一種石英玻璃板的制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發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；用高頻等離子發生器，通過感應線圈耦合燈具，使燈具內的氣體電離產生等離子體，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，在火焰內部高溫作用下發生氧化反應生成SiO2；反應生成的SiO2分子在等離子體火焰內部成核并碰撞團聚，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
技術領域
[0001 ]本發明涉及石英玻璃生產技術領域，具體涉及一種石英玻璃板的制備工藝。
【背景技術】
[0002] 石英玻璃由于結構緊密以及原子間很高的鍵強，因而具有低的熱膨脹系數、電導 率和優異的抗熱沖擊、抗腐蝕以及光譜透過性能。優良的綜合性能已成為它應用在高技術 領域的基礎，被廣泛應用于光學、光電子器件和微波介電材料。隨著空間技術的不斷發展， 對石英玻璃的性能提出了更高的要求，普通化學氣相沉積(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氣相沉積(PCVD)技術被廣泛應用于 光導纖維、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。

【發明內容】

[0003] 針對以上問題，本發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 學氣相沉積技術制備無宏觀氣泡的超純石英玻璃，通過對化學反應、質量輸送、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、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】中的問題。
[0004] 為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下: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) 化學反應階段:用高頻等離子發生器，通過感應線圈耦合燈具，使燈具內的氣體電 離產生等離子體，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，在火焰內部高溫作用下發生氧化反應生成Si02; (3 )質量傳輸階段:反應生成的Si 〇2分子在等尚子體火焰內部成核并碰撞團聚，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] 作為本發明一種優選的技術方案，所述步驟(1)化學反應階段的化學反應式為： SiCl4+〇2=Si〇2+2Cl 2〇
[0007] 作為本發明一種優選的技術方案，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] 作為本發明一種優選的技術方案，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； (7b)冷卻后，裁切得到成品。
[0009]作為本發明一種優選的技術方案，所述玻璃板的厚度為8-50mm。
[0010]作為本發明一種優選的技術方案，所述玻璃板的寬度為30mm以上。
[0011]作為本發明一種優選的技術方案，所述的玻璃液的動力粘度在l〇6poiSe以下。 [0012]本發明的有益效果： 本發明采用高頻等離子體化學氣相沉積技術制備無宏觀氣泡的超純石英玻璃，通過對 化學反應、質量輸送、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、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] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明 進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于 限定本發明。 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;其化學反應式為： SiCl4+〇2=Si〇2+2Cl2〇
[0015] (2)化學反應階段：用高頻等離子發生器，通過感應線圈耦合燈具，使燈具內的氣 體電離產生等離子體，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，在火焰內部高溫作用下發生氧化反應生成Si〇2; (3) 質量傳輸階段:反應生成的Si02分子在等離子體火焰內部成核并碰撞團聚，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；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遠大于Ta，即SiC14與氧氣反應所需時間遠小于SiC14輸運時間，故可認為 SiC14與氧氣一進入火焰就完成化學反應生成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] 本發明由氧化反應熱力學數據，計算不同溫度下的反應平衡常數，列于下表。
[0020] 由計算結果可知，體系的平衡常數很大，可認為SiC14的氧化反應將全部完成。
[0021] 基于上述，本發明的優點在于，本發明采用高頻等離子體化學氣相沉積技術制備 無宏觀氣泡的超純石英玻璃，通過對化學反應、質量輸送、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、物理機理的分析，可達到全光譜通過的要求。
[0022] 以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
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) 化學反應階段：用高頻等離子發生器，通過感應線圈耦合燈具，使燈具內的氣體電 離產生等離子體，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，在火焰內部高溫作用下發生氧化反應生成Si〇2; (3) 質量傳輸階段:反應生成的Si02分子在等離子體火焰內部成核并碰撞團聚，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. 根據權利要求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 反應階段的化學反應式為： SiCl4+〇2=Si〇2+2Cl2〇3. 根據權利要求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. 根據權利要求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； (7b )冷卻后，裁切得到成品。5. 根據權利要求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. 根據權利要求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. 根據權利要求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
【發明人】施庭樟
【申請人】施庭樟