[发明专利]一种间接合成石英玻璃的方法及其专用设备以及一种石英玻璃

说明书

技术领域

本发明涉及一种间接合成石英玻璃的方法及其专用设备。

背景技术

石英玻璃具有优越的物化性能，而被誉为“玻璃之王”，是国家战略性产业和支柱性产业发展中不可替代的基础性原材料，广泛应用于光纤制造、微电子、光电子、航空航天、核技术、激光技术、精密光学和电光源等高新技术领域。

目前，国内外主要采用“直接法”制造石英玻璃，是以天然水晶或高纯四氯化硅为原料，在高温真空电阻炉、高温氢氧火焰或高温等离子体火焰中发生物理及化学反应过程直接熔制为石英玻璃体。直接法制造石英玻璃的工艺与类型有：电熔工艺制造的I类石英玻璃、气炼工艺制造的II类石英玻璃、化学气相沉积工艺(CVD法)制造的III类合成石英玻璃以及等离子化学气相沉积工艺(PCVD法)制造的IV类合成石英玻璃。其中，电熔和气炼工艺均是以天然水晶为原料，该原料不仅纯度低，而且因其质量不稳定而难以控制产品质量。此外，天然水晶原料日趋枯竭，其储量已无法满足石英行业的需求。而CVD和PCVD法均是以高纯四氯化硅为原料，该原料不仅纯度高，而且低廉易得(多晶硅副产物四氯化硅经提纯而得)，但两者沉积速率和效率低，制造成本高，而且CVD法制造的III类石英玻璃羟基含量高达1000ppm，氯含量高达100ppm。PCVD法虽然羟基含量极低，但其氯含量大于200ppm，石英玻璃中羟基的存在严重影响了其在红外波段的光谱透过率，而氯元素的存在也降低了其深紫外波段的光谱透过性能和长期稳定性等。

间接合成法最早应用于石英光纤预制棒行业，而且目前该方法在光纤行业还一直沿用，并已成为光纤预制棒制造的重要方法之一。其是以高纯四氯化硅和四氯化锗等气态卤化物为原料，在氢氧焰或甲烷焰中反应生成二氧化硅和二氧化锗微粒并逐层沉积在边旋转边来回左右移动的靶棒上，形成疏松体，再将沉积好的疏松体进行烧结处理，除去残留水份，以便制得一根透明无水份的石英光纤预制棒芯棒。虽然石英光纤预制棒与石英玻璃的组成基本一致，但是由于应用环境不同，两者的性能要求差异较大，对其中的结构、纯度及光学均匀性等指标要求不同，因此两者的制造工艺有天壤之别，通常制造石英光纤预制棒的厂商不懂如何制造石英玻璃，而制造石英玻璃的厂商也同样不懂如何制造石英光纤预制棒，因此也就造成了目前两者互不往来的局面。

发明内容

为克服目前直接合成法熔制石英玻璃工艺中存在的沉积效率和沉积速率低、氯含量高和制造成本高的问题，本发明的目的是提供一种高效低能间接合成更具优越物化性能的新型石英玻璃的方法。

本发明所提供的间接合成石英玻璃的方法，包括以下步骤：

1)将四氯化硅原料气在600-1200℃的氢氧火焰中反应，使四氯化硅水解或氧化生成纳米二氧化硅微粒，纳米二氧化硅微粒再经沉积形成二氧化硅疏松体；

2)将二氧化硅疏松体在100-1600℃和0.01-500Pa真空度下经脱水、脱气及玻璃化后，得到石英玻璃。

其中：所述步骤1)中四氯化硅原料气由四氯化硅蒸汽与载料气体组成，所述四氯化硅蒸汽的纯度达99.9999％以上，所述载料气体为高纯氧气、高纯氢气、高纯氮气、高纯氦气和高纯氩气中的一种气体或几种气体的混合，所述载料气体对气化四氯化硅的载气量为1000-2000g/h；所述氢氧火焰中氢气流量为100-300L/min，氧气流量为45-135L/min；沉积速率为500-2000g/h。

所述四氯化硅原料气的获得方法为：先用高纯氮气、高纯氦气和高纯氩气中的至少一种作为压料气体将四氯化硅原料罐中的纯度达99.9999％以上的高纯四氯化硅原料液导入四氯化硅鼓泡瓶中，调节鼓泡瓶的温度为40-50℃，载料气体流经净化干燥器去除水蒸气和杂质，净化后的载料气体经缓冲瓶进入鼓泡瓶进行鼓泡，雾化后的四氯化硅蒸汽由载料气体携带进入气化瓶中，携带出的四氯化硅流量为1000-2000g/h，调节气化瓶温度在70℃以上，由气化后的四氯化硅气体与载料气体组成的混合气体为四氯化硅原料气。

所述步骤2)中将二氧化硅疏松体在真空电阻炉中以5-15℃/min的升温速率升温，升温至1400-1600℃时保温0-10小时，通入惰性气体，保持炉内压力为0.1-10MPa，随后停炉冷却，得到石英玻璃；所述惰性气体为高纯氦气、高纯氩气和高纯氮气中的至少一种。

本发明另一目的在于提供一种具优越物化性能的石英玻璃。

该石英玻璃由上述方法制备得到，具有以下特性：200-3200nm全光谱透过率超过80％，金属杂质与硼杂质的总含量低于1ppm，氯元素含量低于10ppm，且羟基含量在10ppm以内。