸線朝其移行方向調整該角度264之量，於一實施例中典型為與該表面的垂線呈10至15度。

更多沿著不同軸線的平移和繞不同軸線的旋轉亦可被用來相對於該表面妥當地定位該熱羽。例如，當該內腔穴的直徑朝一錐形工件的頂面增加時，為保持該表面的涵蓋，該區域熱源可被沿該徑向軸線朝外移，而來保持一離該表面不變的旁離距離。

在進行該玻璃化製程的過程中，正被處理的本體之不同部份的差動膨脹可能會被該本體之正在不同溫度的不同部份所致生，而造成這些部份之間的內部應變。但，此能藉最小化正被超加熱成玻璃化的部份與該二氧化矽本體的其餘部份之間的溫差而來減少。為達到如此，在某些實施例中，該整個工件的大部份或全部於該超加熱製程期間會被偏差加熱，而得在超加熱之點處以該偏差加熱之量來減少該溫差。此偏差加熱會在一比將會導致產生不要的結晶之溫度更低的溫度範圍內被使用，於一實施例中典型是在600℃至1000℃的範圍內。

層間和層內的應力亦能藉容許在玻璃化製程時熔化的二氧化矽更平滑且更自然地凝結的技術而被減少。除了上述的多次通過加熱技術外，於一實施例中，在玻璃化之後該工件會被退火，不論是在該爐中或另一烤爐內，以容許存在於該玻璃狀層中的應力能在其造成時被鬆釋。較理想是，該退火是短暫的，俾可避免結晶產生。

在一典型的工件中，該要被處理的內表面可鄰接將會由一玻璃化層的產生而得益的其它表面，雖相對於此等表面該玻璃狀層可能不能被嚴格地視為一內層。在航太雷達罩用途，製藥坩堝或杵的用途，及其它用途中，該壁的寬度在該壁的邊緣處可呈現似一鄰接該腔穴的環緣或邊緣。在該雷達罩用途中，此邊緣係被依據其在飛彈或其它機身中的定向而稱為“後緣”。被用來玻璃化該工件之內層的製法亦可被用來在此一鄰接緣或後緣上玻璃化一層。

一種依據本發明而可用以製造一依據本發明實施例之具有一內玻璃狀二氧化矽層的熔凝二氧化矽本體，和實行本發明實施例之方法等的製造裝置及操作該裝置的方法，係被進一步且詳細地描述於一同時申請的專利申請案中，名稱為“用以在一熔凝二氧化矽本體上製造一玻璃狀內層的裝置及操作該裝置的方法”，代理人編號No. R691/65508(09W125)，其完整內容併此附送。

雖本發明的有限實施例已被詳細地描述及示出，但許多修正、組合和變化等對精習於該技術者將是顯而易知。因此，應請瞭解一依據本發明之原理所製成之具有玻璃狀二氧化矽內層的熔凝二氧化矽本體，以及用以製造它的方法等，亦可能與在此所具體描述者不同地被體現。本發明亦被界定於以下申請專利範圍中。

102．．．本體

104．．．內部腔穴

106．．．玻璃狀二氧化矽層

108．．．本體的其餘部份

110，118，120．．．厚度

112．．．邊緣

116．．．未改變的其餘部份

202．．．表面

204．．．熱源

206．．．旁離距離

208．．．火焰區

210．．．流體能二氧化矽

212．．．玻璃化二氧化矽層

214．．．熔化寬度

216．．．旋轉軸線

218．．．尖端

220．．．徑向軸線

222．．．正切軸線

224．．．第一位置

226．．．第一描幅

228．．．第二位置

230．．．第二描幅

232．．．重疊區域

236，246，254．．．描幅

238，250，258．．．較厚部份

242，244，252．．．各位置

248，256，260．．．較薄部份

262，264．．．調整角度

266．．．火焰

268．．．加熱部份

270．．．重導火焰

272．．．熱羽

274．．．預熱部份

302．．．螺卷掠圈

304．．．內表面

第1A圖係為一依據本發明實施例之具有玻璃化內層和玻離化後唇的熔凝二氧化矽本體之一截切側視圖。

第1B圖為一具有玻璃化內層之熔凝二氧化矽本體的壁之各層的放大截切側視圖。

第2A圖為一區域熱源在一熔凝二氧化矽本體內移動並玻璃化基內表面之一截切側視圖。

第2B圖為一區域熱源在一熔凝二氧化矽本體之內表面上造成重疊的玻璃化描幅之一截切側視圖。

第2C圖為一區域熱源在一熔凝二氧化矽本體之內表面上造成半寬度重疊的玻璃化描幅之一截切側視圖。

第2D圖為一區域熱源在一熔凝二氧化矽本體內移動並玻璃化其內表面的頂視圖。

第3圖為一區域熱源在一熔凝二氧化矽本體內移動並玻璃化其內表面所依循的螺旋路徑之一側面透視示意圖。

102．．．本體

104．．．內部腔穴

106．．．玻璃狀二氧化矽層

108．．．本體的其餘部份

112．．．邊緣

Claims (13)

1. 一種熔凝二氧化矽本體，其包含一玻璃化部份及該本體之未玻璃化的其餘部份，該玻璃化部份由自生地玻璃化該二氧化矽本體之內表面以形成一玻璃狀二氧化矽層於該本體之該未玻璃化的其餘部份上而形成，其中該本體之該未玻璃化的其餘部份具有最大二氧化矽密度之約90%的密度且該玻璃狀二氧化矽層具有實質上等於最大二氧化矽密度的密度，且其中該二氧化矽本體之厚度係大約1/4吋且該玻璃狀二氧化矽層之厚度係介於大約1/5000吋與大約1/20000吋之間。
2. 如申請專利範圍第1項之本體，其中該玻璃狀二氧化矽層實質上是水分不能滲透的。
3. 如申請專利範圍第1項之本體，其中該最大二氧化矽密度係約2.13gm/cc且該本體之該未玻璃化的其餘部分之密度係約1.92gm/cc。
4. 如申請專利範圍第1項之本體，其中該內表面會界定一凹穴。
5. 如申請專利範圍第1項之本體，其中該玻璃狀二氧化矽層會實質上延伸於該本體的全部內表面上。
6. 如申請專利範圍第1項之本體，其中該本體更包含一表面會與該內表面導通，且該玻璃狀二氧化矽層鄰接上述導通表面的至少一部份。
7. 如申請專利範圍第1項之本體，其中該本體係被構製成可供用作一雷達罩。
8. 如申請專利範圍第1項之本體，其中該本體係被構製成可用作一供混合物質的容器。
9. 如申請專利範圍第1項之本體，其中該本體係被以滑鑄法形成。
10. 一種二氧化矽本體，其包含一玻璃化部份及該主體之一未玻璃化的其餘部分，該玻璃化部分由自生地玻璃化該二氧化矽本體之內表面以形成一玻璃狀二氧化矽層於該本體之該未玻璃化的其餘部份上而形成，其中該玻璃化部份及該主體之該未玻璃化的其餘部份之間具有一密度梯度，其中該主體之該未玻璃化的其餘部份具有最大二氧化矽密度之約90%的密度且該玻璃狀二氧化矽層具有實質上等於最大二氧化矽密度的密度，且其中該二氧化矽主體之厚度係大約1/4吋且該玻璃狀二氧化矽層之密度係介於大約1/5000吋與大約1/20000吋之間。
11. 如申請專利範圍第10項之本體，其中該密度梯度自該本體之未玻璃化的其餘部份中的未改變的熔凝二氧化矽轉換至該玻璃狀二氧化矽層中之玻璃化二氧化矽。
12. 如申請專利範圍第10項之本體，其中該密度梯度具有朝向該玻璃狀二氧化矽層之增加的密度。
13. 如申請專利範圍第10項之本體，其中該密度梯度具有大約1/3000吋及大約1/6000吋之間的厚度。