制造透明或不透明熔融二氧化硅的涂覆部件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及制造由透明或不透明烙融二氧化娃構(gòu)成的涂覆部件的方法，所述方法 包括下列步驟： a) 提供包含涂布表面的透明或不透明烙融二氧化娃基底； b) 將Si化顆粒層施加到所述涂布表面上，所述顆粒層含有她鄰所述涂布表面并具有 第一細(xì)粒分?jǐn)?shù)的內(nèi)部和她鄰顆粒層的自由表面并具有第二細(xì)粒分?jǐn)?shù)的外部，第二細(xì)粒分?jǐn)?shù) 高于第一細(xì)粒分?jǐn)?shù)； C)燒結(jié)所述顆粒層W形成Si化表面層。
【背景技術(shù)】
[0002] 未慘雜或慘雜的透明烙融二氧化娃或不透明烙融二氧化娃的部件用于需要高耐 化學(xué)性和耐熱性或光學(xué)透明性的許多用途。術(shù)語(yǔ)"石英玻璃"在下文中也用作不透明烙融二 氧化娃的通用術(shù)語(yǔ)。在此給出下列實(shí)例；包殼管、燈泡、蓋板、光學(xué)器件的反射襯底、化學(xué)工 藝工程和裝置建設(shè)中的石英玻璃反應(yīng)器、裝置或巧巧、半導(dǎo)體制造中的承載巧盤(pán)、廣口瓶、 巧巧或防護(hù)屏。
[0003] 為了優(yōu)化機(jī)械、光學(xué)或化學(xué)表面特性，W前制造的石英玻璃部件可W完全或部分 帶有適合特定預(yù)期用途的功能層。已知的表面改性包括用具有提高的軟化溫度的材料涂布 W改進(jìn)溫度穩(wěn)定性或耐化學(xué)性，或用高純材料涂布W降低由該部件造成的污染風(fēng)險(xiǎn)。
[0004] 在石英玻璃部件暴露在高熱負(fù)荷和化學(xué)侵蝕性環(huán)境下的用途中，光滑無(wú)缺陷的表 面通常非常重要。原因在于幾乎沒(méi)有氣泡的致密表面層改進(jìn)耐蝕刻性和耐腐蝕性。
[0005] 例如，用于生產(chǎn)娃的不透明烙融二氧化娃巧巧壁或如用于根據(jù)所謂的柴氏 (Czoc虹alski)法提拉單晶的不透明石英玻璃巧巧的與娃烙體接觸的內(nèi)壁承受高機(jī)械、化 學(xué)和熱負(fù)荷。因此，為了降低娃烙體的腐蝕作用和盡可能少地隨之從巧巧壁中釋放雜質(zhì)，在 原本不透明的壁上制造致密透明的石英玻璃內(nèi)層。
[0006] 在最簡(jiǎn)單的情況下，通過(guò)"火焰拋光"使表面平滑和致密。在此借助等離子體或氨 氧焰將多孔壁局部加熱至165(TC至220(TC的高溫，W使不透明多孔基料在近表面區(qū)域轉(zhuǎn) 化成透明石英玻璃。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由此只能獲得非常薄的透明層。原因在于玻璃化的透 明表面層充當(dāng)絕熱體W致難W充分加熱仍不透明的下方部分。用相當(dāng)高的火焰溫度加工常 常導(dǎo)致塑性變形和蒸發(fā)氣態(tài)一氧化娃（SiO)。
[0007] 可通過(guò)提供具有較低粘度或較高燒結(jié)活性的要熱致密化的近表面組成部分來(lái)促 進(jìn)致密燒結(jié)。例如在DE 10 2008 030 310 A1中提出該一提議，其也公開(kāi)了上述類(lèi)型的方 法。石英玻璃巧巧在此由幾個(gè)Si〇2顆粒層構(gòu)成，它們的平均粒度依次遞減。首先在機(jī)械固 結(jié)的粗粒石英砂的巧巧狀顆粒層上形成具有50微米至120微米粒度的合成石英玻璃顆粒 層，再在其上形成具有大約15微米平均粒度的球形合成Si〇2細(xì)粒的最內(nèi)SiO 2顆粒層。該 些顆粒層隨后借助電弧從內(nèi)向外燒結(jié)，其中最內(nèi)顆粒層的微細(xì)石英玻璃粉首先烙融并由此 形成致密玻璃層。它的高燒結(jié)活性的作用是，可W在較低溫度下用短加熱持續(xù)時(shí)間獲得沒(méi) 有局部不均勻和氣泡的足夠厚和特別均勻的玻璃質(zhì)內(nèi)層。
[0008] 但是，該透明內(nèi)層的制造復(fù)雜，因?yàn)槠湫枰褂眯再|(zhì)和成層特征不同的不同Si化 顆粒的多個(gè)涂布步驟。例如，最內(nèi)層的合成Si化顆粒的高燒結(jié)活性歸因于它的小粒度和高 比表面積。但是，另一方面，該些特征使得在標(biāo)準(zhǔn)工藝條件下的操作更困難。例如，在電弧 壓力的作用下W及由氣流和熱對(duì)流容易吹散微細(xì)顆粒，W致難W制造厚度均勻的顆粒層。
[0009] 本身在層的制造中借助標(biāo)準(zhǔn)漿料德鑄法避免該一缺點(diǎn)，其中將微細(xì)Si化粉末吸收 在分散液中并由此更容易操作。
[0010] 例如，DE 2004 051 846 A1描述了帶有反射層的石英玻璃部件的制造，其中該反 射層也由石英玻璃構(gòu)成并借助漿料德鑄法制造。制造含有無(wú)定形Si化粒子的高填充可德 鑄含水漿料。通過(guò)濕磨Si〇2顆粒制造該無(wú)定形SiO 2粒子并具有1微米至50微米的平均粒 度。在要涂布的石英玻璃基體的表面上，通過(guò)噴涂、靜電輔助噴涂、流涂、旋涂、浸涂或分散 涂布施加該漿料層。將該漿料層干燥成生逐層并隨后燒結(jié)成由不透明石英玻璃構(gòu)成的反射 層。
[0011] 在根據(jù)DE 10 2006 046 619 A1的該種方法的改進(jìn)中，通過(guò)添加Si化納米粒子改 變Si〇2漿料的流動(dòng)行為W實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的鋪展性。如果SiO 2納米粒子在總固含量中的重量分 數(shù)為0. 2重量％至15重量％，則實(shí)現(xiàn)Si〇2漿料的相當(dāng)結(jié)構(gòu)粘性-觸變性流動(dòng)行為，該防止 從弧形表面流走。
[0012] 在W0 2011/042262 A2中也選擇類(lèi)似的途徑。為了通過(guò)在其上簡(jiǎn)單噴涂漿料層而 在基體上可再現(xiàn)地制造石英玻璃的表面層，提出含有裂片狀Si化顆粒、非晶球形Si〇2粒子、 Si化納米粒子和非離子型無(wú)堿表面活性劑的復(fù)合漿料。球形粒子的量越高，可W在漿料層 中設(shè)定越高的固體密度，該防止在干燥和燒結(jié)過(guò)程中生成應(yīng)力。但是，可噴涂性需要74至 78重量％的相對(duì)較低的固含量。表面活性劑降低表面張力，由此提高該漿料在低剪切應(yīng)力 下的粘度。
[0013] S. M. Olhero 等人，"Particle Segregation phenomena occurring during the slip casting process", CERAMICS INTERNATIONAL Vol. 28，No. 4，2002年 1月 1 日， 377-386致力于解決使用包括5至15重量％的重量分?jǐn)?shù)的Si〇2納米粒子的含SiO 2粒子的 漿料制成的粉漿德鑄部件的偏析現(xiàn)象。偏析通常被認(rèn)為有害，因?yàn)槠洚a(chǎn)生機(jī)械脆弱的生逐。 據(jù)報(bào)道，偏析由兩種機(jī)理造成，一種是重力，另一種是所謂的"結(jié)塊（clogging the cake)"， 該與Si化納米粒子的結(jié)塊傾向有關(guān)。其中的主導(dǎo)機(jī)制取決于許多因素，尤其取決于漿料中 的固含量(該為40至50體積％不等）和粒度分布。
[0014] DE 10 2006 032 687 A1描述了用于制造由技術(shù)陶瓷制成的丸粒的壓鑄法。使用 含有具有10至30微米粒度的陶瓷材料粒子的漿料。此外，該漿料含有由相同技術(shù)陶瓷制 成的納米粒子，所述納米粒子具有50至300納米的粒度。在壓鑄過(guò)程中，納米粒子轉(zhuǎn)移至 模制品表面并積聚在此。因此，該模制品在其表面附近表現(xiàn)出提高的密度，W致在脫模過(guò)程 中壓向模制品的水無(wú)法滲入表面。由此避免損害生逐。
[0015] 但是，根據(jù)施加技術(shù)和該部件的涂布表面的表面性質(zhì)，在燒結(jié)后可能獲得多孔表 面，尤其是在涂布表面本身已多孔的情況下。為獲得足夠厚的透明玻璃化層和致密層，需要 高燒結(jié)溫度，該傾向于產(chǎn)生粗趟不平的表面。
[0016] 但是，通過(guò)在漿料中更大程度加載Si化納米粒子來(lái)提高由此制成的漿料層的燒結(jié) 活性具有限制。該漿料的流動(dòng)特性在此不可接受地發(fā)生變化。此外，在Si〇2納米粒子的高 含量下，由于干燥和燒結(jié)過(guò)程中的收縮提高，產(chǎn)生越來(lái)越多的收縮裂紋。
[0017] 因此，根據(jù)上述制造方法施加多個(gè)漿料層W相繼制造燒結(jié)活性越來(lái)越高的顆粒層 也需要大致相同的努力。
[0018] 另一方面，漿料德鑄法，特別是漿料層的噴涂能夠比較便宜地制造層。噴涂的漿料 層還W層厚度中特別均勻的粒度分布為特征。因此最好在石英玻璃上的致密層制造中將其 缺陷減至最少。
[0019] 通常，需要盡可能無(wú)缺陷的漿料層。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在于該層在重力作用下不流欄。漿 料層的該一性質(zhì)在實(shí)踐中被稱作"承載能力（carrying capacity)";或稱作"層承載"。要 通過(guò)噴涂加工的漿料必須稀。但是，為了賦予液體漿料層承載能力，必須使層厚度比較小。
[0020] 因此本發(fā)明的目的是提供在石英玻璃部件的涂布表面上制造光滑致密表面層的 方法，其可W W較低成本和在層厚度大于100微米的情況下，尤其在涂布表面本身多孔的 情況下W可再現(xiàn)的方式制造。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021] 從上述方法出發(fā)，根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)該一目的，其中根據(jù)方法步驟化）施加Si化顆 粒層包括： (I) 提供含有分散液和無(wú)定形Si化粒子的分散體，所述無(wú)定形SiO 2粒子形成粒度為1 微米至50微米的粗粒級(jí)和具有小于100納米的粒度的Si化納米粒子細(xì)粒級(jí)，其中所述分 散體的固含量為70至80重量％，其中2重量％至15重量％是Si化納米粒子， (II) 通過(guò)德鑄或噴射將所述分散體施加到涂布表面上W形成具有至少0. 3毫米的層 厚度的漿料層；和 (III) 通過(guò)W-定速率和方向除去分散液，干燥所述漿料層，所述速率和方向使得在 除去分散液的作用下，細(xì)粒級(jí)富集在所述顆粒層的外部，由此形成鑄件表皮。
[0022] 干燥的漿料層在下文中也被稱作"生逐層"。其構(gòu)成本發(fā)明意義內(nèi)的"顆粒層"，該 層需要通過(guò)燒結(jié)熱致密化W形成致密表面層。燒結(jié)能力極大取決于近表面區(qū)域中的漿料層 的組成。Si化納米粒子的量在此是決定性的。高量導(dǎo)致提高的燒結(jié)活性，該允許