[发明专利]二氧化硅烟炱体的生产

说明书

在光纤和高品质光学材料的生产中，合成玻璃质二氧化硅的中空圆柱体的制造是一种很重要的众所周知的工艺。一种最广泛使用的技术是所谓的外部气相沉积（OVD）方法，其中在一个或多个以选定二氧化硅前体进料的燃烧器的火焰中生成二氧化硅烟炱，所述前体通常为气相形式，但有时候为气溶胶喷雾形式。通过氧化或水解使火焰中的前体转化成二氧化硅纳米颗粒流，将这种流引导到旋转基材或心轴，颗粒在其上集合形成多孔二氧化硅烟炱体。沉积过程完成时，并且在冷却之后，可以从基材移取这种烟炱体，随后可在含氯气氛中加热进行脱水或除去任何金属杂质。此后可在真空下或在氦气氛中烧结多孔二氧化硅体，得到无孔合成二氧化硅玻璃的中空圆柱体。对于可通过掺杂二氧化硅或其他方式来调节所溶解物质的含量从而以多种方式改进玻璃性质的具体应用，存在这种方法的多种变型。

心轴必须能支承烟炱体的重量，但其还必须能承受沉积过程中存在的环境条件，包括与气态反应产物和二氧化硅接触、局部沉积温度通常在600-1100℃范围内、非常高的火焰温度，不存在会使心轴强度降低或导致二氧化硅体发生不可接受的污染的机械故障或反应。要符合这些要求，通常使用重结晶氧化铝作为沉积心轴，确定还可使用某些其他耐氧化的耐高温陶瓷，包括碳化硅、浸硅碳化硅、碳化硅涂覆石墨等。

由于开始以更大规模使用烟炱沉积方法，所以需要更大直径的心轴。已经发现，上述陶瓷材料的合适圆柱体或管要么非常昂贵要么无法获得。此外，使用长的大直径陶瓷管时，已经证实其易碎并有断裂风险，从而在很大程度上导致生产总成本较高。因此非常需要替代的基材材料。

OVD方法中似乎可使用金属心轴，但存在一些原因使得这些心轴的使用受到很多限制。（在以下文本中，术语“金属”包括金属合金，其结合了金属和非金属成分的混合物，术语“金属”和“合金”可互换使用。）

在经由烟炱沉积和烧结来制造纯净和掺杂的合成二氧化硅的最早期小规模研究中提到金属沉积基材作为一种选择（参见例如US 2239551、US 2272342和US 2326059）。在那时（1941-43年），提议可以使用由“镍或其他无定标（non-scaling）耐高温金属”制成的心轴，但除了小规模应用以外，无证据表明曾在工业实践中采用这些心轴。

US 3806570中总结了使用金属心轴的一些问题，该专利讨论了使用空气冷却的铝心轴通过烟炱沉积和烧结来制造小坩埚。似乎该方法只能用于小容器。坩埚尺寸限制于高50mm、外直径50mm且壁厚2mm，无法制造具有更厚的壁的制品。这些限制似乎缘于金属心轴相对于二氧化硅烟炱的较大膨胀系数差异，这导致后者开裂。要避免这些问题，该专利提议沉积心轴应由非金属耐高温材料制成。使用了石墨，但其他提议包括陶瓷，例如氧化铝、多铝红柱石、氮化棚和碳化硅。还提议对沉积和随后烧结使用相同的心轴；但是该提议尚未在工业中成为习惯做法。

US 3933453再次报告了金属心轴的可能性。该专利提议将二氧化硅烟炱沉积到外表面由箔制成的心轴上，所述箔是由合适耐高温金属制成的紧密缠绕线圈或金属丝网。设想这种金属心轴不仅可用于烟炱沉积，还可用于在固结过程中支承二氧化硅。提及的金属包括铂、钽、铌、钨、铼和不锈钢，但实际使用的材料仅为铂，其以缠绕在氧化铝心轴周围的金属丝形式使用，或以包裹在氧化铝心轴周围的铝硅酸盐纤维层上支承的箔形式使用。

US 4388094描述了金属心轴上的烟炱沉积物的另一个例子。在这种情况中，心轴采取略微尖削的锥体形式。使烟炱沉积到这种锥体上从而构建若干层。然后使燃烧器停止一段时间，同时使心轴冷却。进行这种冷却的结果是，由于心轴的热膨胀系数大于烟炱体的热膨胀系数（因此心轴冷却时的收缩大于烟炱体冷却时的收缩）导致烟炱体发生脱离。然后使其沿轴向短距离移动，重复该过程，在金属心轴上再次沉积新沉积的烟炱，同样覆盖并贴合之前沉积的材料。通过重复这些步骤，可以形成连续长度的由二氧化硅烟炱制成的管。据称优选用于这种应用的金属是铂，使用支承在不锈钢载体上的薄的铂箔进行了实验。据称通过这种方式可生产外直径为25mm且壁厚为2.8mm的合成二氧化硅管。不了解这种方法是否商业可行，但该专利中所述类型的复合金属心轴以及适合于大规模OVD方法的铂箔涂层的成本将是高到令人不敢问津的。

尽管在之前对金属心轴的使用进行了这些尝试，但现在通常使用由上述耐高温陶瓷材料构成的心轴。通常使用重结晶氧化铝。