專利名稱：一種間接合成石英玻璃的方法及其專用設(shè)備以及一種石英玻璃的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種間接合成石英玻璃的方法及其專用設(shè)備。
背景技術(shù)：
石英玻璃具有優(yōu)越的物化性能，而被譽為“玻璃之王”，是國家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)和支柱性產(chǎn)業(yè)發(fā)展中不可替代的基礎(chǔ)性原材料，廣泛應(yīng)用于光纖制造、微電子、光電子、航空航天、 核技術(shù)、激光技術(shù)、精密光學(xué)和電光源等高新技術(shù)領(lǐng)域。目前，國內(nèi)外主要采用“直接法”制造石英玻璃，是以天然水晶或高純四氯化硅為原料，在高溫真空電阻爐、高溫氫氧火焰或高溫等離子體火焰中發(fā)生物理及化學(xué)反應(yīng)過程直接熔制為石英玻璃體。直接法制造石英玻璃的エ藝與類型有電熔エ藝制造的I類石英玻璃、氣煉エ藝制造的II類石英玻璃、化學(xué)氣相沉積エ藝(CVD法)制造的III類合成石英玻璃以及等離子化學(xué)氣相沉積エ藝(PCVD法)制造的IV類合成石英玻璃。其中，電熔和氣煉エ藝均是以天然水晶為原料，該原料不僅純度低，而且因其質(zhì)量不穩(wěn)定而難以控制產(chǎn)品質(zhì)量。此外，天然水晶原料日趨枯竭，其儲量已無法滿足石英行業(yè)的需求。而CVD和PCVD 法均是以高純四氯化硅為原料，該原料不僅純度高，而且低廉易得(多晶硅副產(chǎn)物四氯化硅經(jīng)提純而得)，但兩者沉積速率和效率低，制造成本高，而且CVD法制造的III類石英玻璃羥基含量高達lOOOppm，氯含量高達lOOppm。PCVD法雖然羥基含量極低，但其氯含量大于200ppm，石英玻璃中羥基的存在嚴重影響了其在紅外波段的光譜透過率，而氯元素的存在也降低了其深紫外波段的光譜透過性能和長期穩(wěn)定性等。間接合成法最早應(yīng)用于石英光纖預(yù)制棒行業(yè)，而且目前該方法在光纖行業(yè)還一直沿用，并已成為光纖預(yù)制棒制造的重要方法之一。其是以高純四氯化硅和四氯化鍺等氣態(tài)鹵化物為原料，在氫氧焰或甲烷焰中反應(yīng)生成ニ氧化硅和ニ氧化鍺微粒并逐層沉積在邊旋轉(zhuǎn)邊來回左右移動的靶棒上，形成疏松體，再將沉積好的疏松體進行燒結(jié)處理，除去殘留水份，以便制得一根透明無水份的石英光纖預(yù)制棒芯棒。雖然石英光纖預(yù)制棒與石英玻璃的組成基本一致，但是由于應(yīng)用環(huán)境不同，兩者的性能要求差異較大，對其中的結(jié)構(gòu)、純度及光學(xué)均勻性等指標(biāo)要求不同，因此兩者的制造エ藝有天壤之別，通常制造石英光纖預(yù)制棒的廠商不懂如何制造石英玻璃，而制造石英玻璃的廠商也同樣不懂如何制造石英光纖預(yù)制棒，因此也就造成了目前兩者互不往來的局面。

發(fā)明內(nèi)容
為克服目前直接合成法熔制石英玻璃エ藝中存在的沉積效率和沉積速率低、氯含量高和制造成本高的問題，本發(fā)明的目的是提供一種高效低能間接合成更具優(yōu)越物化性能的新型石英玻璃的方法。本發(fā)明所提供的間接合成石英玻璃的方法，包括以下步驟I)將四氯化硅原料氣在600-1200°C的氫氧火焰中反應(yīng)，使四氯化硅水解或氧化生成納米二氧化硅微粒，納米二氧化硅微粒再經(jīng)沉積形成二氧化硅疏松體；2)將二氧化硅疏松體在100-1600°C和O. 01_500Pa真空度下經(jīng)脫水、脫氣及玻璃
化后，得到石英玻璃。其中所述步驟I)中四氯化硅原料氣由四氯化硅蒸汽與載料氣體組成，所述四氯化硅蒸汽的純度達99. 9999 %以上，所述載料氣體為高純氧氣、高純氫氣、高純氮氣、高純氦氣和高純氬氣中的一種氣體或幾種氣體的混合，所述載料氣體對氣化四氯化硅的載氣量為 1000-2000g/h ;所述氫氧火焰中氫氣流量為100-300L/min，氧氣流量為45_135L/min ;沉積速率為 500-2000g/h。所述四氯化硅原料氣的獲得方法為先用高純氮氣、高純氦氣和高純氬氣中的至少一種作為壓料氣體將四氯化硅原料罐中的純度達99. 9999%以上的高純四氯化硅原料液導(dǎo)入四氯化硅鼓泡瓶中，調(diào)節(jié)鼓泡瓶的溫度為40-50°C，載料氣體流經(jīng)凈化干燥器去除水蒸氣和雜質(zhì)，凈化后的載料氣體經(jīng)緩沖瓶進入鼓泡瓶進行鼓泡，霧化后的四氯化硅蒸汽由載料氣體攜帶進入氣化瓶中，攜帶出的四氯化硅流量為1000-2000g/h，調(diào)節(jié)氣化瓶溫度在 70°C以上，由氣化后的四氯化硅氣體與載料氣體組成的混合氣體為四氯化硅原料氣。所述步驟2)中將二氧化硅疏松體在真空電阻爐中以5_15°C /min的升溫速率升溫，升溫至1400-1600°C時保溫0-10小時，通入惰性氣體，保持爐內(nèi)壓力為O. Ι-lOMPa，隨后停爐冷卻，得到石英玻璃；所述惰性氣體為高純氦氣、高純氬氣和高純氮氣中的至少一種。本發(fā)明另一目的在于提供一種具優(yōu)越物化性能的石英玻璃。該石英玻璃由上述方法制備得到，具有以下特性200-3200nm全光譜透過率超過 80%,金屬雜質(zhì)與硼雜質(zhì)的總含量低于Ippm,氯兀素含量低于IOppm,且輕基含量在IOppm 以內(nèi)。本發(fā)明還以目的在于提供一種用于間接合成石英玻璃的氣相沉積合成爐。該氣相沉積合成爐包括以下組件1)封閉式爐體及用于支撐爐體的支撐架；2)保溫爐膛，設(shè)于爐體內(nèi)部；3)氫氧火焰燃燒器，設(shè)置于爐體的斜下部且燃燒器中心料管出口端伸入保溫爐膛開口向上，且設(shè)有氫氣、氧氣和四氯化娃原料氣的進氣口 ；4)石英基礎(chǔ)桿，從爐體頂部垂直延伸入爐體內(nèi)腔保溫爐膛內(nèi)，位于氫氧火焰燃燒器的中心料管出口端上，石英基礎(chǔ)桿的底端面與氫氧火焰燃燒器出口端相對；5)煙囪，設(shè)置于爐體頂部或爐體一側(cè)，煙囪的煙道入口高于石英基礎(chǔ)桿的底端面。其中所述氫氧火焰燃燒器的數(shù)量為1-6個，所述氫氧火焰燃燒器與石英基礎(chǔ)桿中心延長線的夾角為0-90°，氫氧火焰燃燒器中心下料管出口端到石英基礎(chǔ)桿底端的垂直距離為5_300mm。所述石英基礎(chǔ)桿的材質(zhì)為石英玻璃，其底端面為平面或圓球形或橢圓形，垂直卡位安裝在帶自動升降和旋轉(zhuǎn)的車床上。本發(fā)明中，用所述氣相沉積合成爐實施前述間接合成石英玻璃的方法中步驟I)， 是將四氯化硅原料氣通入氫氧火焰燃燒器中，使其在其中心料管出口端產(chǎn)生的600-1200°C 的氫氧火焰中反應(yīng)，所生成的納米二氧化硅微粒沉積在垂直的邊旋轉(zhuǎn)邊提升的石英基礎(chǔ)桿底端面上形成二氧化硅疏松體，沉積速率500-2000g/h。
且，隨著納米ニ氧化硅微粒在石英基礎(chǔ)桿底端面不斷沉積形成沉積面(相當(dāng)于石英基礎(chǔ)桿向下增長)，提升石英基礎(chǔ)桿保持該沉積面與所述氫氧火焰燃燒器中心料管出ロ 端的距離始終一致。采用以上技術(shù)方案，本發(fā)明提供的間接合成石英玻璃的方法分兩步完成，先以高純四氯化硅作原料，采用氣相沉積在氫氧火焰中合成納米ニ氧化硅疏松體，再將其置于真空電阻爐中進行脫水、脫氣及玻璃化處理制備得到石英玻璃體。在本發(fā)明的制備方法中，納米ニ氧化硅微粒在氫氧火焰中的形成、生長與沉積過程溫度低，ニ氧化硅疏松體沉積效率和沉積速率高，氯含量低，制造成本低；此外，ニ氧化硅疏松體易于摻雜和脫羥，脫水、脫氣和玻璃化過程溫度低，可自由控制產(chǎn)品成分，并可減少或消除氧空位、過氧鍵等缺陷濃度， 提高產(chǎn)品質(zhì)量。本發(fā)明既實現(xiàn)了高沉積速率與效率制造納米ニ氧化硅疏松體，又能制造得到高純低羥基、低氯含量的新型石英玻璃材料，沉積速率可達500-2000g/h，不僅提高了生產(chǎn)效率、降低了成本、節(jié)約了能源與資源，而且還大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量，制備的石英玻璃具有以下優(yōu)良特性200-3200nm全光譜透過率(紫外-可見-紅外波段)較高，金屬雜質(zhì)含量小于5ppm,輕基含量可控制在20ppm以內(nèi)，且直徑可達50-200mm,能夠應(yīng)用于精密光學(xué)、 半導(dǎo)體光刻技術(shù)和激光技術(shù)等高新技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進ー步詳細說明。


圖I為本發(fā)明間接合成法制造石英玻璃的エ藝流程圖；圖2為本發(fā)明方法中氣相沉積合成ニ氧化硅疏松體沉積爐的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明方法中多燃燒器氣相沉積合成ニ氧化硅疏松體布排的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明方法中得到的ニ氧化硅疏松體結(jié)構(gòu)與微粒形貌的示意圖；圖5為本發(fā)明新型石英玻璃的光譜透過率檢測曲線圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供了ー種間接合成石英玻璃的方法。該方法分兩步完成，先以高純四氯化硅作原料，采用氣相沉積エ藝在氫氧火焰中合成納米ニ氧化硅疏松體，再將其置于真空電阻爐中進行脫水、脫氣及玻璃化處理制備得到石英玻璃體。本發(fā)明間接合成法制備石英玻璃的具體過程如圖I所示，包括以下步驟I)四氯化硅原料氣的獲得該原料氣的獲得可借鑒現(xiàn)有技術(shù)中直接合成石英玻璃方法中的方式獲得。本發(fā)明以一種獲得方式為例進行說明先用壓料氣體(高純氮氣、 高純氦氣和高純氬氣中的至少ー種)將四氯化硅原料罐中的高純四氯化硅原料液(純度達 99. 9999%以上)導(dǎo)入四氯化硅鼓泡瓶中，由于四氯化硅原料液的沸點為57. 6°C，調(diào)節(jié)鼓泡瓶的溫度為40-50°C，載料氣體流經(jīng)凈化干燥器去除水蒸氣和雜質(zhì)，浄化后的載料氣體經(jīng)緩沖瓶進入鼓泡瓶進行鼓泡，霧化后的四氯化硅蒸汽由載料氣體(載料氣體為高純氧氣、高純氫氣、高純氮氣、高純氦氣和高純氬氣中的一種氣體或幾種氣體的混合)攜帯進入氣化瓶中，攜帶出的四氯化硅流量為1000-2000g/h(優(yōu)選為1500g/h)，調(diào)節(jié)氣化瓶溫度在70V 以上，由氣化后的四氯化硅氣體與載料氣體組成的混合氣體為四氯化硅原料氣。2)將四氯化硅原料氣在600-1200°C的氫氧火焰中反應(yīng)，氫氧火焰中氫氣流量為100-300L/min (優(yōu)選為200L/min)，氧氣流量為45_135L/min (優(yōu)選為90L/min)，使四氯化硅水解或氧化生成納米二氧化硅微粒，納米二氧化硅微粒再經(jīng)沉積形成二氧化硅疏松體，沉積速率可達500-2000g/h。這里,利用氫氣和氧氣作為燃料動力，四氯化硅原料氣在氫氧火焰中發(fā)生的反應(yīng)過程可用下述化學(xué)方程式表示2H2+02 — 2H20 (式 I)SiCl4+2H20 — Si02+4HC1 (式 2)SiCl4+02 — Si02+2C12 (式 3)Cl2+H2 — 2HC1 (式 4)在整個氣相反應(yīng)過程中，究竟水解(式2)和氧化(式3)反應(yīng)過程進行的誰多誰少，是很難區(qū)分的，但整個反應(yīng)過程可用下式表示SiCl4+2H2+02 — Si02+4HC1 (式 5)3)將二氧化硅疏松體在100-1600°C和O. 01_500Pa真空度下進行脫水、脫氣及玻璃化處理先將二氧化硅疏松體在真空電阻爐中以5-15°C /min的升溫速率升溫，從100°C 升溫至1000-1200°C時完成疏松體的脫水過程，繼續(xù)升溫至1400-1600°C時保溫0-10小時， 完成疏松體的脫氣與玻璃化過程；隨后通入惰性氣體(高純氦氣、高純氬氣和高純氮氣中的至少一種，純度達99. 999%以上)，保持爐內(nèi)壓力為O. Ι-lOMPa，并接著停爐冷卻，得到石英玻璃。本發(fā)明還提供一種間接合成石英玻璃的專用設(shè)備。如圖2所示，本發(fā)明提供的用于間接合成石英玻璃的設(shè)備，命名為氣相沉積合成爐，其可實現(xiàn)納米二氧化硅微粒的形成與沉積，最終形成二氧化硅疏松體(完成前述工藝的步驟2))，其結(jié)構(gòu)包括以下組件I)封閉式爐體8;2)保溫爐膛7，位于爐體8內(nèi)部，具有保溫作用；3)氫氧火焰燃燒器2，設(shè)置于爐體8的斜下部且燃燒器中心料管出口端伸入保溫爐膛7開口向上(或斜向上)，且設(shè)有氫氣、氧氣和四氯化硅原料氣的進氣口，在燃燒器出口端，四氯化硅原料氣在600-1200°C氫氧火焰中反應(yīng)生成納米二氧化硅微粒3 ;燃燒器2的材質(zhì)優(yōu)選石英玻璃；4)石英基礎(chǔ)桿6，從爐體8頂部垂直延伸入爐體8內(nèi)腔保溫爐膛7內(nèi)，位于氫氧火焰燃燒器2的中心料管出口上端，石英基礎(chǔ)桿6的底端面與氫氧火焰燃燒器2出口相對，在氫氧火焰中形成的納米二氧化硅微粒3沉積在石英基礎(chǔ)桿6上形成二氧化硅疏松體4 ；5)煙囪5，設(shè)置于爐體8頂部或爐體8 一側(cè)，煙囪的煙道入口高于石英基礎(chǔ)桿的底端面，以保證在納米二氧化硅微粒的形成與沉積過程中，使?fàn)t內(nèi)煙氣形成穩(wěn)定流場，促進納米二氧化硅微粒3在氫氧火焰中快速、均勻、有效地沉積在石英基礎(chǔ)桿6上，而不會隨煙氣飄散；6)合成爐支撐架I，用于支撐爐體8。本發(fā)明氣相沉積合成爐的爐體8為密閉式結(jié)構(gòu)，不僅保證爐體8內(nèi)不受外界的污染，提高二氧化硅疏松體純度，而且有利于尾氣順沿?zé)? 5及時排出進行處理，避免尾氣通過爐體滲透到外界環(huán)境中，污染外界環(huán)境。此外，爐體8內(nèi)部為微正壓，有利于納米二氧化硅微粒的沉積。氫氧火焰燃燒器2布置在爐體8和石英基礎(chǔ)桿6的斜下部，且燃燒器2出 ロ朝上，與石英基礎(chǔ)桿底端面相對。燃燒器2與石英基礎(chǔ)桿6中心延長線的夾角為0-90°， 燃燒器2中心下料管出口到石英基礎(chǔ)桿6底端的垂直距離設(shè)定為5-300mm。為避免雜質(zhì)污染，燃燒器2采用石英玻璃材質(zhì)制作。石英基礎(chǔ)桿6也采用石英玻璃材質(zhì)制作，其底端沉積面設(shè)計為平面或圓球形或橢圓形，垂直卡位安裝在帶自動升降和旋轉(zhuǎn)的車床上，隨著納米 ニ氧化硅微粒3在石英基礎(chǔ)桿6底端面地不斷沉積，石英基礎(chǔ)桿6長度不斷增長，此時不斷地緩慢提升石英基礎(chǔ)桿6，保持沉積面與燃燒器2中心下料管出口的距離始終一致，石英基礎(chǔ)桿6提升的速度依據(jù)納米ニ氧化硅微粒的沉積速率而設(shè)定。畑 5的煙道入口高于石英基礎(chǔ)桿6的底端面使?fàn)t內(nèi)煙氣形成穩(wěn)定流場，促進納米ニ氧化硅微粒在氫氧火焰中快速、 均勻、有效地沉積在石英基礎(chǔ)桿6上而不會隨煙氣飄散。此外，為提高ニ氧化硅疏松體4的沉積速率，可在石英基礎(chǔ)桿6底端面下部均勻布排2-6個氫氧火焰燃燒器2 (圖3所示的氣相沉積合成爐具有兩個燃燒器2)，并依據(jù)爐體8 的大小和生產(chǎn)能力確定氫氧火焰燃燒器2的數(shù)量，可設(shè)置所有氫氧火焰燃燒器2同時加料， 或部分加料和部分輔助加熱的方式，以提高ニ氧化硅疏松體4的沉積速率，提高生產(chǎn)效率。以下以ー實施例描述具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例間接法制備石英玻璃本發(fā)明使用氣相沉積合成爐合成ニ氧化硅疏松體及在真空電阻爐中將其玻璃化制備石英玻璃。I)四氯化硅原料氣的獲得先用壓料氣體(高純氮氣、高純氦氣和高純氬氣中的至少ー種，本實施例中的壓料氣體為高純氮氣，純度達99. 999%以上)將四氯化硅原料罐中的高純四氯化硅原料液(純度達99. 9999%以上)導(dǎo)入四氯化硅鼓泡瓶中，由于四氯化硅原料液的沸點為57. 6°C，調(diào)節(jié)鼓泡瓶的溫度為48°C (40-50°C均可)，載料氣體流經(jīng)凈化干燥器(濃硫酸脫水干燥)去除水蒸氣和雜質(zhì)，浄化后的載料氣體經(jīng)緩沖瓶進入鼓泡瓶進行鼓泡，并調(diào)節(jié)其流量為2. OL/min，霧化后的四氯化硅蒸汽由載料氣體(載料氣體為高純氧氣、高純氫氣、高純氮氣、高純氦氣和高純氬氣中的一種氣體或幾種氣體的混合,本實施例中的載料氣體為高純氮氣，純度達99. 9999%以上)攜帯進入氣化瓶中，攜帯出的四氯化硅流量為1500g/h (1000g/h-2000g/h均可)，調(diào)節(jié)氣化瓶溫度為100°C (70°C以上均可)，由氣化后的四氯化硅氣體與載料氣體組成的混合氣體為四氯化硅原料氣。2)從氫氧火焰燃燒器2 (此例使用I個燃燒器)的中心料管ロ通入四氯化硅原料氣，保持燃燒器2中氫氣流量和氧氣流量分別為200L/min(100L/min-300L/min均可)和 90L/min(45L/min-135L/min均可)進行燃燒，氫氧火焰溫度為1000°C (600-1200°C均可)， 四氯化硅原料氣在氫氧火焰中反應(yīng)，四氯化硅水解或氧化生成納米ニ氧化硅微粒3，納米ニ 氧化硅微粒3沉積在垂直的邊旋轉(zhuǎn)邊提升的800°C (600-1200°C均可)石英基礎(chǔ)桿6底端面上，轉(zhuǎn)速20r/min (5-60r/min均可),提升速度為25mm/h (5-50mm/h均可);沉積速率控制在500-2000g/h，經(jīng)4小時形成直徑為190mm、高度為IOOmm的圓柱形ニ氧化硅疏松體4。3)將ニ氧化硅疏松4體置于真空電阻爐中，從100°C以10°C /min的升溫速率升溫，并保持爐內(nèi)真空度為200Pa(0. 01-500Pa均可)，升溫至1000-1200°C時完成疏松體的脫水過程；升溫至1600°C (1400-1600°C均可)時保溫I小時(0_10小時均可)，完成疏松體的脫氣與玻璃化過程；隨后通入惰性氣體(惰性氣體為高純氦氣、高純氬氣和高純氮氣中的一種氣體或幾種氣體的混合，本實施例中使用高純氮氣，純度達99. 999%以上)，保持爐內(nèi)壓力為3MPa(0. I-IOMpa均可)，并接著停爐冷卻，得到石英玻璃。經(jīng)檢測，本實施例氣相沉積合成圓柱形二氧化硅疏松體的沉積速率和沉積效率分別為320g/h和60%，疏松體中納米二氧化硅微粒的平均粒徑為55nm，其表面形貌如圖4所示，微粒呈現(xiàn)圓球形，而且微粒間有的彼此點接觸，有的彼此分開，形成孔隙較多的開放網(wǎng)絡(luò)。該二氧化硅疏松體通過脫水、脫氣和玻璃化處理后得到直徑為90mm(按要求直徑可在 50-200mm范圍變化)、高度為55mm的圓柱形透明石英玻璃體，玻璃體質(zhì)地均一，不含氣泡。 用該石英玻璃進行如下性能測試(一 )石英玻璃的純度測試方法石墨爐原子吸收光譜和原子發(fā)射光譜法，采用GB/T3284-1993標(biāo)準。結(jié)果如表I所示表I本發(fā)明石英玻璃的純度測試結(jié)果
元素雜質(zhì)含量(ppm)元素雜質(zhì)含量(ppm)鋁O. 30鐵O. 15鈣O. 19銅O. 09鎂O. 10鈷O. 01鈦O. 01線O. 01鈉O. 03鋰O. 01鉀O. 02硼O. 01采用X熒光光譜分析儀檢測石英玻璃中的氯含量，未檢測到氯元素的存在，即低于X熒光光譜分析儀檢測極限(其檢測極限為IOppm)。用同樣的檢測方法，檢測CVD法得到的III類合成石英玻璃和PCVD法得到的IV類合成石英玻璃中氯含量分別為40-100ppm 和 200_320ppm。從上述純度測試分析可看到，本發(fā)明間接合成法制造的新型石英玻璃中12種常見金屬雜質(zhì)與硼雜質(zhì)的總含量為O. 93ppm,低于Ippm,氯含量低于檢測極限。(二)石英玻璃的光學(xué)性能測試測試樣品雙面拋光石英玻璃(Φ60Χ IOmm)。測試儀器紫外-可見-近紅外分光光度計(200-3200nm)，工作條件為 200C ±5°C，采用 GB/T 12442-1990 標(biāo)準。測試結(jié)果如圖5所示，圖5為間接合成法制造的石英玻璃光譜透過率曲線，可以看出，本發(fā)明的石英玻璃樣品在200-3200nm波段處透過率均超過80 %，僅在2730nm波段處有一個很小的吸收峰，說明該樣品中存在少量的羥基。石英玻璃中羥基含量的國家標(biāo)準計算公式如下C = 96.5 丄式中C-試樣的羥基質(zhì)量含量(10_6，ppm)；d——試樣的厚度(cm)；I0——2730nm處基線到零線的距離(mm)；I-2730nm處吸收峰到零線的距離(mm)。根據(jù)羥基含量計算公式計算，本發(fā)明間接合成法制造的新型石英玻璃樣品中羥基含量約為lOppm，而用同一公式計算，I類石英玻璃羥基含量為30-100ppm，II類石英玻璃羥基含量為180-250ppm，III類合成石英玻璃羥基含量在IOOOppm以上，IV類合成石英玻璃羥基含量約為5ppm。綜上，間接合成法制造的新型石英玻璃有害金屬雜質(zhì)含量、羥基含量與IV類合成石英玻璃的相當(dāng)，有害氯含量則低很多，而且制造成本較PCVD法制造IV類合成石英玻璃要低好幾倍。以上通過實施例產(chǎn)品說明，用本發(fā)明方法制造的新型石英玻璃的金屬雜質(zhì)含量、 羥基含量及氯含量均較低，因此在全光譜透過率方面均較高，可滿足精密光學(xué)、激光技術(shù)和半導(dǎo)體光刻技術(shù)等高新技術(shù)領(lǐng)域的使用要求。此外，由于高純四氯化硅原料低廉易得，ニ 氧化硅疏松體沉積溫度低、沉積速率高，其脫水、脫氣及玻璃化過程處理溫度也較低，使得其制造成本較低，能夠?qū)崿F(xiàn)高效低能制造較普通石英玻璃更具優(yōu)越物化性能的新型石英玻璃。在本發(fā)明石英玻璃的制備方法中，可以采用多燃燒器布排結(jié)構(gòu)，其沉積效率可達 500-2000g/h，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。在采用兩個燃燒器同時加料的實施例中，氣相沉積合成圓柱形ニ氧化硅疏松體的沉積速率為540g/h，遠遠大于直接法中的化學(xué)氣相沉積エ藝(CVD法)制造III類合成石英玻璃和等離子化學(xué)氣相沉積エ藝(PCVD法) 制造IV類合成石英玻璃的沉積速率。
權(quán)利要求
1.一種間接合成石英玻璃的方法，包括以下步驟1)將四氯化硅原料氣在600-1200°C的氫氧火焰中反應(yīng)，使四氯化硅水解或氧化生成納米二氧化硅微粒，納米二氧化硅微粒再經(jīng)沉積形成二氧化硅疏松體；2)將二氧化硅疏松體在100-1600°C和0.01-500Pa真空度下經(jīng)脫水、脫氣及玻璃化后，得到石英玻璃。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的間接合成石英玻璃的方法，其特征在于所述步驟I)中四氯化硅原料氣由四氯化硅蒸汽與載料氣體組成，所述四氯化硅蒸汽的純度達99. 9999%以上， 所述載料氣體為聞純氧氣、聞純氧氣、聞純氣氣、聞純気氣和聞純IS氣中的一種氣體或幾種氣體的混合，所述載料氣體對氣化四氯化硅的載氣量為1000-2000g/h ;所述氫氧火焰中氫氣流量為100-300L/min，氧氣流量為45_135L/min ;沉積速率為500-2000g/h。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的間接合成石英玻璃的方法，其特征在于所述四氯化硅原料氣的獲得方法為先用高純氮氣、高純氦氣和高純氬氣中的至少一種作為壓料氣體將四氯化硅原料罐中的純度達99. 9999%以上的高純四氯化硅原料液導(dǎo)入四氯化硅鼓泡瓶中，調(diào)節(jié)鼓泡瓶的溫度為40-50°C，載料氣體流經(jīng)凈化干燥器去除水蒸氣和雜質(zhì)，凈化后的載料氣體經(jīng)緩沖瓶進入鼓泡瓶進行鼓泡，霧化后的四氯化硅蒸汽由載料氣體攜帶進入氣化瓶中，攜帶出的四氯化硅流量為1000-2000g/h，調(diào)節(jié)氣化瓶溫度在70°C以上，由氣化后的四氯化硅氣體與載料氣體組成的混合氣體為四氯化硅原料氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的間接合成石英玻璃的方法，其特征在于所述步驟2) 中將二氧化硅疏松體在真空電阻爐中以5-15°C /min的升溫速率升溫，升溫至1400_1600°C 時保溫0-10小時，通入惰性氣體，保持爐內(nèi)壓力為0. I-IOMPa,隨后停爐冷卻，得到石英玻璃；所述惰性氣體為高純氦氣、高純氬氣和高純氮氣中的至少一種。
5.由權(quán)利要求I至4任一所述方法制備得到的石英玻璃，其特征在于，所述石英玻璃具有以下特性200-3200nm全光譜透過率超過80 %，金屬雜質(zhì)與硼雜質(zhì)的總含量低于lppm， 氯元素含量低于IOppm,且輕基含量在IOppm以內(nèi)。
6.一種用于間接合成石英玻璃的氣相沉積合成爐，包括以下組件1)封閉式爐體及用于支撐爐體的支撐架；2)保溫爐膛，設(shè)于爐體內(nèi)部；3)氫氧火焰燃燒器，設(shè)置于爐體的斜下部且燃燒器中心料管出口端伸入保溫爐膛開口向上，且設(shè)有氫氣、氧氣和四氯化娃原料氣的進氣口 ；4)石英基礎(chǔ)桿，從爐體頂部垂直延伸入爐體內(nèi)腔保溫爐膛內(nèi)，位于氫氧火焰燃燒器的中心料管出口端上，石英基礎(chǔ)桿的底端面與氫氧火焰燃燒器出口端相對；5)煙囪，設(shè)置于爐體頂部或爐體一側(cè)，煙囪的煙道入口高于石英基礎(chǔ)桿的底端面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氣相沉積合成爐，其特征在于，所述氫氧火焰燃燒器的數(shù)量為1-6個，所述氫氧火焰燃燒器與石英基礎(chǔ)桿中心延長線的夾角為0-90°，氫氧火焰燃燒器中心下料管出口端到石英基礎(chǔ)桿底端的垂直距離為5-300mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的氣相沉積合成爐，其特征在于，所述石英基礎(chǔ)桿的材質(zhì)為石英玻璃，其底端面為平面或圓球形或橢圓形，垂直卡位安裝在帶自動升降和旋轉(zhuǎn)的車床上。
9.一種用權(quán)利要求6-8任一項所述的氣相沉積合成爐實施權(quán)利要求I所述步驟I)的方法，四氯化硅原料氣通入氫氧火焰燃燒器中在其中心料管出口端產(chǎn)生的600-1200°C的氫氧火焰中反應(yīng)，所生成的納米二氧化硅微粒沉積在垂直的邊旋轉(zhuǎn)邊提升的石英基礎(chǔ)桿底端面上形成二氧化硅疏松體，沉積速率500-2000g/h。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于隨著納米二氧化硅微粒在石英基礎(chǔ)桿底端面不斷沉積形成沉積面，提升石英基礎(chǔ)桿保持該沉積面與所述氫氧火焰燃燒器中心料管出口端的距離始終一致。
全文摘要
本發(fā)明一種間接合成石英玻璃的方法及其專用設(shè)備以及一種石英玻璃，屬于玻璃制造領(lǐng)域。該方法包括1)將四氯化硅原料氣在600-1200℃的氫氧火焰中反應(yīng)，使四氯化硅水解或氧化生成納米二氧化硅微粒，納米二氧化硅微粒再經(jīng)沉積形成二氧化硅疏松體；2)將二氧化硅疏松體在100-1600℃和0.01-500Pa真空度下經(jīng)脫水、脫氣及玻璃化后，得到石英玻璃。本方法沉積速率可達500-2000g/h，得到石英玻璃具有以下優(yōu)良特性200-3200nm全光譜(紫外-可見-紅外波段)透過率較高，金屬雜質(zhì)含量小于5ppm，羥基含量可控制在20ppm以內(nèi)，直徑可達50-200mm，能夠應(yīng)用于精密光學(xué)、半導(dǎo)體光刻技術(shù)和激光技術(shù)等高新技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。
文檔編號C03B20/00GK102583977SQ20121005363
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月2日
發(fā)明者向在奎, 宋學(xué)富, 王玉芬, 聶蘭艦, 隋梅 申請人:中國建筑材料科學(xué)研究總院