阅读说明：本技术 一种大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺 (Chemical deposition process for large-size high-purity quartz glass ) 是由 万沂江 于 2020-05-21 设计创作，主要内容包括：一种大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺,包括如下步骤：(1)准备：在立式沉积炉内放置靶料,然后以有机硅八甲基环四硅氧烷为原料,经过精馏提纯后进入蒸发器；(2)沉积：所述有机硅八甲基环四硅氧烷蒸气在燃烧器火焰中热水解生成二氧化硅颗粒,并在立式沉积炉中内绕自身纵向轴旋转的靶料靶面上不断层叠沉积,得到石英玻璃坯体,所述石英玻璃坯体熔化生产合成大尺寸高纯度石英玻璃。本发明所述的大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺,方法简单高效,解决了现有技术中石英玻璃化学沉积工艺羟基含量高的缺点,制得的石英玻璃坯体密度均匀性好,结构透气,有利于后续脱除材料中的羟基,从而获得大尺寸、高纯度的石英玻璃,应用前景广泛。(A chemical deposition process of large-size high-purity quartz glass comprises the following steps: (1) preparing: placing a target material in a vertical deposition furnace, then taking organosilicon octamethylcyclotetrasiloxane as a raw material, and entering an evaporator after rectification and purification; (2) deposition: the organosilicon octamethylcyclotetrasiloxane steam is thermally hydrolyzed in a burner flame to generate silicon dioxide particles, and the silicon dioxide particles are continuously laminated and deposited on a target material target surface rotating around a self longitudinal axis in a vertical deposition furnace to obtain a quartz glass blank, and the quartz glass blank is melted to synthesize large-size high-purity quartz glass. The chemical deposition process of the large-size high-purity quartz glass, disclosed by the invention, is simple and efficient, overcomes the defect of high hydroxyl content in the chemical deposition process of the quartz glass in the prior art, and the prepared quartz glass blank has good density uniformity and a breathable structure, is beneficial to removing hydroxyl in materials subsequently, so that the large-size high-purity quartz glass is obtained, and has a wide application prospect.)

一种大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺

技术领域

本发明属于石英玻璃制备技术领域，具体涉及一种大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺。

背景技术

石英玻璃是由纯天然水晶、硅石和富含石英的岩提取的高纯石英或人工合成原料经过高温熔化而制得，该材料在现代技术中应用十分广泛，为光纤通信、电光源、载人航天等重要领域提供了各种各样的关键材料，在激光、半导体工业等高科技领域也广泛使用。石英玻璃是玻璃材料中性能最好的材料，以其优于其他材料的各种特殊性能，抗压强度高、膨胀系数低、抗热振性能强、化学性能稳定以及介电场强度高，具有“玻璃之王"的美誉。

随着石英玻璃应用领域的拓展，对其性能要求也逐渐升高。因此大尺寸、高纯度、满足特殊要求的石英玻璃制备过程受到了广泛关注。 目前其主要的生产方式：电熔工艺、合成石英玻璃制造工艺、高频等离子火焰熔制工艺。其中，合成石英玻璃制造工艺包括化学气相沉积工艺、气相轴向沉积工艺、等离子化学气相沉积等。

现有技术中的化学沉积工艺，在制备过程中难以避免杂质，特别是羟基，导致了制备出来的石英玻璃耐高温性能降低、折射率和热膨胀系数等热物理性质也受到影响，无法满足日益增长的石英玻璃应用领域精密度的要求。因此，要研发出一种大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺，具有良好的应用前景。

中国专利申请号为 CN201711170763.0公开了一种石英玻璃及其制备方法，通过采用复合工艺在任意形状、不同表面的石英玻璃基体上一层或多层复合高品质、低缺陷石英玻璃，以来降低生产成本、提高生产效率，没有对石英玻璃的化学沉积工艺进行改进，也没有提高大尺寸石英玻璃管的纯度。

发明内容

发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺，步骤简单，操作方便，解决了现有技术中石英玻璃化学沉积工艺羟基含量高的缺点，制得的石英玻璃坯体密度均匀性好，结构透气，有利于后续的熔化生产合成石英玻璃的过程中脱除材料中的羟基，从而获得大尺寸、高纯度的石英玻璃，应用前景广泛。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺，其特征在于，包括如下步骤：

（1）准备：在立式沉积炉内放置靶料，然后以有机硅八甲基环四硅氧烷为原料，经过精馏提纯后进入蒸发器气化；所述立式沉积炉包括炉体、炉体内下方支撑靶料的机械升降旋转装置、炉体上方炉口处的燃烧器，所述燃烧器通过移动装置安装在炉口并且移动装置带动燃烧器在靶料靶面径向做往复移动；所述机械升降旋转装置带动靶料升降以及绕自身纵向轴旋转，所述靶料旋转速度为20r/min；所述燃烧器与炉口预留有20mm的缝隙；

（2）沉积：所述有机硅八甲基环四硅氧烷经蒸发器气化的蒸气由净化后的氮气带出并且通至所述立式沉积炉的燃烧器火焰中，所述有机硅八甲基环四硅氧烷蒸气在所述燃烧器火焰中热水解生成二氧化硅颗粒，并在所述立式沉积炉中内绕自身纵向轴旋转的靶料靶面上不断层叠沉积，得到石英玻璃坯体，所述石英玻璃坯体熔化生产合成大尺寸高纯度石英玻璃。

本发明所述的大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺，步骤简单，操作方便，解决了现有技术中石英玻璃化学沉积工艺羟基含量高的缺点，制得的石英玻璃坯体密度均匀性好，结构透气，有利于后续的熔化生产合成石英玻璃的过程中脱除材料中的羟基，从而获得大尺寸、高纯度的石英玻璃。

此外，现有技术中一般采用SiCl₄为原料，SiCl₄是一种有毒的化学物质，生产过程中会产生大量的氯化氢气体，造成环境污染和具有安全隐患。本发明是以有机硅八甲基环四硅氧烷为原料，经过精馏提纯后进入蒸发器气化，在氢氧火焰中热水解生成二氧化硅颗粒并沉积到靶料靶面形成石英玻璃坯体，从原料到生产工艺都不使用有毒化学品，生产的尾气为二氧化碳和水蒸气，可直接排放，大大降低了传统生产工艺产生的污染和存在的有毒物质泄漏危险，节约了生产成本。

反应产生的高速气流冲击靶料，会引起生成的SiO₂ 粒子飞溅，飞溅的SiO₂粒子会随着气体流动在所述立式沉积炉的炉口也就是燃烧器附近结晶，生成的结晶体不断的长大到一定程度之后会由于自身的重力的影响坠落到靶料靶面上，最终影响到靶料靶面沉积的质量。因此，在燃烧器与炉口预留有20mm的缝隙，通过从外界引入空气来改善所述立式沉积炉内速度场分布，减少的SiO₂粒子在炉口的结晶，还方便燃烧器的安装和拆卸，同时20mm的缝隙也不会出现其他杂质进入所述立式沉积炉内的问题。

进一步的，上述的大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺，所述炉体的外壁为保温壁、炉体内壁为耐火壁和炉体中间夹层为电热装置和循环水冷却装置。

进一步的，上述的大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺，所述保温壁是由耐火石棉、耐火纤维板、耐火浇注料或耐火空心球组成；所述耐火壁是由氧化铝、氧化锆、碳化硅或氮化硅组成。

进一步的，上述的大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺，所述炉体中部设置有若干个排风口。

在炉体中部设置有若干个排风口以来排出炉体内的废气，并且可以控制立式沉积炉炉口压力和排气口大气压力差，以避免炉外大气压变化时，炉内温场发生变化，从而保证靶料靶面在炉内烟气中形成稳定流场，利于二氧化硅颗粒在高温下快速、均匀、有效地沉积到靶料靶面上，防止二氧化硅颗粒随烟气飘散，保证石英玻璃坯体的成型质量。

进一步的，上述的大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺，所述氧气环路一由一个大氧气环路组成，所述大氧气环路围绕着中心环路设置；所述氧气环路二、氧气环路三分别由若干个小氧气环路组成，所述小氧气环路之间等角度设置；所述氢气环路一、氢气环路二分别由若干个小氢气环路组成，所述小氢气环路之间等角度设置。

进一步的，上述的大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺，所述中心环路与氧气管线、蒸发器管线连接，所述氧气环路一、若干个小氧气环路分别与氧气管线连接，所述小氢气环路分别与氢气管线连接。

本发明所述的燃烧器的结构，使得炉体内温度分布更加均匀，增强了与周围流体的换热。具体如下：向所述中心环路内通入有机硅八甲基环四硅氧烷蒸气与氧气的混合气，向所述氧气环路一、若干个小氧气环路通入氧气，向所述小氢气环路通入氢气，上述气体从燃烧器各环路进入后喷出，经过复杂的化学反应产生热量，携带热量的高温气体继续流动，将热量传给靶料靶面以及周围流体，最终冷却经排气口排出。

进一步的，上述的大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺，所述氧气管线、蒸发器管线、氢气管线上均设置有自动恒压处理器（137）、质量流量控制器（138）。

为了确保燃烧器获得稳定的供给，以减少原料流量变化对沉积面的不利影响，需对氢气、氧气燃烧气体和有机硅八甲基环四硅氧烷原料采用自动恒压处理器自动恒压处理和使用质量流量控制器的自动控制。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

（1） 本发明所述的大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺，步骤简单，操作方便，解决了现有技术中石英玻璃化学沉积工艺羟基含量高的缺点，制得的石英玻璃坯体密度均匀性好，结构透气，有利于后续的熔化生产合成石英玻璃的过程中脱除材料中的羟基，从而获得大尺寸、高纯度的石英玻璃，应用前景广泛；

（2） 本发明所述的大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺，以有机硅八甲基环四硅氧烷为原料，经过精馏提纯后进入蒸发器气化，在氢氧火焰中热水解生成二氧化硅颗粒并沉积到靶料靶面形成石英玻璃坯体，从原料到生产工艺都不使用有毒化学品，生产的尾气为二氧化碳和水蒸气，可直接排放，大大降低了传统生产工艺产生的污染和存在的有毒物质泄漏危险，节约了生产成本；

（3） 本发明所述的大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺，在燃烧器与炉口预留有20mm的缝隙，通过从外界引入空气来改善所述立式沉积炉内速度场分布，减少的SiO₂粒子在炉口的结晶，还方便燃烧器的安装和拆卸，同时20mm的缝隙也不会出现其他杂质进入所述立式沉积炉内的问题；

（4） 本发明所述的大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺，燃烧器的结构设计，使得炉体内温度分布更加均匀，增强了与周围流体的换热；氢气、氧气燃烧气体和有机硅八甲基环四硅氧烷原料采用自动恒压处理器自动恒压处理和使用质量流量控制器的自动控制，智能化程度高。

附图说明

图1为本发明所述的大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺的立式沉积炉剖面结构示意图；

图2为本发明所述的大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺的立式沉积炉的燃烧器顶部布置示意图；

图中：立式沉积炉1、炉体11、炉口111、缝隙1111、保温壁112、耐火壁113、电热装置114、循环水冷却装置115、排风口116、机械升降旋转装置12、燃烧器13、中心环路131、氧气环路一132、大氧气环路1321、氢气环路一133、氧气环路二134、小氧气环路1341、氢气环路二135、小氢气环路1331、氧气环路三136、自动恒压处理器137、质量流量控制器138、移动装置14、蒸发器2、靶料a。

具体实施方式

下面将附图1-2结合具体实验数据，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

以下实施例提供了一种大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺。

实施例

（1）准备：在立式沉积炉1内放置靶料a，然后以有机硅八甲基环四硅氧烷为原料，经过精馏提纯后进入蒸发器2气化；

（2）沉积：所述有机硅八甲基环四硅氧烷经蒸发器2气化的蒸气由净化后的氮气带出并且通至所述立式沉积炉1的燃烧器13火焰中，所述有机硅八甲基环四硅氧烷蒸气在所述燃烧器13火焰中热水解生成二氧化硅颗粒，并在所述立式沉积炉中1内绕自身纵向轴旋转的靶料a靶面上不断层叠沉积，得到石英玻璃坯体，所述石英玻璃坯体熔化生产合成大尺寸高纯度石英玻璃。

其中，所述立式沉积炉1包括炉体11、炉体11内下方支撑靶料a的机械升降旋转装置12、炉体11上方炉口111处的燃烧器13，所述燃烧器13通过移动装置14安装在炉口111并且移动装置14带动燃烧器13在靶料a靶面径向做往复移动；所述机械升降旋转装置12带动靶料a升降以及绕自身纵向轴旋转，所述靶料a的旋转速度为20r/min；所述燃烧器13与炉口111预留有20mm的缝隙1111。

进一步的，所述炉体11的外壁为保温壁112、炉体11内壁为耐火壁113和炉体11中间夹层为电热装置114和循环水冷却装置115。所述保温壁112是由耐火石棉、耐火纤维板、耐火浇注料或耐火空心球组成；所述耐火壁113是由氧化铝、氧化锆、碳化硅或氮化硅组成。

进一步的，所述炉体11中部设置有若干个排风口116。在炉体11中部设置有若干个排风口116以来排出炉体11内的废气，并且可以控制立式沉积炉1炉口111压力和排气口116大气压力差，以避免炉外大气压变化时，炉内温场发生变化，从而保证靶料a靶面在炉内烟气中形成稳定流场，利于二氧化硅颗粒在高温下快速、均匀、有效地沉积到靶料a靶面上，防止二氧化硅颗粒随烟气飘散，保证石英玻璃坯体的成型质量。

进一步的，所述燃烧器13顶部设置有中心环路131、氧气环路一132、氢气环路一133、氧气环路二134、氢气环路二135、氧气环路三136；所述中心环路131设置在燃烧器13顶部中心处，所述氧气环路一132、氢气环路一133、氧气环路二134、氢气环路二135、氧气环路三136由内至外环绕着中心环路131设置。

进一步的，所述氧气环路一132由一个大氧气环路1321组成，所述大氧气环路1321围绕着中心环路131设置；所述氧气环路二134、氧气环路三136分别由若干个小氧气环路1341组成，所述小氧气环路1341之间等角度设置；所述氢气环路一133、氢气环路二135分别由若干个小氢气环路1331组成，所述小氢气环路1331之间等角度设置。

进一步的，所述中心环路131与氧气管线、蒸发器管线连接，所述氧气环路一132、若干个小氧气环路1341分别与氧气管线连接，所述小氢气环路1331分别与氢气管线连接。

进一步的，所述氧气管线、蒸发器管线、氢气管线上均设置有自动恒压处理器137、质量流量控制器138。

为了确保燃烧器13获得稳定的供给，以减少原料流量变化对沉积面的不利影响，需对氢气、氧气燃烧气体和有机硅八甲基环四硅氧烷原料采用自动恒压处理器137自动恒压处理和使用质量流量控制器138的自动控制。

综上所述，本发明所述的大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺，步骤简单，操作方便，解决了现有技术中石英玻璃化学沉积工艺羟基含量高的缺点，制得的石英玻璃坯体密度均匀性好，结构透气，有利于后续的熔化生产合成石英玻璃的过程中脱除材料中的羟基，从而获得大尺寸、高纯度的石英玻璃。

此外，现有技术中一般采用SiCl₄为原料，SiCl₄是一种有毒的化学物质，生产过程中会产生大量的氯化氢气体，造成环境污染和具有安全隐患。本发明是以有机硅八甲基环四硅氧烷为原料，经过精馏提纯后进入蒸发器2气化，在氢氧火焰中热水解生成二氧化硅颗粒并沉积到靶料a靶面形成石英玻璃坯体，从原料到生产工艺都不使用有毒化学品，生产的尾气为二氧化碳和水蒸气，可直接排放，大大降低了传统生产工艺产生的污染和存在的有毒物质泄漏危险，节约了生产成本。

反应产生的高速气流冲击靶料a，会引起生成的SiO₂ 粒子飞溅，飞溅的SiO₂粒子会随着气体流动在所述立式沉积炉1的炉口111也就是燃烧器13附近结晶，生成的结晶体不断的长大到一定程度之后会由于自身的重力的影响坠落到靶料a靶面上，最终影响到靶料a靶面沉积的质量。因此，在燃烧器13与炉口111预留有20mm的缝隙1111，通过从外界引入空气来改善所述立式沉积炉1内速度场分布，减少的SiO₂粒子在炉口111的结晶，还方便燃烧器13的安装和拆卸，同时20mm的缝隙1111也不会出现其他杂质进入所述立式沉积炉1内的问题。

根据实施例提供的一种大尺寸高纯度石英玻璃的化学沉积工艺，制备出表面光滑、适合玻璃化的高纯高均匀性的石英玻璃胚体，按照标准JCT182-1997以及GB/T 12442-90，所述石英玻璃胚体的金属杂质总含量＜1 ppm，密度为0.7±0.05，然后所述石英玻璃坯体熔化生产合成大尺寸高纯度石英玻璃。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。