一種石英玻璃預(yù)制件的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖光纜技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種石英玻璃預(yù)制件的制備方法，具體為一種使用高純石英顆粒直接熔融形成柱狀石英棒或者石英玻璃管的方法，可應(yīng)用于光纖預(yù)制棒的制備。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖預(yù)制棒制備技術(shù)一直被認(rèn)為是光纖制備過程中最為核心的部分，主要分為芯棒制備技術(shù)和外包技術(shù)，其中光纖的性能主要由芯棒決定，而光纖的成本差異主要來自于外包層。因此全世界各大企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)都在不斷升級現(xiàn)有技術(shù)和開發(fā)新的預(yù)制棒制備技術(shù)。
[0003]主流的預(yù)制棒外包技術(shù)有Soot外包、套管法和等離子噴涂技術(shù)，其中Soot外包技術(shù)被認(rèn)為是目前最適合制備單模光纖外包層的技術(shù)，該技術(shù)市場占有率高達(dá)70 %，在美國專利US3932162中提到，通過硅的化合物(主要是四氯化硅和硅烷)與氧氣在氫氧焰下水解生成二氧化硅煙炙體(Soot)沉積到芯棒上，形成多孔的石英粉體棒，然后通過脫水處理和燒結(jié)，形成透明預(yù)制棒，此方法不但可以直接在芯棒上沉積制作外包層，也可以制作玻璃套管。之后美國專利US5211732進(jìn)行了改進(jìn)，增加了噴燈的數(shù)量，并調(diào)整了噴燈的排列方式，將沉積速度提高了三倍以上。
[0004]套管法是將芯棒經(jīng)過腐蝕干燥處理之后，插入對應(yīng)尺寸的石英套管中，組合形成可拉絲的光纖預(yù)制棒，直接拉絲制備光纖，芯棒形成光纖的芯層，而石英套管則形成光纖的外包層，而用于組合的高純石英套管目前主要是通過OVD (外部氣相沉積法)和VAD (軸向氣相沉積法)技術(shù)制備，美國專利US20130115391中提出，通過OVD法可以制備外部尺寸大于400mm，內(nèi)部尺寸大于300mm的中空石英錠，然后通過拉管工藝得到尺寸較小的石英套管。目前用于光纖預(yù)制棒最大尺寸的套管，外徑達(dá)到206mm，并開發(fā)了 RIC+ODD (rod incylinder+overclad during draw)工藝，省去了套管與芯棒恪縮的工序。
[0005]等離子噴涂技術(shù)包含APVD和POD (plasma outside deposit1n)，兩者的區(qū)別在于APVD是使用高純的石英顆粒在高溫等離子焰下熔融噴涂在芯棒上，形成外包層；而POD是通過四氯化硅和氧氣在等離子焰下反應(yīng)生成二氧化硅。
[0006]除以上的技術(shù)之外，還有其他的預(yù)制棒制備技術(shù)，如通過石英砂熔融制備光纖預(yù)制棒外包層，美國專利US8132429B2中提到，先將制備好的芯棒插入石英玻璃制備的管狀襯體中心，然后在石英管內(nèi)倒入高純石英顆粒，經(jīng)過高溫加熱，將石英砂與石英管燒實(shí)，制備成可供拉絲的光纖預(yù)制棒，其中使用的高純石英顆粒是通過溶膠凝膠法制備得到。一方面使用的石英顆粒不能進(jìn)行摻雜，不能調(diào)整其包層的折射率，使該專利的應(yīng)用受到了很大限制；另一方面，由于石英管壁的厚度很薄，不超過石英管直徑的十分之一，所以會因?yàn)榕c石英顆粒的膨脹系數(shù)的差異，形成裂紋。
[0007]專利EP226182A1對其進(jìn)行了改進(jìn)，通過碳氟化合物的處理石英顆粒，能改變石英顆粒的折射率，并采用壁厚更薄的石英管，并在形成透明柱體后，通過打磨將石英管壁去除，減少石英管壁帶來的雜質(zhì)。
[0008]美國專利US20110299824A1提出，通過控制加熱區(qū)域的溫度曲線，經(jīng)過600 °C的熱處理，將石英顆粒從a-quartz轉(zhuǎn)變?yōu)棣?quartz，或者進(jìn)一步提高溫度，轉(zhuǎn)化成β -Tridymite或者β -Cristobalite,從而減少顆粒的膨脹系數(shù)，降低石英管壁破裂的概率，但是石英管仍然會影響內(nèi)部的石英顆粒的受熱分布以及內(nèi)部石英顆粒的氣體排出，另夕卜，石英管由于長時間在高溫下與高純石英顆粒接觸，石英管中的雜質(zhì)會滲入石英顆粒，最終在石英顆粒燒實(shí)成石英柱體的時候，殘留在石英柱體靠近中心的位置。而且石英管被當(dāng)做耗材，每制作一根預(yù)制棒，都會損耗掉石英管，不能重復(fù)利用，增加了成本。
[0009]因此需要解決上述的問題，才能進(jìn)一步的提高石英顆粒直接恪制制備預(yù)制棒或其他高純石英玻璃制品的品質(zhì)，降低成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明是將光纖預(yù)制棒的芯棒或者其他材料構(gòu)成的芯軸插入一端封口的柱狀襯體或者近似于柱狀的其他模具中，然后將高純二氧化硅顆粒(例如高純石英顆粒)經(jīng)過脫水后，倒入模具與芯棒的間隙中，再經(jīng)過一定時間的高溫?zé)Y(jié)，所述燒結(jié)溫度T1范圍是1400°C?1600°C，當(dāng)石英顆粒能夠支撐起自身的重量后，但仍是多孔疏松結(jié)構(gòu)，以下稱自承點(diǎn)，將模具與石英顆粒脫離，以下稱為脫模，留下多孔的石英柱體繼續(xù)燒實(shí)，溫度為1700°C以上，最后形成透明石英玻璃件的方法。
[0011]本發(fā)明用于直接在光纖預(yù)制棒芯棒上熔融石英顆粒，形成預(yù)制棒外包層，也可以在石英玻璃管的外表面上熔融石英顆粒，增加玻璃管壁的厚度，形成尺寸更大的石英玻璃套管，與芯棒組合拉絲后形成光纖外包層。
[0012]本發(fā)明也可以通過在石英顆粒中加入其他縱向貫穿整個石英顆粒的襯棒，在自承點(diǎn)拔出襯棒，形成多孔的預(yù)制棒外包層結(jié)構(gòu)。
[0013]本發(fā)明的具體實(shí)施方案如下:
[0014]如圖1所示，將高純石英顆粒5通過入料口 I倒入石英坩禍或者其他耐高溫容器2，在容器底部的進(jìn)氣口 3通入氯氣和氧氣，并通過耐高溫篩6，將石英顆粒吹起，耐高溫篩6可承受1300°C以上高溫，孔徑50 μ m以下，容器內(nèi)的溫度為900°C?1300°C，優(yōu)選1050°C?1300°C，反應(yīng)后的氣體通過排氣口 4排出，反應(yīng)持續(xù)I小時以上，處理后的石英顆粒通過出料口 7倒出。高純石英顆?？梢允翘烊皇⑸啊⑷嗽焓⑸盎蛘呤⒎垠w，甚至是尺寸更小的二氧化娃納米粉體，石英顆粒的平均粒徑在300 μm以下，優(yōu)選150 μm以下。其中二氧化硅納米顆粒也包含了 Soot外包法或者其他方法中收集的廢料或者通過這些廢料提純加工后得到的粉體產(chǎn)物。經(jīng)反應(yīng)脫水后的二氧化硅顆粒OH含量可以達(dá)到1ppm以下。
[0015]可在脫水的過程中向耐高溫容器2中加入適量其他氣體，改變石英顆粒的折射率，可以根據(jù)需要通入不同比例和種類的氣體來調(diào)整顆粒的摻雜程度。
[0016]如圖2所示，將光纖預(yù)制棒的芯棒或者其他耐高溫材料制作的芯軸8插入柱狀模具，模具由模具(上)10和模具(下)9兩部分組成，制作芯軸8的材料可以是石英，氮化硼，氧化鋁等耐高溫材料，芯軸通過上端夾持件11夾持住，芯棒可以通過PCVD、0VD, VAD, MCVD等預(yù)制棒芯棒工藝制得。芯軸8與模具的中心重合，兩者在組合端閉合。
[0017]將脫水處理后的高純石英顆粒5從出氣口 13倒入芯軸和模具(下)9的間隙，倒入過程中對模具(下)9和模具(上)10進(jìn)行振動(振動裝置未在圖中畫出)，使石英顆粒5能夠均勻的分散。模具9和10要求至少能承受1600°C高溫，能承受1700°C以上高溫為佳，在高溫下不與二氧化硅粘連，高溫下不與二氧化硅發(fā)生反應(yīng)。模具的材料可以使用高純石墨、尚純氧化招、氣化棚等尚溫耐火材料或者復(fù)合耐火材料。t旲具(下)9的底端有耐尚溫篩12，篩孔的尺寸小于石英顆粒的尺寸，篩孔孔的尺寸50 μ m以下。
[0018]當(dāng)石英顆粒為納米級別時，可先在模具底部放置少量的尺寸較大的石英顆粒，覆蓋住小孔，然后再倒入納米石英顆粒。
[0019]石英顆粒填充完成后，繼續(xù)振動15min以上后停止，優(yōu)選振動30min以上，裝填的石英顆粒高度不得超過模具(下)9。如圖3所示，將填充好石英顆粒的模具上下端分別夾持在可以旋轉(zhuǎn)的上端旋轉(zhuǎn)夾持架14和下端旋轉(zhuǎn)夾持架15上，移動到爐腔17中，上端旋轉(zhuǎn)夾持架14和下端旋轉(zhuǎn)夾持架15以相同的速度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度為5?10rpm/min。
[0020]如圖4所示，將爐腔17中的氣體從出氣口 13抽出，然后從爐腔17底部的進(jìn)氣孔19通入氦氣，并持續(xù)的抽氣，使?fàn)t腔內(nèi)形成負(fù)壓，氦氣的流量為2?7L/min，負(fù)壓為10Pa以下，優(yōu)選20Pa以下，爐腔溫度升高到1400°C?1600°C，優(yōu)選1450°C?1525°C，使石英顆粒表面逐漸形成液相，顆粒之間的粘著力逐漸提高，直到顆粒間的粘著力足以支撐自身的重量，但此時仍是多孔的石英柱體18。選用的石英顆粒的性質(zhì)以及多孔石英柱體尺寸的不同，需要達(dá)到自承點(diǎn)的時間范圍也會有所不同。
[0021]此時，如圖5(1)所示，調(diào)整爐腔17內(nèi)的氣壓，從負(fù)壓變?yōu)槲⒄龎?，然后將模具從垂直方向上拔出，與石英柱體分離，同時防止外部的空氣在模具取出腔體的時候，從設(shè)備間隙中進(jìn)入爐腔17。然后封閉加熱爐爐腔17，將氣壓調(diào)整為原來的負(fù)壓。
[0022]另一個實(shí)現(xiàn)方法如圖5(2)所示增加一個緩沖區(qū)20，緩沖區(qū)有一個艙門與大氣相通，緩沖區(qū)與加熱爐爐腔17之間有一個閥門，當(dāng)石英顆粒和模具開始放入加熱爐腔體內(nèi)時，艙門處于關(guān)閉狀態(tài)，而與加熱爐腔體之間的閥門打開，緩沖腔與加熱爐氣氛相通。當(dāng)需要拔出模具的時候，不需要將氣壓變?yōu)檎龎?，直接將模具分離，然后將燒結(jié)后的石英顆粒形成的柱體移動到緩沖腔內(nèi)，然后關(guān)閉緩沖腔與加熱爐之間的閥門，打開艙門，取出模具，這樣加熱爐腔體之間的氣壓不會變化，可以一直維持所需要的負(fù)壓。模具在撥出的時候，與芯棒相連的下端旋轉(zhuǎn)夾持架15保持原有旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，與模具相連的旋轉(zhuǎn)夾頭轉(zhuǎn)速不變，但開始在垂直方向上提拉，直到模具與石英柱體完全分離。
[0023]另一個模具脫離的實(shí)現(xiàn)方法是保持芯棒的上端旋轉(zhuǎn)夾持架14原有旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，在脫模時，略微減少或者增加模具的下端旋轉(zhuǎn)夾持架15的轉(zhuǎn)速，使模具與石英柱體分離，然后將垂直方向上提拉模具，實(shí)現(xiàn)完全分離。
[0024]本發(fā)明中提到的模具與石英柱體分離的方法，在降溫時，模具已經(jīng)與石英柱體分離，因此不會因?yàn)榕蛎浵禂?shù)的差異在模具或者石英柱體表面