制備合成石英玻璃砣的沉積爐的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及石英玻璃砣制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種制備合成石英玻璃砣的沉積爐。
【背景技術(shù)】
[0002]高均勻合成石英玻璃是航天、核技術(shù)、激光、精密儀器等高科技領(lǐng)域的不可替代的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，光學(xué)不均勻嚴(yán)重影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。
[0003]目前，合成石英玻璃砣的熔制方法主要有臥式沉積爐化學(xué)氣相沉積法和立式沉積爐化學(xué)氣相沉積法。由于臥式沉積爐化學(xué)氣相沉積法無法生產(chǎn)大尺寸、高重量的石英玻璃砣，且爐溫低、能耗大且效率低，已逐步被立式沉積爐化學(xué)氣相沉積所取代?，F(xiàn)有立式沉積爐化學(xué)氣相沉積技術(shù)中，主要是通過將氫氣和氧氣在燃燒器中燃燒產(chǎn)生水蒸氣后與燃燒器下料管中氣態(tài)四氯化硅反應(yīng)產(chǎn)生二氧化硅顆粒，二氧化硅顆粒直接沉積在基礎(chǔ)桿上形成石英玻璃蛇。在沉積石英玻璃蛇過程，通過尚溫恪融的石英玻璃蛇的尚心力和重力作用，被迫使中心的石英玻璃逐步向邊部擴(kuò)散而生長成形，以便得到較大直徑的石英玻璃砣。而為了保證石英玻璃砣的穩(wěn)定成形，必然要求沉積砣面存在一定的溫度梯度，否則如果中心與邊部溫度一致，玻璃液在高溫下會(huì)無限的流動(dòng)，造成石英玻璃砣無法成形。因此，采用該方法沉積合成石英玻璃，不管設(shè)置多少個(gè)燃燒器，均要求沉積面的溫度梯度至少在200°C以上。
[0004]沉積面的溫度梯度會(huì)使石英玻璃砣的中心到邊部的結(jié)構(gòu)存在較大差異，如石英玻璃的羥基含量沿中心到邊部逐漸降低，這導(dǎo)致了石英玻璃的折射率、密度等分布不均勻，進(jìn)而影響石英玻璃的沉積面方向的結(jié)構(gòu)均勻性。同時(shí)，采用該沉積爐制造石英玻璃砣的沉積機(jī)理是依靠離心力和重力作用被迫由中心逐步向邊部擴(kuò)散而形成的，即整個(gè)沉積面為正態(tài)分布形態(tài)，導(dǎo)致石英玻璃砣的縱向分布出現(xiàn)層狀現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了其縱向結(jié)構(gòu)均勻性。因此，采用現(xiàn)有的沉積爐制造的石英玻璃砣都存在結(jié)構(gòu)不均勻的現(xiàn)象，進(jìn)而影響石英玻璃的一維和三維的光學(xué)均勻性、應(yīng)力等性能，最終破壞航天、核技術(shù)、精密儀器等領(lǐng)域精密光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]有鑒于此，本實(shí)用新型實(shí)施例提供一種制備合成石英玻璃砣的沉積爐，主要目的是提高石英玻璃蛇組分分布的一致性，生產(chǎn)出徑向與軸向結(jié)構(gòu)均勾的石英玻璃石它。
[0006]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型主要提供如下技術(shù)方案:
[0007]—方面，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種制備合成石英玻璃砣的沉積爐，包括:
[0008]爐體，所述爐體由爐頂、爐壁和爐底組成，所述爐頂、爐壁和爐底圍成爐膛；
[0009]燃燒器，設(shè)置于爐頂；
[0010]基礎(chǔ)桿，自所述爐底垂直伸入到所述爐膛內(nèi)，所述基礎(chǔ)桿可相對于爐體在垂直方向上移動(dòng)，所述基礎(chǔ)桿可以其軸線為旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0011]沉積池，設(shè)于基礎(chǔ)桿的頂部，與基礎(chǔ)桿固定連接，所述沉積池由底面和側(cè)壁圍成，所述沉積池作為石英玻璃砣的沉積容器。
[0012]作為優(yōu)選，所述沉積池的側(cè)壁與底面的角度為90°?150°。
[0013]作為優(yōu)選，所述沉積池的材質(zhì)為耐火材料，所述耐火材料為氧化鋁、氧化鋯或鋯石英。
[0014]作為優(yōu)選，所述爐膛內(nèi)圍繞沉積池的外圍設(shè)有用于提高石英玻璃沉積砣邊緣溫度的輔助加熱裝置。
[0015]作為優(yōu)選，所述輔助加熱裝置為電阻絲加熱、高溫加熱棒或氫氧火焰燃燒器。
[0016]作為優(yōu)選，所述輔助加熱裝置與沉積池之間設(shè)置一圈爐襯，所述爐襯上具有多個(gè)導(dǎo)熱通孔，導(dǎo)熱通孔的直徑為2mm?20mmo
[0017]作為優(yōu)選，所述爐襯采用碳化硅、氮化硅或氧化鋁制成。
[0018]作為優(yōu)選，所述燃燒器與垂直線的夾角為0°?45°。
[0019]作為優(yōu)選，所述燃燒器的個(gè)數(shù)不超過2個(gè)。
[0020]作為優(yōu)選，所述燃燒器的出口與沉積砣面之間的距離為200mm?400mm，沉積過程中燃燒器出口至沉積面的距離恒定。
[0021]作為優(yōu)選，沉積爐的底部設(shè)置I?4個(gè)尾氣排風(fēng)口，并采用強(qiáng)制排風(fēng)裝置，使沉積爐膛內(nèi)產(chǎn)生的尾氣有序排出，保證沉積爐膛內(nèi)氣流場的穩(wěn)定，以及使沉積爐膛內(nèi)形成微正壓，防止外界空氣進(jìn)入沉積爐膛內(nèi)。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果在于:
[0023]本實(shí)用新型實(shí)施例提供的制備合成石英玻璃砣的沉積爐通過采用凹型的沉積池，代替現(xiàn)有技術(shù)中平面或弧形的沉積基底，進(jìn)而避免沉積過程要求沉積砣面存在溫度梯度才能保證石英玻璃砣的穩(wěn)定形成，而可大大提高石英玻璃砣沉積過程的溫度及溫度分布均勻性，減少了石英玻璃砣邊緣與沉積砣面中心的溫度差，保證了沉積砣面溫度分布的均勻一致性，這樣使化學(xué)氣相合成形成的二氧化硅顆粒沉積在更高溫度下繼續(xù)熔化并在凹形的沉積池中擴(kuò)散和沉積，進(jìn)而改善石英玻璃中羥基等組分沿徑向與軸向分布均勻，從而提高石英玻璃的結(jié)構(gòu)均勻性。
【附圖說明】
[0024]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1的沉積爐的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例2的沉積爐的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例3的沉積爐的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但不作為對本實(shí)用新型的限定。在下述說明中，不同的“一實(shí)施例”或“實(shí)施例”指的不一定是同一實(shí)施例。此外，一或多個(gè)實(shí)施例中的特定特征、結(jié)構(gòu)、或特點(diǎn)可由任何合適形式組合。
[0028]圖1至圖3為本實(shí)用新型不同實(shí)施例的沉積爐的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1至圖3所示，制備合成石英玻璃砣的沉積爐，包括:
[0029]爐體，爐體由爐頂5、爐壁7和爐底10組成，爐頂5、爐壁7和爐底10圍成爐膛11 ；
[0030]燃燒器4，設(shè)置于爐頂5 ；
[0031]基礎(chǔ)桿8，自爐底10垂直伸入到爐膛11內(nèi)，基礎(chǔ)桿8可相對于爐體在垂直方向上移動(dòng)，基礎(chǔ)桿可以其軸線為旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0032]沉積池I，設(shè)于基礎(chǔ)桿8的頂部，與基礎(chǔ)桿8固定連接，沉積池I由底面和側(cè)壁圍成，沉積池I作為石英玻璃砣的沉積容器。
[0033]本實(shí)用新型實(shí)施例的制備合成石英玻璃砣的沉積爐通過采用凹型的沉積池，代替現(xiàn)有技術(shù)中平面或弧形的沉積基底，因此在沉積過程中二氧化硅在沉積池內(nèi)自由擴(kuò)散和沉積，沉積面無需溫度梯度，可以大大提高石英玻璃砣沉積過程的溫度及溫度分布均勻性，減少了石英玻璃砣邊緣與沉積砣面中心的溫度差，保證了沉積砣面溫度分布的均勻一致性，使化學(xué)氣相合成形成的二氧化硅顆粒沉積在凹形的沉積池中，在更高溫度下繼續(xù)熔化與擴(kuò)散，進(jìn)而改善石英玻璃中羥基等組分沿徑向與軸向分布均勻，從而提高石英玻璃的結(jié)構(gòu)均勻性。本實(shí)用新型實(shí)施例中，可以使沉積面的溫度提高到1300°C?1800°C，即沉積面溫度最低為1300°C，改變了現(xiàn)有技術(shù)中沉積面的邊緣的溫度必須低于1300°C的限制，本實(shí)用新型實(shí)施例中，沉積面的邊緣的溫度可提高至1600°C以上，保證沉積砣面的溫度分布均勻性、減少溫度梯度，保證了二氧化硅的自由擴(kuò)散，提高了石英玻璃砣的均勻性。
[0034]作為上述實(shí)施例的優(yōu)選，沉積池I的側(cè)壁與底面的角度為90°?150°，有利于氣流場的穩(wěn)定與順暢，以及保證石英玻璃砣可以在高溫下成形，避免沉積過程必須要求沉積砣面存在一定的溫度梯度的要求。如圖1所示的實(shí)施例中沉積池I的側(cè)壁與底面的角度為120° ;圖2所示的實(shí)施例中沉積池I的側(cè)壁與底面的角度為140° ;圖3所示的實(shí)施例中沉積池I的側(cè)壁與底面的角度為90°。沉積池I的材質(zhì)為耐火材料，沉積池I的具體材料可選用氧化鋁、氧化鋯和鋯石英等。保證沉積池I在高溫下的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)制備過程中作為二氧化硅沉積基底的功能。
[0035]作為上述實(shí)施例的優(yōu)選，爐膛11內(nèi)圍繞沉積池I的外圍設(shè)有用于提高石英玻璃沉積砣邊緣溫度的輔助加熱裝置3。輔助加熱裝置3可以提高石英玻璃沉積砣邊緣的溫度同時(shí)提高沉積面的整體溫度，減小沉積面的溫度梯度，使沉積面中心至邊緣的溫度盡可能一致，進(jìn)一步保證了石英玻璃中羥基等組分沿徑向與軸向分布均勻，從而提高石英玻璃的結(jié)構(gòu)均勻性。輔助加熱裝置3在最多兩個(gè)燃燒器4的情況下提高了沉積面的溫度，較高的沉積溫度使二氧化硅在沉積過程中自由擴(kuò)散，保證了石英玻璃中羥基等組分沿徑向與軸向分布均勻。輔助加熱裝置3的加熱方式可以是電阻絲加熱方式、高溫加熱棒加熱方式或氫氧火焰加熱方式等，具體采用的加熱裝置可以為高溫加熱棒(圖1所示實(shí)施例)、電阻絲(圖2所示實(shí)施例)或氫氧火焰燃燒器(圖3所示實(shí)施例)等。輔助加熱裝置3避免了現(xiàn)有技術(shù)中通過增加燃燒器4的數(shù)量增加沉積溫度而造成爐膛內(nèi)氣流場的紊亂的問題。在沉積過程中各燃燒器間的氣流和火焰等相互干擾影響，擾亂爐膛內(nèi)的氣流場。影響了石英玻璃砣的穩(wěn)定沉積，并造成石英玻璃砣內(nèi)形成氣泡、不均勻等嚴(yán)重質(zhì)量缺陷，使制得的石英玻璃砣無法