石英玻璃和熔融石英的制造

如标题所示,目前可用两个独特的方式来生产熔融石英。一种方式采用高纯度石英或其它含二氧化硅的矿物为原料并利用各种热源将其熔凝而成。这类材料被称为石英玻璃。另一种方式被称为合成熔融石英,其采用气态含硅化学物质(例如,SiCl4)为原料并让其在含氧气氛中燃烧而形成二氧化硅。

石英玻璃

电熔

在石英玻璃制造领域中,电熔是最普遍采用的熔融工艺。可采用两种方式的电熔:

  • 连续电熔:
    在这种连续熔融的工艺中,石英砂被倒入一个由难熔金属坩埚之垂直熔化器的顶部,而熔化器由各种电加热元件包围。熔化器内部保持中性或弱还原气氛以防止二氧化硅与难熔金属发生反应。熔化的材料从坩埚底部的孔流出,并被成型为具有各种尺寸的棒材、管材、板材或其它产品。
  • 分批投料式电熔:
    在分批投料电熔方式中,大量的原料石英砂被投入到具有难熔金属内衬的真空腔室中,此腔室也包含加热元件。尽管此方式在历史上曾被用来生产大型单件材料,但其也可被用来生产小得多的近净成型材料。

    纯度主要取决于原料的精炼程度和所使用的工艺。贺利氏只采用极高纯度的石英砂加上严格的质量管控来制造其产品。
焰熔

从历史上看,生产石英玻璃的第一种方式是通过石英晶体在火焰上的小规模熔炼而制成。在100多年前,贺利氏化学家Richard Küch首次开始在氢氧(H2/O2)焰上熔炼石英石晶体。从那以后,贺利氏一直都在采用此工艺来生产工业规模的石英玻璃。

如今,气熔石英玻璃都采用连续工艺进行大规模生产,经过高度提纯的石英砂经由高温火焰供料并沉积在罐(带有难熔内衬材料)中溶体的表面之上。粘性熔体通过此罐底部的模具慢慢取出,并根据模具确定的形状凝固。通过这种方法,生产具有所需剖面形状(圆形、矩形或空心)的透明石英玻璃锭成为可能,石英锭按照所需尺寸间隔切断并移走以便进一步加工。

合成熔融石英

在该工艺中,含硅前驱物(例如,四氯化硅;STC)在含氧气氛中燃烧而形成二氧化硅纳米颗粒(也被称为烟尘)。因为前驱物是特意生产并提纯的,所以获得的纳米颗粒具有格外高的纯度而所产出的熔融石英具有非常低金属杂质含量。

因为生产工艺涉及到化学物质的气相(含硅前驱物),所以该方法称为化学气相沉积(CVD)。目前存在两个工艺系列:一个工艺系列是将所沉积的纳米颗粒直接熔炼成熔融石英层;而另一个工艺系列是先将这些烟尘积聚,再在二次加工步骤中将其凝聚成透明熔融石英(此工艺称为玻璃化)

化学气相沉积(CVD)工艺

化学气相沉积(CVD)
对于光纤芯棒的生产,具有确定折射率之熔融石英的沉积是在熔融石英管之内完成的。化学物质可借助载气被带入到管中。生成松散体的反应由热源来触发。目前可采用不同的热源,而它们也让CVD工艺的风格有所不同。热源可以是焰式(MCVD)、炉式(FCVD)或者是等离子体式(PCVD)。所有未反应完的气体均在尾气处理系统中进行处理。
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外部等离子体沉积(POD)工艺

等离子外部体沉积(POD)
对于此工艺,等离子体热源被用来“灼烧”化学前驱物并在旋转靶材上沉积薄玻璃层。靶材可以是一个管件或一个实心棒,其并不一定是圆形。由于等离子体的高温性,此工艺是用来生产掺氟熔融石英的最合适工艺。在二氧化硅中可获得的最大氟含量是沉积温度的一个函数。目前最大氟含量还存在局限性,这是因为氟还会将熔融石英刻蚀掉。气体中的氟含量越高,沉积速率越慢。
外部离子沉积通常被用来生产高掺氟二氧化硅,其拥有比非掺杂二氧化硅更低折射率。折射率上的差异是光导纤维所需要的 。可获得的产品为高掺氟的管或棒,但贺利氏同样 提供此服务。

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外气相沉积步骤

在此工艺中,松散体沉积在旋转的诱导棒(外气相沉积;OVD)或向上提拉的棒的末端(蒸气轴沉积;VAD)松散体积聚并形成多孔体,其具有小于熔融石英密度25%的 密度 。然后,多孔体在一个连续步骤中玻璃化成透明熔融石英。

由于其比表面积很大,对该多孔松散体进行掺杂很容易。在光纤行业,在松散体玻璃化之前,氢会在脱水步骤中被氯所替代。

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