一種石英玻璃板的制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種石英玻璃板的制備工藝，其步驟為：選取SiCl4作為原料；用高頻等離子發(fā)生器，通過感應(yīng)線圈耦合燈具，使燈具內(nèi)的氣體電離產(chǎn)生等離子體，利用等離子體火焰對石英基體加熱，SiCl4氣體分子由載流氣體攜帶通過加料管噴射進入等離子火焰，在火焰內(nèi)部高溫作用下發(fā)生氧化反應(yīng)生成SiO2；反應(yīng)生成的SiO2分子在等離子體火焰內(nèi)部成核并碰撞團聚，形成較大顆粒；團聚的SiO2微粒在等離子體火焰內(nèi)隨高溫的火焰氣流到達邊界層，SiO2微粒穿越邊界層抵達石英基體表面；穿過邊界層的SiO2微粒沉積在石英基體表面，形成沉積層；沉積在石英基體表面的SiO2微粒在等離子火焰加熱作用下熔融形成石英玻璃液；采用PCVD技術(shù)制備無宏觀氣泡的超純石英玻璃，可達到全光譜通過的要求。
【專利說明】
一種石英玻璃板的制備工藝
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及石英玻璃生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種石英玻璃板的制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 石英玻璃由于結(jié)構(gòu)緊密以及原子間很高的鍵強，因而具有低的熱膨脹系數(shù)、電導(dǎo) 率和優(yōu)異的抗熱沖擊、抗腐蝕以及光譜透過性能。優(yōu)良的綜合性能已成為它應(yīng)用在高技術(shù) 領(lǐng)域的基礎(chǔ)，被廣泛應(yīng)用于光學(xué)、光電子器件和微波介電材料。隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展， 對石英玻璃的性能提出了更高的要求，普通化學(xué)氣相沉積(CVD)方法制備的石英玻璃由于 含有大量羥基已不能滿足要求。近來高頻等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于 光導(dǎo)纖維、納米材料、薄膜的制備和材料的熱處理，其潔凈的熱源保證了材料的純度，避免 了二次污染，但用等離子火焰氣相沉積法合成石英玻璃的研究在我國很少報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對以上問題，本發(fā)明提供了一種石英玻璃板的制備工藝，采用高頻等離子體化 學(xué)氣相沉積技術(shù)制備無宏觀氣泡的超純石英玻璃，通過對化學(xué)反應(yīng)、質(zhì)量輸送、穿越邊界 層、微粒沉積和玻璃熔融及氣體解吸5個階段的化學(xué)、物理機理的分析，可達到全光譜通過 的要求，可以有效解決【背景技術(shù)】中的問題。
[0004] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:一種石英玻璃板的制備工藝，包 括如下步驟： (1) 選取原料:選取SiCl4作為原料； (2) 化學(xué)反應(yīng)階段:用高頻等離子發(fā)生器，通過感應(yīng)線圈耦合燈具，使燈具內(nèi)的氣體電 離產(chǎn)生等離子體，利用等離子體火焰對石英基體加熱，SiCl 4氣體分子由載流氣體攜帶通過 加料管噴射進入等離子火焰，在火焰內(nèi)部高溫作用下發(fā)生氧化反應(yīng)生成Si02; (3 )質(zhì)量傳輸階段:反應(yīng)生成的Si 〇2分子在等尚子體火焰內(nèi)部成核并碰撞團聚，形成較 大顆粒； (4) 穿越邊界層：團聚的Si02微粒在等離子體火焰內(nèi)隨高溫的火焰氣流到達邊界層， Si〇2微粒穿越邊界層抵達石英基體表面； (5) 沉積階段:穿過邊界層的Si02微粒沉積在石英基體表面，形成沉積層； (6) 熔融及氣體解吸階段:沉積在石英基體表面的Si02微粒在等離子火焰加熱作用下 熔融形成石英玻璃液。
[0005] (7)成型。
[0006] 作為本發(fā)明一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟(1)化學(xué)反應(yīng)階段的化學(xué)反應(yīng)式為： SiCl4+〇2=Si〇2+2Cl 2〇
[0007] 作為本發(fā)明一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟(6)中，熔融形成石英玻璃液后，同時 解吸出包裹Si〇2微粒的氣體以及基體表面的氣體。
[0008] 作為本發(fā)明一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述步驟(7)的成型方法包括如下步驟： (7a)將石英玻璃液注入模具腔體內(nèi)； (7b)冷卻后，裁切得到成品。
[0009]作為本發(fā)明一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述玻璃板的厚度為8-50mm。
[0010]作為本發(fā)明一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述玻璃板的寬度為30mm以上。
[0011]作為本發(fā)明一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的玻璃液的動力粘度在l〇6poiSe以下。 [0012]本發(fā)明的有益效果： 本發(fā)明采用高頻等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備無宏觀氣泡的超純石英玻璃，通過對 化學(xué)反應(yīng)、質(zhì)量輸送、穿越邊界層、微粒沉積和玻璃熔融及氣體解吸5個階段的化學(xué)、物理機 理的分析，可達到全光譜通過的要求。
【具體實施方式】
[0013] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明 進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于 限定本發(fā)明。 實施例
[0014] -種石英玻璃板的制備工藝，包括如下步驟： (1)選取原料:選取SiCl4作為原料;其化學(xué)反應(yīng)式為： SiCl4+〇2=Si〇2+2Cl2〇
[0015] (2)化學(xué)反應(yīng)階段：用高頻等離子發(fā)生器，通過感應(yīng)線圈耦合燈具，使燈具內(nèi)的氣 體電離產(chǎn)生等離子體，利用等離子體火焰對石英基體加熱，SiCl4氣體分子由載流氣體攜帶 通過加料管噴射進入等離子火焰，在火焰內(nèi)部高溫作用下發(fā)生氧化反應(yīng)生成Si〇2; (3) 質(zhì)量傳輸階段:反應(yīng)生成的Si02分子在等離子體火焰內(nèi)部成核并碰撞團聚，形成較 大顆粒； (4) 穿越邊界層：團聚的Si02微粒在等離子體火焰內(nèi)隨高溫的火焰氣流到達邊界層， Si〇2微粒穿越邊界層抵達石英基體表面； (5) 沉積階段:穿過邊界層的Si02微粒沉積在石英基體表面，形成沉積層； (6) 熔融及氣體解吸階段:沉積在石英基體表面的Si02微粒在等離子火焰加熱作用下 熔融形成石英玻璃液，所述的玻璃液的動力粘度在106poi Se以下，熔融形成石英玻璃液后， 同時解吸出包裹Si02微粒的氣體以及基體表面的氣體。
[0016] (7)成型:將石英玻璃液注入模具腔體內(nèi)；冷卻后，裁切得到成品，所述玻璃板的厚 度為8-50mm，所述玻璃板的寬度為30mm以上。
[0017]本發(fā)明中載料氧與SiC14的混合氣體在下料管口出口處速度為2.2m/s，小于等離 子體火焰速度5.83m/s。氧氣與SiC14混合氣體從加料管口噴射進入等離子體火焰，由于其 速度小于火焰速度，進入火焰后與火焰混合，速度逐漸趨于一致，以火焰速度計算從燈具出 口到石英基體時間Tt，燈具出口距石英基體50mm，則Tt=0.0086s，火焰溫度以石英基底溫度 1800°C計算，則Tt遠(yuǎn)大于Ta，即SiC14與氧氣反應(yīng)所需時間遠(yuǎn)小于SiC14輸運時間，故可認(rèn)為 SiC14與氧氣一進入火焰就完成化學(xué)反應(yīng)生成Si02。
[0018]在石英基體表面，由于吸附作用形成邊界薄層，邊界層對Si02微粒造成壁皇，只有 穿越邊界層粒子才能被吸附。
[0019] 本發(fā)明由氧化反應(yīng)熱力學(xué)數(shù)據(jù)，計算不同溫度下的反應(yīng)平衡常數(shù)，列于下表。
[0020] 由計算結(jié)果可知，體系的平衡常數(shù)很大，可認(rèn)為SiC14的氧化反應(yīng)將全部完成。
[0021] 基于上述，本發(fā)明的優(yōu)點在于，本發(fā)明采用高頻等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備 無宏觀氣泡的超純石英玻璃，通過對化學(xué)反應(yīng)、質(zhì)量輸送、穿越邊界層、微粒沉積和玻璃熔 融及氣體解吸5個階段的化學(xué)、物理機理的分析，可達到全光譜通過的要求。
[0022] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種石英玻璃板的制備工藝，其特征在于，包括如下步驟： (1) 選取原料:選取SiCl4作為原料； (2) 化學(xué)反應(yīng)階段：用高頻等離子發(fā)生器，通過感應(yīng)線圈耦合燈具，使燈具內(nèi)的氣體電 離產(chǎn)生等離子體，利用等離子體火焰對石英基體加熱，SiCl 4氣體分子由載流氣體攜帶通過 加料管噴射進入等離子火焰，在火焰內(nèi)部高溫作用下發(fā)生氧化反應(yīng)生成Si〇2; (3) 質(zhì)量傳輸階段:反應(yīng)生成的Si02分子在等離子體火焰內(nèi)部成核并碰撞團聚，形成較 大顆粒； (4) 穿越邊界層：團聚的Si02微粒在等離子體火焰內(nèi)隨高溫的火焰氣流到達邊界層， Si〇2微粒穿越邊界層抵達石英基體表面； (5 )沉積階段:穿過邊界層的Si02微粒沉積在石英基體表面，形成沉積層； (6) 熔融及氣體解吸階段:沉積在石英基體表面的Si02微粒在等離子火焰加熱作用下熔 融形成石英玻璃液； (7) 成型。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石英玻璃板的制備工藝，其特征在于，所述步驟（1)化學(xué) 反應(yīng)階段的化學(xué)反應(yīng)式為： SiCl4+〇2=Si〇2+2Cl2〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石英玻璃板的制備工藝，其特征在于，所述步驟(6)中，熔 融形成石英玻璃液后，同時解吸出包裹Si0 2微粒的氣體以及基體表面的氣體。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石英玻璃板的制備工藝，其特征在于，所述步驟(7)的成 型方法包括如下步驟： (7a)將石英玻璃液注入模具腔體內(nèi)； (7b )冷卻后，裁切得到成品。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種石英玻璃板的制備工藝，其特征在于，所述玻璃板的厚度 為8_50mm〇6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種石英玻璃板的制備工藝，其特征在于，所述玻璃板的寬度 為30mm以上。7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種石英玻璃板的制備工藝，其特征在于，所述的玻璃液的動 力粘度在l〇6poise以下。
【文檔編號】C03B20/00GK105967499SQ201610309895
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月11日
【發(fā)明人】施庭樟
【申請人】施庭樟