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    石英玻璃熱處理之均化處理

    作者:奧固鴻已有:N多人關注
    石英玻璃均化的基本過程是不均體的溶解(如微熔透的SiO2顆粒和微氣泡)和擴散(如金屬雜質離子和羥基),由于擴散速度低于溶解速度,所以玻璃均化速度實際上取決于擴散速度。離子在玻璃中的擴散主要遵循Fick擴散第二定律。
    因此,離子在玻璃中的擴散速度取決于物質的擴散系數D、兩擴散相之間的接觸面積ds及兩相間的濃度差ΔC,由此可見,要增加玻璃的均化程度就必須增大物質的擴散系數D和兩擴散相之間的接觸面積ds,其中擴散系數D是溫度T和擴散激活能Q的函數,有經驗公式如下。
    D=D0e-Q/(RT)=KT/(6πηr)
    式中D0—常數(Q與D0取決于擴散離子和擴散介質的本質和結構)
    R---摩爾氣體常數
    K----玻耳茲曼常數
    r---擴散離子的半徑
    η---玻璃的黏度
    因此要提高擴散系數就必須提高玻璃的溫度以降低其黏度,對于提高兩相之間的接觸面積因石英玻璃熔化溫度較高,無法采用常規玻璃液攪拌的方法,只能采用高溫下加壓的方法促使玻璃間質點的位移來增加兩不均相之間的接觸面積。
    提高石英玻璃均化的途徑:一是提高擴散系數D,即通過提高玻璃液溫度降低玻璃液黏度的方法;二是增加擴散體與玻璃本體之間接觸面積,即通過高溫、高壓促使玻璃中質點之間移動的方法。因此合理的溫度制度及加壓制度是至關重要的。
    1、 溫度的確定
    理論上講,溫度越高玻璃的黏度越小,擴散系數越大,有利于石英玻璃的均化程度,但在實際工藝中所采用的溫度不能過高,因為溫度太高,玻璃液的揮發增加,產生的蒸汽壓也相應增加,反應生成的氣體在玻璃中易生成氣泡(即二次氣泡),二次氣泡一旦形成形成很難通過再均化而消除。再者,玻璃的揮發物及爐內的其他揮發物會落在玻璃的表面,并不同程度地向玻璃的內部擴散,造成玻璃中雜質含量提高。溫度過低,玻璃黏度增大,玻璃中不均體的擴散大大降低。因此溫度過高與過低都直接影響玻璃的均化質量。通常采用的溫度是在石英玻璃的熔化溫度(約1800℃)附近,相應玻璃液黏度η=107.6dPa`s。
    2、 壓力的確定
    通過加壓可促使玻璃液之間的移動有利于玻璃的均化,但壓力過大也同樣會促使玻璃液外雜質向玻璃內部的擴散,不利于玻璃純度的保持,另外受高溫加壓爐自身的限制,壓力過高危險性增大,實驗證明壓力一般在2.5~4MPa為宜。
    3、 高溫均化時間的確定
    理論上講,高溫均化時間長有利于玻璃的充分均化,實際不然,高溫時間過長玻璃的揮發嚴重,并且在高壓之下,玻璃與容器之間的反應加劇,落在玻璃表面的揮發物向玻璃內部的擴散也相應增加,容器表面涂覆的鎢粉與石英坨壁的玻璃相互滲透也相應加劇,這樣一來既增加了玻璃中的雜質含量也造成了均化后石英玻璃坨與容器之間粘接力增加,致使容器壁在脫落時粘料嚴重(俗稱“扒皮”)。實驗確定,在玻璃軟化變形、完全攤平后高溫高壓保持30~60min即可。
    石英玻璃熱處理均化流程
    將備用石英玻璃坨放在涂鎢粉并經高溫焙燒過的石墨坩堝中,裝入真空加壓加壓爐內密閉爐體,在真空下(160Pa)升溫,升溫過程不同于水晶原料電熔法生產石英玻璃“兩急一緩”的升溫工藝,在350℃以下升溫不可過快,因在低溫區升溫過快,石英玻璃坨內外溫度均勻后(大約30min)可均勻地快速升溫,知道玻璃軟化變形,開始保溫,30min后關閉真空泵充入N2加壓,壓力4MPa左右,加壓保溫40~60min(視爐內玻璃的均化程度而定),待確認已好后徐徐降溫,降溫速度不可過快,以免玻璃產生過大的應力造成玻璃的炸裂。
    通常情況下,石英玻璃坨經過一次均化后,坨中原有的未熔SiO2微粒及微氣泡即消失,但通過對其羥基分布的測試,分布不均的現象尚未完全改善,根據適用的具體要求,有時需進行兩次以上的均化處理,但需將前一次的石英坨在裝爐時將方向改變180度,即把前一次的上表面作為下一次的下表面,這樣由于石英玻璃本身在軟化方向上經過多次的變化就使石英玻璃內部達到完全的均化,一般情況下,合成石英玻璃需進行兩次或兩次以上的均化處理過程才能達到充分均化。
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