專利名稱：具有反射體層的組件及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有反射體層的組件，該組件包括表面至少部分由反射體層覆蓋的石英玻璃的基體。
另外，本發(fā)明涉及通過至少部分采用反射體層覆蓋石英玻璃的基體，生產(chǎn)具有反射體層的這樣組件的方法。
石英玻璃的特征為低膨脹系數(shù)，在寬波長范圍內(nèi)的光學(xué)透明度和高耐化學(xué)品性和耐熱性。石英玻璃組件用于許多應(yīng)用，如在紫外、紅外和可見光譜范圍中在燈制造中作為覆層管、燈泡、覆蓋板或燈和輻射體的反射體載體。為獲得特殊的特性采用其它物質(zhì)摻雜石英玻璃。
在燈制造中，發(fā)射的有效輻射的時(shí)間恒定性和效率起重要的作用。為最小化輻射損失，光學(xué)輻射體配備有反射體。反射體牢固地連接到輻射體，或它是與輻射體分隔的反射體組件。高品質(zhì)反射體的表面由金組成，該反射體可用于化學(xué)侵蝕性環(huán)境而不會反射體造成損害和造成反射率的顯著降低。
配備有金反射體的紅外輻射體形式的通用組件從DE4022100C1是已知的。紅外輻射體用作表面輻射體和包括多個(gè)石英玻璃的相鄰布置燈管，該燈管安裝在石英玻璃的接合載體板上，每個(gè)具有在其中延伸的加熱盤管。該燈管布置的頂部側(cè)形成紅外表面輻射體的輻射表面。向石英玻璃的相對布置載體板的自由底部側(cè)提供金的反射體層。
DE19822829A1描述了短波紅外輻射體，其中以所謂雙管的形式配置燈管。石英玻璃的覆層管在此由縱向網(wǎng)分成彼此平行而延伸的兩個(gè)部分區(qū)段，加熱盤管在一個(gè)或在兩個(gè)區(qū)段中延伸。背離IR輻射的主輻射方向的雙管側(cè)面由用作反射體的金層涂覆。
然而金的反射層昂貴和僅在有限程度耐溫度和溫度變化。
為降低透射或改變透射光波光譜，已知使燈泡無光澤，如通過采用酸刻蝕或在內(nèi)部采用粒狀光散射粉末，如粘土和二氧化硅的混合物涂覆燈泡。
因此本發(fā)明的目的是提供組件，該組件特別用于燈和反射體生產(chǎn)，該組件配備有效，耐化學(xué)品和耐熱和仍然便宜的反射體層。
此外，本發(fā)明的目的是提供生產(chǎn)這樣組件的方法。
關(guān)于組件，根據(jù)本發(fā)明通過提供SiO2覆蓋層達(dá)到從上述石英玻璃組件開始的此目的，該覆蓋層用作漫射反射體和由至少部分不透明石英玻璃組成。
在本發(fā)明的石英玻璃組件中，反射體層由至少部分不透明石英玻璃組成。SiO2覆蓋層完全或部分地覆蓋基體和用作漫射光學(xué)反射體。它完全或絕大部分從摻雜或未摻雜的SiO2制備。
石英玻璃組件優(yōu)選用于燈和反射體制造，和它以管、燈泡、腔室、殼、球形或橢圓形段、板、熱屏蔽等的形式存在。石英玻璃組件是具有集成反射體的光學(xué)輻射體的任一部分，該反射體由SiO2覆蓋層形成，或組件形成單獨(dú)的反射體和與光學(xué)輻射體結(jié)合使用。
基體是從合成生產(chǎn)或從天然原材料制備的石英玻璃主體?；w的石英玻璃通常是透明的。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由至少部分不透明石英玻璃組成的覆蓋層的反射率對于大多數(shù)應(yīng)用是適當(dāng)?shù)?。SiO2覆蓋層的特征為優(yōu)異的耐化學(xué)品性和耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度。應(yīng)當(dāng)特別提及SiO2覆蓋層在石英玻璃的基體上的高耐熱沖擊性能。
此外，SiO2覆蓋層可以在低成本下生產(chǎn)。以下進(jìn)一步更詳細(xì)地解釋合適的過程。作為反射體提供的基體的表面含有對其施加的含SiO2微粒的漿料層，從其由隨后的干燥和玻璃化獲得SiO2覆蓋層。在玻璃化期間必須注意SiO2覆蓋層至少部分是不透明的使得保持適當(dāng)?shù)姆瓷渎省?br> 當(dāng)SiO2覆蓋層由就基體而言，材料由屬類材料(generic material)組成時(shí)，結(jié)果是有利的。
“屬類材料”在此上下文中表示覆蓋層和基體的SiO2含量彼此相差不大于10wt％，優(yōu)選大于3wt％。這得到覆蓋層對基體的特別高粘合和，特別地，復(fù)合材料的高耐熱沖擊性能。
在本發(fā)明的石英玻璃組件的優(yōu)選實(shí)施方案中，將基體作為接收輻射發(fā)射體的石英玻璃的覆層主體設(shè)計(jì)。
在此情況下石英玻璃的覆層主體包覆輻射發(fā)射體，如加熱盤管、碳帶或發(fā)出輻射的氣體填充物，和同時(shí)向一部分覆層主體提供用作反射體的SiO2覆蓋層。
在本發(fā)明的組件的第一優(yōu)選變化方案中，將SiO2覆蓋層提供到背離輻射發(fā)射體的覆層主體的外部。
這防止輻射發(fā)射體或覆層主體內(nèi)部的氣氛的損害。
在本發(fā)明的組件的第二個(gè)同樣優(yōu)選的變化方案中，將SiO2覆蓋層提供到朝向輻射發(fā)射體定向的覆層主體的內(nèi)部。
在內(nèi)部上提供的反射體層直接鄰近輻射發(fā)射體，使得避免由于覆層本體的材料的吸收損失。與在外部相比通常更容易在覆層主體的內(nèi)部上施加覆蓋層，和該層特別地由覆層主體保護(hù)以免機(jī)械損害。
如下解釋提及本發(fā)明的組件的特別優(yōu)選實(shí)施方案，其中至少部分不透明SiO2含有摻雜劑，該摻雜劑在紫外、可見或紅外光譜范圍中產(chǎn)生光學(xué)吸收，由此完成反射體層的選擇性反射。
SiO2覆蓋層含有引起反射體層的選擇性反射的一種或數(shù)種摻雜劑。為此目的在石英玻璃中使用摻雜劑，該摻雜劑在紫外、可見和/或紅外光譜范圍中產(chǎn)生一個(gè)或數(shù)個(gè)吸收譜線。因此，由反射體層反射的光波光譜不再含吸收的輻射部分。在這方面反射體層也用作過濾器和可因此替代或補(bǔ)充另外必須的過濾措施，如基體的石英玻璃的摻雜或采用過濾材料涂覆。
本發(fā)明意義中的選擇性反射SiO2覆蓋層可以在低成本下經(jīng)過漿料方法通過以下進(jìn)一步描述的方法生產(chǎn)。為生產(chǎn)具有波長選擇性作用的反射體，將一種或多種摻雜劑或從其在加工過程中形成摻雜劑的初步產(chǎn)物加入漿料或多孔SiO2覆蓋層(在玻璃化之前)。
具有選擇性作用反射體層的本發(fā)明的組件的優(yōu)選實(shí)施方案的突出之處在于SiO2覆蓋層在200nm-300nm的波長范圍中具有至少0.3的反射系數(shù)，和摻雜劑在大于300nm的波長范圍中產(chǎn)生光學(xué)吸收譜線。
此實(shí)施方案特別適于下列應(yīng)用，其中從紫外光譜范圍的反射的有效輻射完全或部分沒有可見或紅外光譜范圍的部分，例如以防止采用UV輻射而輻射的制品由IR輻射的加熱。
反射系數(shù)表示垂直射向反射體的輻射對反射輻射的強(qiáng)度比例。Ulbricht球適于漫射式反射輻射的測量。
在具有選擇性作用反射體層的組件的備選，但同樣優(yōu)選的變化方案中，希望SiO2覆蓋層在400nm-800nm的波長范圍中具有至少0.3的反射系數(shù)，和摻雜劑在大于1000nm的紅外波長范圍中產(chǎn)生光學(xué)吸收譜線。
具有選擇性作用反射體層的本發(fā)明的光學(xué)組件的實(shí)施方案特別適于應(yīng)用，其中從可見光譜范圍的反射的有效輻射完全或部分沒有紅外光譜范圍的部分，例如以防止燈或其部件，如電極等由IR輻射加熱。
在石英玻璃中在紅外光譜范圍中吸收的摻雜劑優(yōu)選包括一種或多種下列物質(zhì)羥基、V、Yb、Eu和Nd。
為在反射體材料中吸收IR輻射的更大強(qiáng)度和波長部分，SiO2覆蓋層有利地含有該組的數(shù)種摻雜劑。
在組件的另一個(gè)優(yōu)選變化方案中，希望SiO2覆蓋層在1000nm-2000nm的波長范圍中具有至少0.3的反射系數(shù)，和摻雜劑在150nm-400nm的紫外波長范圍中產(chǎn)生光學(xué)吸收譜線。
具有選擇性作用反射體層的本發(fā)明的光學(xué)組件的實(shí)施方案特別希望用于下面應(yīng)用，其中在IR范圍中的有效輻射由于在選擇性反射層上的反射而完全或部分沒有紫外范圍的部分，例如在醫(yī)療，私人或工業(yè)領(lǐng)域中輻射加熱器的情況下以防止IR光光譜的可能有害UV部分。
在具有選擇性作用反射體層的本發(fā)明的組件的另一優(yōu)選變化方案中，SiO2覆蓋層在400nm-800nm的波長范圍中具有至少0.3的反射系數(shù)，和摻雜劑在150nm-400nm的紫外波長中產(chǎn)生光學(xué)吸收譜線。
此實(shí)施方案特別希望用于下面應(yīng)用，其中來自可見光譜范圍的反射的操作輻射完全或部分沒有紫外光譜范圍的部分；例如，在發(fā)光機(jī)構(gòu)，如鹵素發(fā)射體中，其中對健康可能有害的UV部分要從可見光光譜脫除。
在SiO2覆蓋層的石英玻璃中吸收UV輻射的摻雜劑優(yōu)選選自Ti、Fe、Ce。
為在反射體材料中吸收UV輻射的主要強(qiáng)度或波長部分，SiO2覆蓋層有利地含有該組的數(shù)種摻雜劑。
在具有選擇性作用反射體層的本發(fā)明的組件的另一優(yōu)選變化方案中，SiO2覆蓋層在600nm-800nm的波長范圍中具有至少0.3的反射系數(shù)，和摻雜劑在300nm-600nm的可見波長中產(chǎn)生光學(xué)吸收譜線。
此實(shí)施方案特別適于下面應(yīng)用，其中選自可見光譜的第一、更長波范圍的有效輻射要完全或部分不含來自可見光譜范圍的第二，更短波范圍的部分。
由于可見光光譜一部分通過選擇性反射過濾，在此實(shí)施方案中SiO2覆蓋層顯現(xiàn)為有色的。這允許石英玻璃組件的有色設(shè)計(jì)。例如，如果僅或主要反射入射光光譜的紅色部分和在反射體材料中完全或部分吸收可見光的更短波部分，石英玻璃顯紅色。
對于可見光譜范圍的短波范圍中吸收的合適摻雜劑是例如Cu或Sm。
相反地，來自可見光譜的更短波范圍，例如300nm-400nm的反射的有效輻射完全或部分不含更長波可見光譜范圍，例如大于400nm的部分時(shí)，對其它光學(xué)應(yīng)用是有利的。例如借助根據(jù)本發(fā)明的組件通過由Nd摻雜反射體材料這是可能的。
在具有選擇性作用反射體層的根據(jù)本發(fā)明的組件的特別優(yōu)選實(shí)施方案中，SiO2覆蓋層含納米級結(jié)晶微粒。
由于它們的尺寸和組成，納米級結(jié)晶微粒產(chǎn)生特殊的光學(xué)效應(yīng)，如散射，偏振，或吸收。在SiO2覆蓋層的制造中將它們加入漿料中和它們在漿料層的燒結(jié)或玻璃化期間不熔融。
優(yōu)選地，納米級結(jié)晶微粒是金剛石或是碳納米管。
這些是在石英玻璃中呈化學(xué)惰性的高熔點(diǎn)碳改性物。碳納米管為微觀小管狀結(jié)構(gòu)。
如果SiO2覆蓋層包括透明區(qū)域則增強(qiáng)納米級結(jié)晶微粒的光學(xué)效應(yīng)。SiO2覆蓋層的剩余不透明性在此完全或部分歸功于加入的納米級結(jié)晶微粒。
制造的SiO2覆蓋層越厚，輻射的反射進(jìn)行得越完全。然而，難以制備大于3mm的層厚度，和增加的層厚度的另外效應(yīng)幾乎不再顯著。小于0.1mm的SiO2覆蓋層厚度要求高濃度的摻雜劑，它可能以不利的方式改變覆蓋層的石英玻璃的物理和化學(xué)性能。
具有不同光學(xué)性能的隨后層可實(shí)現(xiàn)特殊效果，例如抗反射或同樣在SiO2覆蓋層內(nèi)部的不同吸收曲線。
至于方法，根據(jù)本發(fā)明達(dá)到從上述方法開始的上述的目的在于制備含無定形SiO2微粒的漿料和將其施加到基體的表面而形成漿料層，將漿料層干燥和然后玻璃化而形成SiO2覆蓋層。
在本發(fā)明的方法中，依靠漿料流延方法采用SiO2覆蓋層提供石英玻璃的基體。特殊的技術(shù)挑戰(zhàn)在于在干燥或玻璃化期間避免漿料層的任何撕裂，即使層的體積收縮，也不會將基體的石英玻璃置于發(fā)生屈服的境地。
為此目的首先生產(chǎn)含有無定形SiO2微粒的可流延漿料。將漿料作為“漿料層”施加到基體和隨后干燥和玻璃化。由于彼此之間的相互作用，無定形SiO2微粒已經(jīng)穩(wěn)定糊狀和干燥狀態(tài)中的漿料層和它們促進(jìn)燒結(jié)作用，它允許在比較低溫度下干燥的漿料層的燒結(jié)及形成密集和無裂縫的SiO2覆蓋層。
SiO2微粒由合成產(chǎn)生的SiO2或精制和天然原材料組成，例如在DE4440104C2中所述。
除無定形SiO2微粒以外，漿料也可含有用于形成SiO2微粒的前體組分。它們是如用于生產(chǎn)SiO2的溶膠-凝膠方法的可水解硅化合物。這樣的前體組分由于它們的水解在漿料層中形成分子鍵，它們進(jìn)行凝固，因此促進(jìn)燒結(jié)。然而另一方面，它們的高濃度導(dǎo)致干燥中的高收縮，和它們可引起裂縫的形成，該裂縫形成限制漿料中這樣前體組分的數(shù)量。
SiO2微粒的顆粒尺寸和分布對漿料層的干燥收縮有影響。例如，可以通過使用粗SiO2微粒降低干燥中的收縮。
通過在室溫下脫除水分，通過加熱或通過冷凍干燥進(jìn)行漿料層的干燥。在干燥之后將漿料層以下面方式玻璃化將它加熱到導(dǎo)致SiO2微粒燒結(jié)和導(dǎo)致不透明或部分不透明石英玻璃的致密和無裂縫覆蓋層的形成的高溫度，它覆蓋基體的整個(gè)表面，或其一部分。
采用本發(fā)明的方法可以生產(chǎn)具有高密度的SiO2覆蓋層，使得該方法提供從至少部分不透明SiO2生產(chǎn)反射體層的優(yōu)選可能性。
為形成覆蓋層，優(yōu)選使用顆粒尺寸至多不大于500μm，優(yōu)選至多不大于100μm的SiO2微粒，顆粒尺寸為1μm-50μm的SiO2微粒占據(jù)最大的體積份額。
在此數(shù)量級中的SiO2微粒顯示有利的燒結(jié)性能和比較低的干燥中收縮。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在這樣的漿料中可以采用特別容易的方式干燥和玻璃化漿料層而不形成裂縫。這可能是由于足夠低的干燥中收縮和由于SiO2微粒與彼此的相互作用，它甚至可導(dǎo)致分子SiO2鍵的形成和促進(jìn)干燥和燒結(jié)。
這由漿料的水相的極性本質(zhì)和由其中通過濕研磨SiO2開始顆粒生產(chǎn)SiO2微粒的過程促進(jìn)。
所需的顆粒尺寸分布在此由漿料的均勻化工藝調(diào)節(jié)。從直徑為例如200μm-5000μm的比較粗顆粒開始，依賴于它們的凝固程度在均勻化期間降低SiO2微粒的尺寸。在含水漿料中濕研磨產(chǎn)生任何尺寸的SiO2微粒，即同樣與彼此相互作用的那些已經(jīng)在漿料中形成上述鍵，它促進(jìn)漿料層的穩(wěn)定性。
干燥SiO2漿料層中的方英石數(shù)量應(yīng)當(dāng)不大于1wt％，這是由于否則可在漿料層的玻璃化期間產(chǎn)生結(jié)晶，它可導(dǎo)致組件的廢料。在此必須的是使用開始時(shí)是無定形的SiO2微粒。
對于漿料層的施加，自身已知的方法，如噴淋，靜電支持的噴淋，流涂，旋涂，浸漬或由刷子施加被證明是有用的。然而優(yōu)選由浸漬形成漿料層。
基體表面的預(yù)先粗糙化可改進(jìn)漿料層和從其由玻璃化生產(chǎn)的致密SiO2覆蓋層兩者的粘合。
也可以通過合適的溫度控制降低在玻璃化期間形成裂縫的危險(xiǎn)。優(yōu)選地，干燥漿料層的玻璃化在1000℃-1600℃，優(yōu)選1100℃-1400℃的比較低的最大溫度下進(jìn)行。在該方法的特別優(yōu)選變化方案中，在氫氣氣氛中使干燥的漿料層玻璃化。
由于在石英玻璃中它的高擴(kuò)散速率，氫氣特別適于傳熱。高傳熱具有如下效應(yīng)在表面上占優(yōu)勢的高溫度和SiO2覆蓋層或還沒有玻璃化的部分內(nèi)部的更低溫度之間形成盡可能平的溫度梯度。甚至在低玻璃化溫度下，熔融的過程從外部朝向內(nèi)部和因此也保證漿料層內(nèi)部部分的玻璃化。至少70％的氫含量對于其是足夠的。除氫氣以外，在玻璃化期間的氣氛也可包含氮?dú)猓蛢?yōu)選氦氣。
如果在玻璃化期間的熱作用要在短時(shí)間內(nèi)和基本限于由要玻璃化的SiO2覆蓋層覆蓋的部分，燃燒器火焰或激光器也可用于玻璃化?？梢虼嗽诤艽蟪潭壬媳苊饨M件的塑性變形。
可以在后續(xù)步驟中通過重復(fù)進(jìn)行本發(fā)明的方法提高SiO2覆蓋層的厚度。
此外，當(dāng)以含鋁、氮或碳的化合物的形式將摻雜劑加入漿料中時(shí)證明是有用的。
在方法的此變化方案中，將摻雜劑或數(shù)種摻雜劑引入SiO2覆蓋層，摻雜劑向石英玻璃提供特定性能，例如吸收的降低和因此改進(jìn)的反射。
例如，在覆蓋層的石英玻璃中鋁的加入形成Al2O3，它提高玻璃結(jié)構(gòu)的剛度和因此提高覆蓋層的耐溫性并同時(shí)改變折射率。采用特別均勻的方式在漿料中分布合適的開始物質(zhì)，它最終導(dǎo)致覆蓋層的石英玻璃的均勻摻雜。
采用此方式生產(chǎn)的SiO2覆蓋層的特征為對石英玻璃的高粘合和可容易地通過改變方法，如玻璃化溫度或摻雜劑的加入而改進(jìn)它的性能，和可適于許多具體的應(yīng)用。
為生產(chǎn)選擇性作用反射體層，如以上參照本發(fā)明的組件解釋的那樣，優(yōu)選將至少一種摻雜劑引入漿料，摻雜劑在石英玻璃中在紫外、可見或紅外光譜范圍中產(chǎn)生光學(xué)吸收，由此進(jìn)行反射體層的選擇性反射。
摻雜劑在漿料中均勻分布，它導(dǎo)致覆蓋層的石英玻璃的特別均勻摻雜的最終分析。然而，也可以將摻雜劑引入液體，干燥或預(yù)燒結(jié)的漿料層，只要該層還不是多孔的。
現(xiàn)在參考實(shí)施方案和附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。附圖在如下圖中詳細(xì)顯示

圖1從橫截面觀察的，具有形式為SiO2覆蓋層的反射體層的石英玻璃的反射體板的示意性圖示；圖2形式為具有覆層管的雙管輻射體的紅外輻射體的示意性圖示，它的上側(cè)部分由漿料層或反射體層覆蓋；圖3顯示在石英玻璃的基體上玻璃化漿料層的加熱分布；圖4由鋁酸鈰鐠摻雜的SiO2覆蓋層的反射曲線；和圖5為比較具有幾個(gè)反射曲線的圖。
實(shí)施例1生產(chǎn)均勻的基礎(chǔ)漿料。對于10kg基礎(chǔ)漿料的批次(SiO2水漿料)，將顆粒尺寸為250μm-650μm的天然原材料的8.2kg無定形石英玻璃顆粒與電導(dǎo)率小于3μS的1.8kg去離子水在由石英玻璃襯里和體積容量為約201的轉(zhuǎn)鼓式磨機(jī)中混合。之前在熱氯化方法中精制石英玻璃顆粒。注意不包含方英石。
通過在輥塊上石英玻璃的研磨球在23rpm下研磨混合物三天到使得形成固體含量為79％的均勻基礎(chǔ)漿料的程度。由于溶解SiO2在研磨工藝的過程中將pH值降低到約4的pH。
將形式為約5μm顆粒尺寸的球形微粒的其它無定形SiO2顆?；旌系将@得的均勻和穩(wěn)定基礎(chǔ)漿料中直到獲得84wt％的固體含量。將此混合物在轉(zhuǎn)鼓式磨機(jī)中在25rpm的速度下均勻化12小時(shí)。獲得的漿料的固體含量為84％和密度為約2.0g/cm3。在石英玻璃顆粒的研磨之后在漿料14中獲得的SiO2微粒的顆粒尺寸分布由約8μm的D50數(shù)值和約40μm的D90數(shù)值表征。此漿料是膨脹物。漿料的流變性能，它指定為“膨脹性”，是明顯的在于其粘度隨剪切速率增加。這具有的效應(yīng)是在剪切力不存在下，即在將漿料作為漿料層施加到石英玻璃的組件之后，粘度增加，它促進(jìn)均勻漿料層的形成。
將要從其生產(chǎn)反射體板的用于IR輻射體的石英玻璃板浸入漿料若干秒。事先在醇中清潔石英玻璃板的表面和由化學(xué)刻蝕調(diào)節(jié)(深冷凍)到2μm的平均表面粗糙度Ra。
在石英玻璃板上形成厚度為約2.5mm的均勻，連續(xù)漿料層。將此漿料層首先在室溫下干燥約五小時(shí)和隨后通過IR輻射器在空氣中干燥。干燥的漿料層沒有裂縫和平均厚度略小于2.2mm。
然后將采用此方式生產(chǎn)和干燥的漿料層在空氣中在燒結(jié)爐中玻璃化。加熱分布包括初始急速加熱爬坡同時(shí)將漿料層在一小時(shí)內(nèi)從室溫加熱到1000℃的較低加熱溫度。將漿料層在所述較低加熱溫度下保持一小時(shí)和然后通過第二平加熱爬坡加熱四小時(shí)到1350℃的較高加熱溫度。在該實(shí)施方案中在較高加熱溫度下的保持時(shí)間是兩小時(shí)。隨后，完全燒結(jié)漿料層，它是不透明的且在肉眼能看到的程度上沒有氣泡。
隨后的冷卻工藝在爐中在空氣中在15℃/min的受控冷卻速率下進(jìn)行到500℃的溫度和然后在爐的仍然關(guān)閉狀態(tài)下通過自由冷卻進(jìn)行。
獲得的反射體板示意性地顯示于圖1。它由尺寸300mm×300mm×2mm的石英玻璃板8組成，它們的平側(cè)面完全由不透明石英玻璃組成和平均層厚度為約2mm的SiO2覆蓋層9覆蓋，和其特征為沒有裂縫和約2.15g/cm3的高密度。出于解釋目的采用夸大的厚度畫圖1中的SiO2覆蓋層9。
此反射體板耐熱直到大于1100℃的溫度和例如適于作為鉬反射體板的替代物，該鉬反射體板另外用于這樣的高溫應(yīng)用。
不在兩側(cè)形成不透明SiO2覆蓋層，也可以在一側(cè)向石英玻璃板提供這樣的層。在此優(yōu)選由噴淋代替上述浸漬而施加漿料層。
SiO2覆蓋層9在相邊界進(jìn)行漫射未定向反射。由于組件的彎曲或拱形幾何形狀，也如反射體中另外通常的那樣，可以將定向部分施加到漫射反射。
實(shí)施例2如參照實(shí)施例1所述生產(chǎn)基礎(chǔ)漿料，漿料用于在形式為所謂石英玻璃的“雙管”的紅外輻射體的覆層管上生產(chǎn)反射體層。
這樣的雙管示意性顯示于圖2。此管由石英玻璃的覆層管1組成，當(dāng)在橫截面中觀察時(shí)它的形式為8，管子由中心網(wǎng)2分成兩個(gè)區(qū)段3，4。區(qū)段3，4各用于接受加熱盤管，電連接通過在端部提供的卷縮(未在圖2中顯示)導(dǎo)引出覆層管1。雙管9的主輻射方向在實(shí)施方案中向下定向并由方向箭頭5符號化。
要在雙管9的上部側(cè)面6上形成反射體，它偏離主要輻射方向定向。為此目的將雙管9的表面通過醇清潔和然后在30％鹽酸中清潔以消除其它表面雜質(zhì)，如堿和堿土化合物。
隨后將基礎(chǔ)漿料施加到覆層管1的上部側(cè)面6。為此目的將覆層管1安裝在安裝設(shè)備上和將自由流動漿料通過噴淋噴嘴噴淋到上部側(cè)面6上。一達(dá)到均勻的涂層就終止噴淋操作。漿料在空氣中非?？焖俚馗稍铩２捎么朔绞缴a(chǎn)的漿料層7的層厚是約1mm。
通過在空氣中放置6小時(shí)緩慢干燥漿料層7。在空氣中使用IR輻射器完成完全干燥。干燥的漿料層7沒有任何裂縫，和它的最大厚度為約0.9mm。
然后在燒結(jié)爐中在空氣氣氛中玻璃化干燥的漿料層7。用于玻璃化漿料層7的加熱分布見圖3。它包括其中將漿料層7在一小時(shí)內(nèi)從室溫加熱到1000℃的較低加熱溫度的加熱爬坡。將組件在此加熱溫度下保持一小時(shí)。隨后，緩慢的加熱過程進(jìn)行四小時(shí)以達(dá)到1400℃的最終溫度，在此溫度保持兩小時(shí)。冷卻采用15℃/min的冷卻爬坡進(jìn)行到500℃的爐溫度和然后采用未受控方式在密閉爐中進(jìn)行。
由此溫度處理完全燒結(jié)和凝固漿料層。獲得的SiO2覆蓋層7a具有約2.15g/cm3的高密度，但基本仍然是不透明的。展示不透明性在于在190nm-2650nm的波長范圍中直接光譜透射小于10％。這在紅外波長范圍中得到約80％的高反射程度。雙管9用于生產(chǎn)紅外輻射器，SiO2覆蓋層7a，它在其上產(chǎn)生，也適于作為1000℃以上高溫的反射體層。
具有形式為SiO2覆蓋層的這樣漫射反射體的石英玻璃組件的用途不限于燈制造。這樣的反射體也用作單獨(dú)的組件，例如用于分析系統(tǒng)中的輻射器或用于太陽能電池生產(chǎn)中的加熱機(jī)構(gòu)。
實(shí)施例4如參照實(shí)施例1所述生產(chǎn)均勻的SiO2漿料。將1.25wt％鋁酸鈰鐠(CE0.4Pr0.6AlO3)加入該漿料中。選擇鈰數(shù)量使得它在以后的SiO2覆蓋層中是約0.32wt％和鐠數(shù)量是約0.49wt％。
如參照實(shí)施例1所述進(jìn)一步加工此混合物，包括顆粒尺寸為約5μm的無定形、球形SiO2顆粒的摻合和在轉(zhuǎn)鼓式磨機(jī)中的隨后均勻化。
采用此方式獲得的漿料的固體含量為84％和密度為約2.0g/cm3。在石英玻璃顆粒的研磨之后在漿料14中獲得的SiO2微粒的顆粒尺寸分布由約8μm的D50值和約40μm的D90值表征。它用于涂覆石英玻璃板，要從該石英玻璃板生產(chǎn)用于IR輻射器的反射體板。為此目的將漿料施加到石英玻璃板，將該石英玻璃板首先在醇中清潔和由化學(xué)刻蝕(深冷凍)調(diào)節(jié)到2μm的平均表面粗糙度Ra，導(dǎo)致厚度為約2.5mm的均勻密閉漿料層的形成。
此漿料層首先在室溫下干燥約5小時(shí)和隨后通過IR輻射器在空氣中干燥。干燥的漿料層沒有裂縫和平均厚度略小于約2.2mm。然后在空氣中在燒結(jié)爐中玻璃化采用此方式生產(chǎn)和干燥的漿料層，如參照實(shí)施例1所述。
其后漿料層是完全燒結(jié)的，不透明和，在肉眼可見程度下沒有氣泡。
隨后的冷卻工藝在爐中在空氣中在15℃/min的受控冷卻速率下進(jìn)行到500℃的溫度和然后在爐的仍然關(guān)閉狀態(tài)下通過自由冷卻進(jìn)行。
獲得反射體板，該反射體板含有由SiO2覆蓋層完全覆蓋的平側(cè)面，該覆蓋層由不透明石英玻璃組成和平均層厚度為約2mm，和其特征為沒有裂縫和約2.15g/cm3的高密度，和它的反射曲線在圖4中在200nm-800nm的波長范圍中顯示。在y軸上作圖的是以％計(jì)的反射程度“R”，它表示反射的輻射對在SiO2覆蓋層上撞擊的輻射的強(qiáng)度比例，和在x軸將以nm計(jì)的波長λ作圖。在紅外光譜范圍(未顯示)中和在向下到約350nm的可見光譜范圍中，樣品顯示大于90％的反射。在小于350nm的紫外光譜范圍中，由于加入的摻雜劑的開始吸收，反射降低到百分之幾。最大值為約10％的略高殘余反射剛好保留在250nm-270nm的波長范圍中。
當(dāng)反射體板用于紅外操作輻射的反射時(shí)，UV輻射的最大部分因此在SiO2覆蓋層中被吸收和因此從反射的波長光譜被去除。
SiO2覆蓋層9進(jìn)行漫射，未定向和波長選擇性反射。由于組件的彎曲或拱形幾何形狀，也如反射體中另外通常的那樣，可以將定向部分施加到漫射反射。
實(shí)施例5如已經(jīng)參考實(shí)施例4所述生產(chǎn)漿料，但代替摻雜劑鋁酸鈰鐠(Ce0.4Pr0.6AlO3)，加入Al2O3和Fe2O3的粉末混合物，將該粉末混合物定量，使得在以后的SiO2覆蓋層中鋁部分是約3wt％和Fe部分是10wtppm。
將漿料施加到石英玻璃板的平側(cè)面，干燥和玻璃化，如以上參照實(shí)施例4所述。獲得反射體板，該反射體板含有由SiO2覆蓋層覆蓋的一個(gè)平側(cè)面，該覆蓋層由不透明石英玻璃組成和平均層厚度為約2mm，和其突出之處為沒有裂縫和約2.15g/cm3的高密度。
在燒結(jié)爐中在空氣中干燥的漿料層的玻璃化之后，獲得不透明SiO2覆蓋層，該覆蓋層幾乎在200nm-3000nm的全波長范圍中顯示高吸收和低反射。僅在約700nm的波長范圍中測量到小于60％的低反射程度。
實(shí)施例6如已經(jīng)參照實(shí)施例5所述，在石英玻璃板上生產(chǎn)SiO2覆蓋層。但是，所述漿體層不是在空氣中玻璃化，而是通過在四小時(shí)內(nèi)在存在氫的還原氣氛中加熱到1300℃的較高(upper)加熱溫度而進(jìn)行玻璃化與實(shí)施例5相比，這種處理顯著改變了SiO2覆蓋層的反射性能。在400nm-700nm波長范圍內(nèi)，其顯示出大約75％的足夠高反射度。但是，低于300nm的UV范圍內(nèi)和高于1000nm的IR范圍內(nèi)的吸收未被顯著改變。
因此，該反射體適用于反射可見光譜范圍的有效輻射，絕大部分UV輻射和IR輻射被吸收到SiO2覆蓋層中并因此被從反射波長光譜中去除掉。這避免了加熱被照射物體。為了發(fā)散在反射體中產(chǎn)生的熱量，已經(jīng)采取了已知的冷卻措施。
實(shí)施例7參照實(shí)施例5中所述，制備了漿體，但是，替代由Al2O3和Fe2O3組成的摻雜劑混合物，僅添加了Fe2O3粉末，該Fe2O3經(jīng)定制尺寸使得在之后的SiO2覆蓋層中Fe部分將為8wtppm。
在石英玻璃板上將該漿體進(jìn)一步加工成厚度為2mm厚的玻璃化SiO2覆蓋層。鐵摻雜的SiO2覆蓋層在240nm-850nm波長范圍內(nèi)的反射行為在圖5中顯示為曲線52。圖5的曲線示出了在240nm-850nm的波長范圍內(nèi)根據(jù)本發(fā)明的兩種不同SiO2覆蓋層的反射曲線與金層的反射曲線的對比。在y軸上作圖的是以相對單位計(jì)的反射程度“R”(基于Ulbricht球體的Teflon襯里的反射率)，和在x軸將以nm計(jì)的有效輻射的波長λ作圖。
曲線51顯示了在蒸氣沉積金層的反射行為；曲線52顯示了層厚為2mm的SiO2覆蓋層的反射行為(其根據(jù)實(shí)施例7制備)，其中所述石英玻璃用8wtppm Fe摻雜并在空氣中進(jìn)行玻璃化，而曲線53顯示了層厚為2mm的未摻雜SiO2的SiO2覆蓋層的反射行為(其根據(jù)實(shí)施例1進(jìn)行制備)。
如圖中可以看出，未經(jīng)摻雜的SiO2的SiO2覆蓋層(曲線53)在250nm-850nm間的波長范圍內(nèi)具有大致均勻的大約80％的反射率R。在該波長范圍內(nèi)的反射度R高于金涂層(曲線51)的反射度R。鐵摻雜的SiO2覆蓋層(曲線52)顯示出在紫外光譜范圍(波長低于350nm)反射率的顯著降低。因此，所述鐵摻雜的SiO2覆蓋層適于選擇性地從燈的反射性輻射中去除UV部分。
權(quán)利要求
1.具有反射體層的組件，其包括表面至少部分由反射體層覆蓋的石英玻璃的基體，其特征在于提供SiO2覆蓋層(7a；9)，該覆蓋層用作漫射反射體和由至少部分不透明SiO2組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，其特征在于SiO2覆蓋層(7a；9)由就基體(1；8)而言的屬類材料組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的組件，其特征在于基體作為用于接收輻射發(fā)射體的石英玻璃的覆層主體(1)形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的組件，其特征在于將SiO2覆蓋層(7a)提供到石英玻璃的覆層主體(1)的外部(6)上，所述SiO2覆蓋層(7a)偏離輻射發(fā)射體取向。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的組件，其特征在于將SiO2覆蓋層(7a)提供到石英玻璃的覆層主體(1)的內(nèi)部(6)上，所述SiO2覆蓋層(7a)朝向輻射發(fā)射體取向。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的組件，其特征在于至少部分不透明SiO2含有摻雜劑，該摻雜劑在紫外、可見或紅外光譜范圍中產(chǎn)生光學(xué)吸收，因此實(shí)現(xiàn)反射體層的選擇性反射。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的組件，其特征在于SiO2覆蓋層在200nm-300nm的波長范圍中具有至少0.3的反射系數(shù)，和摻雜劑在大于300nm的波長范圍中產(chǎn)生光學(xué)吸收譜線。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的組件，其特征在于SiO2覆蓋層在400nm-800nm的波長范圍中具有至少0.3的反射系數(shù)，和摻雜劑在大于1000nm的紅外波長范圍中產(chǎn)生光學(xué)吸收譜線。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8中任一項(xiàng)的組件，其特征在于摻雜劑包括一種或多種下列物質(zhì)羥基、V、Yb、Eu和Nd。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的組件，其特征在于SiO2覆蓋層在1000nm-2000nm的波長范圍中具有至少0.3的反射系數(shù)，和摻雜劑在150nm-400nm的紫外波長范圍中產(chǎn)生光學(xué)吸收譜線。
11.根據(jù)權(quán)利要求6或權(quán)利要求8的組件，其特征在于SiO2覆蓋層在400nm-800nm的波長范圍中具有至少0.3的反射系數(shù)，和摻雜劑在150nm-400nm的紫外波長中產(chǎn)生光學(xué)吸收譜線。
12.根據(jù)權(quán)利要求6，10或11中任一項(xiàng)的組件，其特征在于摻雜劑包括一種或多種下列物質(zhì)Ti、Fe、和Ce。
13.根據(jù)權(quán)利要求6或11的組件，其特征在于SiO2覆蓋層在600nm-800nm的波長范圍中具有至少0.3的反射系數(shù)，和摻雜劑在300nm-600nm的可見波長中產(chǎn)生光學(xué)吸收譜線。
14.根據(jù)權(quán)利要求6或13的組件，其特征在于摻雜劑包括一種或多種下列物質(zhì)Cu、Sm和Nd。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的組件，其特征在于SiO2覆蓋層包含納米級結(jié)晶微粒。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的組件，其特征在于納米級結(jié)晶微粒是金剛石或是碳納米管。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的組件，其特征在于SiO2覆蓋層含有鋁、氮、或碳。
18.具有反射體層的石英玻璃組件的生產(chǎn)方法，石英玻璃的基體(1；8)的表面至少部分由反射體層(7a；9)覆蓋，其特征在于將含有無定形SiO2微粒的漿料產(chǎn)生和施加到基體(1；8)的表面而形成漿料層(7)，將漿料層(7)干燥和然后玻璃化而形成SiO2覆蓋層(7a；9)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其特征在于SiO2微粒的顆粒尺寸不大于500μm，優(yōu)選不大于100μm，顆粒尺寸為1μm-50μm的SiO2微粒占據(jù)最大的體積份額。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19的方法，其特征在于通過濕研磨SiO2開始顆粒生產(chǎn)SiO2微粒。
21.根據(jù)權(quán)利要求18-20中任一項(xiàng)的方法，其特征在于在氫氣氣氛中玻璃化干燥的漿料層(7a)。
22.根據(jù)權(quán)利要求18-21中任一項(xiàng)的方法，其特征在于以含有鋁、氮或碳的化合物的形式將摻雜劑加入漿料。
23.根據(jù)權(quán)利要求18-22中任一項(xiàng)的方法，其特征在于將至少一種摻雜劑引入漿料，摻雜劑在石英玻璃中在紫外、可見或紅外光譜范圍中產(chǎn)生光學(xué)吸收，由此完成反射體層的選擇性反射。
全文摘要
在包括反射體層的先前已知組件中，至少部分由反射體層涂覆基底二氧化硅玻璃組件的表面。為產(chǎn)生基于該組件，特別用于產(chǎn)生燈和反射體，和具有有效，耐化學(xué)品和耐熱的組件，和便宜的反射體層，提供由至少部分不透明二氧化硅玻璃組成和用作漫射反射體的SiO
文檔編號C03C17/00GK101023041SQ200580028216
公開日2007年8月22日 申請日期2005年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月23日
發(fā)明者A·莫爾, T·赫伯特, J·韋伯, S·利諾, S·富克斯, A·施賴伯, R·塞爾納 申請人:赫羅伊斯石英玻璃股份有限兩合公司