本發(fā)明涉及不透明石英玻璃領(lǐng)域，具體涉及一種不透明石英玻璃的制備方法及其產(chǎn)品。

背景技術(shù)：

1、石英玻璃因其獨特的物理和化學性質(zhì)，如耐高溫、耐燒蝕、電絕緣性能，在半導體、航空航天、光通訊、光伏、生物醫(yī)學和電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

2、在石英玻璃中均勻分布大量微米級氣泡的玻璃稱為不透明石英玻璃。不透明石英玻璃不僅在純度、熱學、耐化學侵蝕等方面具有普通石英玻璃突出的優(yōu)異性能，還具有獨特的隔熱性能，在半導體、光伏等制造設(shè)備中，用于法蘭、爐心管等加熱部件，能增加熱輻射線在材料內(nèi)部的散射，有效阻止熱損失；不透明石英玻璃具有較強的遮光性能，可用于投影機用光源燈的反射器基材。此外，高化學穩(wěn)定性的不透明石英玻璃有潛力應(yīng)用于生物植入領(lǐng)域，通過調(diào)控其密度和氣孔大小，以模擬人體骨骼的剛度和強度。

3、不透明石英玻璃的制備主要通過以下幾種方法來實現(xiàn)：

4、1、在石英砂原料中添加微量無機或有機造孔劑(如氮化硅、碳粉、聚硅氧烷與白炭黑、聚苯乙烯粉末)，利用氫氧焰對混合原料進行熔融(例如專利文獻1～3)，但這種方法不僅降低了產(chǎn)品的純度，且制備成本高昂，同時造孔粉末易于團聚，無法充分和石英砂均勻混合，造成氣孔直徑大，機械強度和遮光性能變差；

5、2.對石英砂原料進行粉碎、球磨、濕性造粒后，采用氫氧焰或真空熔融(例如專利文獻4)，但濕性造粒會在制備過程中會引入大量的雜質(zhì)，使產(chǎn)品中羥基含量偏高；

6、3.不添加發(fā)泡劑，在石英砂完全致密化之前中斷熱處理，部分燒結(jié)(例如專利文獻5)，但中斷熱處理則難以形成球形氣泡，降低了產(chǎn)品的機械強度。

7、現(xiàn)有專利技術(shù)文獻：

8、專利文獻1：日本專利第3043032號公報；

9、專利文獻2：日本專利第6666464號公報；

10、專利文獻3：日本專利第6676826號公報；

11、專利文獻4：cn116648436a；

12、專利文獻5：日本專利第3394323號公報。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種不透明石英玻璃及其制備方法。本發(fā)明制備方法為感應(yīng)加熱法，通過本發(fā)明制備方法可大范圍調(diào)控不透明石英玻璃產(chǎn)品的密度和氣泡大小數(shù)量，所得不透明石英玻璃具有隔熱性能好、生產(chǎn)成本低及羥基和雜質(zhì)含量少等優(yōu)勢，該制備方法具有耗時短、能耗小等特點。

2、[1]一種不透明石英玻璃的制備方法，包括：

3、使用感應(yīng)加熱爐，爐內(nèi)氣氛為不參與反應(yīng)的保護氣氛，保護氣氛壓力為10000～90000pa，例如20000pa、35000pa、45000pa、50000pa、55000pa、60000pa、75000pa等；

4、石英砂置于所述感應(yīng)加熱爐內(nèi)，先升溫至1400～1570℃(例如1400℃、1480℃、1490℃、1510℃、1500℃等，接近β方石英轉(zhuǎn)變溫度)，對石英砂進行預(yù)熱；再以不超過0.2℃/s(例如0.002℃/s、0.005℃/s、0.041℃/s、0.042℃/s、0.052℃/s、0.067℃/s、0.19℃/s等)的速率升溫至1650～1710℃(例如1680℃、1690℃、1700℃等)，使石英砂均勻受熱；然后以不小于0.2℃/s(例如0.27℃/s、0.33℃/s、0.30℃/s、0.40℃/s、0.45℃/s、0.50℃/s、1℃/s等)的速率升溫至1740～1900℃(例如1750℃、1760℃等)，使石英砂達到熔化溫度并燒結(jié)；最后以不超過2℃/s(例如0.7℃/s、0.9℃/s、1℃/s、1.2℃/s等)的速率降溫，得到不透明石英玻璃。

5、本發(fā)明采用較低壓強(10000～90000pa)而不是真空，可始終保有玻璃中的氣泡。

6、本發(fā)明制備方法通過在石英玻璃成型溫度前放緩升溫速率，以及在石英砂顆粒充分預(yù)熱后加快升溫速率，達到受熱均勻，氣泡生長變?yōu)榍蛐?。調(diào)節(jié)升溫曲線，可對氣泡直徑和氣泡數(shù)量進行控制，從而達到密度調(diào)節(jié)的目的。

7、具體而言，本發(fā)明慢速升溫至1650～1710℃是為了使石英砂均勻傳熱，在這一過程中使得石英砂均達到即將熔化的臨界點，但始終保持未熔化的狀態(tài)；然后快速升溫至1740～1900℃是因為，1740～1900℃溫度下，石英砂熔化，開始下沉致密化，升溫速度快是為了盡可能多地保有這些間隙氣泡，讓它們無法逸出(在沒有逸出前就被包裹在玻璃溶液中)，如果升溫速度慢，很多氣泡會被下沉的玻璃液排開，升溫速度加快，石英粘度大，就可使氣泡來不及排出。

8、在一些實施例中，[1]所述的不透明石英玻璃的制備方法，所述保護氣氛可包括氮氣氣氛和/或稀有氣體(例如氦氣和/或氬氣等)氣氛。

9、在一些實施例中，[1]所述的不透明石英玻璃的制備方法，總升溫時間可不超過5h。

10、在一些實施例中，[1]所述的不透明石英玻璃的制備方法，石英砂置于所述感應(yīng)加熱爐內(nèi)前可先進行烘干操作。

11、在一些實施例中，[1]所述的不透明石英玻璃的制備方法，石英砂置于所述感應(yīng)加熱爐內(nèi)前可先進行超聲和/或振動操作，使石英砂堆積密實，中間無“搭橋”產(chǎn)生的空隙，有利于避免最終的不透明石英玻璃產(chǎn)品中的氣泡尺寸過大。

12、在一些實施例中，[1]所述的不透明石英玻璃的制備方法，置于所述感應(yīng)加熱爐內(nèi)的石英砂尺寸為40～200目，例如80～100目、80～120目、80～200目、120～200目、40～80目、180～200目等。以上目數(shù)尺寸的石英砂堆積時內(nèi)部存在一定間隙，這些間隙在燒結(jié)過程中會轉(zhuǎn)化為所需尺寸的氣泡。

13、本發(fā)明制備方法中，石英砂置于所述感應(yīng)加熱爐內(nèi)后，先升溫至1400～1570℃。在這一階段的升溫過程中，升溫的終點溫度會影響最終不透明石英玻璃產(chǎn)品中氣泡最大尺寸的大小，終點溫度越高，不透明石英玻璃產(chǎn)品中氣泡最大尺寸越小，終點溫度越低，不透明石英玻璃產(chǎn)品中氣泡最大尺寸越大。

14、在一些實施例中，[1]所述的不透明石英玻璃的制備方法，石英砂置于所述感應(yīng)加熱爐內(nèi)后，可先以不小于0.3℃/s(例如0.4℃/s、0.48℃/s、0.49℃/s、0.5℃/s、0.51℃/s、0.6℃/s、0.8℃/s、1℃/s等)的速率升溫至1400～1570℃，對石英砂進行預(yù)熱。

15、在一些實施例中，[1]所述的不透明石英玻璃的制備方法，可在1400～1570℃保溫3～30min(例如5min、8min、10min、15min等)，對石英砂進行預(yù)熱。

16、在一些實施例中，[1]所述的不透明石英玻璃的制備方法，石英砂置于所述感應(yīng)加熱爐內(nèi)后，可先以不小于0.3℃/s(例如0.5℃/s、0.8℃/s、1℃/s等)的速率升溫至1000℃，保溫5～30min(例如10min、20min等)，接著以0.3～0.6℃/s(例如0.4℃/s、0.48℃/s、0.49℃/s、0.5℃/s、0.51℃/s、0.6℃/s等)的速率升溫至14400～1570℃，保溫3～30min，對石英砂進行預(yù)熱。進一步的，在升溫至1000℃的過程中，可設(shè)置多重升溫梯度，例如在某個或某些溫度點分別獨立停留一段時間，然后再繼續(xù)升溫。

17、本發(fā)明制備方法中，升溫至1650～1710℃這一階段過程中，升溫的終點溫度同樣會影響最終不透明石英玻璃產(chǎn)品中氣泡最大尺寸的大小，終點溫度越高，不透明石英玻璃產(chǎn)品中氣泡最大尺寸越大，終點溫度越低，不透明石英玻璃產(chǎn)品中氣泡最大尺寸越小。

18、在一些實施例中，[1]所述的不透明石英玻璃的制備方法，可以0.002～0.2℃/s的速率升溫至1650～1710℃，使石英砂均勻受熱。

19、本發(fā)明制備方法中，升溫至1740～1900℃這一階段過程中，升溫速率快慢會影響最終不透明石英玻璃的密度，升溫速率越快，最終不透明石英玻璃的密度越小，升溫速率越慢，最終不透明石英玻璃的密度越大。本發(fā)明制備方法中，升溫至1740～1900℃這一階段過程中的升溫速率以不小于0.2℃/s為佳，進一步可優(yōu)選為0.2～1℃/s。

20、本發(fā)明制備方法中，升溫至1740～1900℃之后，優(yōu)選保溫一段時間。這段保溫時間的長短會影響最終不透明石英玻璃的密度，這段保溫時間越長，最終不透明石英玻璃的密度越小，這段保溫時間越短，最終不透明石英玻璃的密度越大。本發(fā)明制備方法中，升溫至1740～1900℃之后，優(yōu)選保溫5～20min，例如8min、10min、15min等。即，在一些實施例中，[1]所述的不透明石英玻璃的制備方法，可在1740～1900℃保溫5～20min，使石英砂達到熔化溫度并燒結(jié)。

21、在一些實施例中，[1]所述的不透明石英玻璃的制備方法，可以0.2～1℃/s的速率升溫至1740～1900℃，保溫5～20min，使石英砂達到熔化溫度并燒結(jié)。

22、本發(fā)明制備方法中，最后的降溫速率會影響最終不透明石英玻璃產(chǎn)品的透明度，降低降溫速率，可使最終不透明石英玻璃的透過率下降，提高最終不透明石英玻璃的不透明程度，提高降溫速率，會使最終不透明石英玻璃的透過率升高，降低最終不透明石英玻璃的不透明程度。本發(fā)明制備方法中，最后優(yōu)選以不超過2℃/s的速率降溫，得到不透明石英玻璃。

23、在一些優(yōu)選例中，[1]所述的不透明石英玻璃的制備方法，可以0.2～2℃/s的速率降溫。

24、在一些實施例中，[1]所述的不透明石英玻璃的制備方法，降溫終點可為室溫，得到不透明石英玻璃。

25、在一些實施例中，[1]所述的不透明石英玻璃的制備方法，可使用石墨坩堝盛裝石英砂，置于所述感應(yīng)加熱爐內(nèi)。進一步的，石墨坩堝和石英砂之間可設(shè)有防粘層。防粘層具有耐高溫性能，其設(shè)置方式可以是涂覆、放置等。

26、[2]根據(jù)[1]所述的制備方法制備得到的不透明石英玻璃。

27、在一些實施例中，本發(fā)明所述不透明石英玻璃的密度為0.9～2.19g/cm3，進一步可為1.1～2.19g/cm3，例如1.138g/cm3、1.327g/cm3、1.417g/cm3、1.719g/cm3、1.883g/cm3、1.964g/cm3、1.990g/cm3、2.141g/cm3等。

28、在一些實施例中，本發(fā)明所述不透明石英玻璃的氣泡尺寸為1～300μm，進一步可為10～200μm。

29、在一些實施例中，本發(fā)明所述不透明石英玻璃在厚度為2mm時，380～3000nm波段的透過率小于20％，進一步可小于8％。

30、在一些實施例中，本發(fā)明所述不透明石英玻璃在厚度為5mm時，380～3000nm波段的透過率小于3％，進一步可小于2％。

31、在一些實施例中，本發(fā)明所述不透明石英玻璃的硬度為1000～6900mpa，進一步可為1700～6900mpa。

32、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果有：

33、本發(fā)明制備的不透明石英玻璃的密度可以在0.9～2.19g/cm3范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，石英玻璃制品易于加工成型，可以滿足生物植入所要求的高理化穩(wěn)定性，而不透明石英玻璃中的微孔結(jié)構(gòu)也能為生物因子的生長提供基材。

34、本發(fā)明采用感應(yīng)加熱法制備不透明石英玻璃，解決了氫氧焰燒結(jié)帶來的高羥基問題，同時，僅采用石英砂作為原料，保證了玻璃基質(zhì)的純度，采用高純石英砂為原料制備出的產(chǎn)品可以應(yīng)用于半導體工藝流程中，此外，該方法所需加熱時間短，制備速度快，能耗低。