(10)申请公布号 (43)申请公布日 2015.02.04
C N 104326646
A (21)申请号 201410571933.6
(22)申请日 2014.10.23
C03B 20/00(2006.01)
C03C 3/06(2006.01)
(71)申请人中国建筑材料科学研究总院
地址100024 北京市朝阳区管庄东里1号
(72)发明人邵竹锋 饶传东 向在奎 符博
聂兰舰 王宏杰 王慧 王蕾
刘飞翔 王玉芬
(74)专利代理机构北京鼎佳达知识产权代理事
务所(普通合伙) 11348
代理人王伟锋
刘铁生
(54)发明名称
(57)摘要
本发明公开了一种掺杂钛的石英玻璃及其制
备方法、制备装置，该制备方法包括：将含硅原料
中，采用立式化学气相沉积法制备低膨胀石英玻
璃砣，将石英玻璃砣装入高温均化炉中均化处理，
再经过冷加工制备得到掺杂钛的石英玻璃。该制
备装置包括，四氯化硅控制系统和四氯化钛控制
系统分别连接混料瓶，混料瓶氢气控制系统和氧
气控制系统分别连接燃烧器，燃烧器位于燃烧炉
的炉膛内，基础杆一端设有托盘，托盘位于炉膛
内，所述基础杆另一端连接旋转机构，旋转机构连
接升降系统，炉膛连接烟囱。本发明能够精确的控
制掺杂数量，因此能够准确控制石英玻璃的膨胀
系数。
(51)Int.Cl.
权利要求书1页 说明书5页 附图1页
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书5页 附图1页(10)申请公布号CN 104326646 A
1.一种掺杂钛的石英玻璃的制备方法，其特征在于，包括：
将含硅原料和含钛原料放入以氢氧火焰为反应能源的燃烧器中，采用立式化学气相沉积法制备低膨胀石英玻璃砣，将石英玻璃砣装入高温均化炉中均化处理，再经过冷加工制备得到掺杂钛的石英玻璃。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)在燃烧器内通入氢气和氧气，燃烧反应形成氧化还原反应氛围；
(2)将含硅原料和含钛原料分别在物料控制下汽化蒸发，经过均匀混合装置后，在载料气体的带动下送入燃烧器内进行反应，控制含钛原料的质量为含硅原料质量的3％～10％；
反应后生成的SiO
2和TiO
2
颗粒沉积到燃烧炉内的托盘上，在1300～2000℃的高温下逐
层烧结形成低膨胀系数石英玻璃砣；托盘在基础杆的旋转下，慢速下降，石英玻璃砣逐渐长大；
(3)将石英玻璃砣经过均化和后续冷加工，最终形成掺杂钛的石英玻璃。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述含硅原料为四氯化硅，和/或，所述含钛原料为四氯化钛。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述沉积的速度为100～500克/小时。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述高温均化炉中，升温速度为200～700℃/小时，升温至1700～1900℃；所述高温均化炉为密闭结构，工作时炉内保持真空或者充入气体，所述气体为惰性气体或还原性气体。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述含硅原料的流量为800～1500g/h，所述含硅原料的流量为24～150g/h。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述载料气体为氢气、氧气或氩气，所述含硅原料载料气体流量为2-6L/min，所述含钛原料载料气体流量为含硅原料载料气体流量的3％～10％。
8.一种掺杂钛的石英玻璃，其特征在于，按照权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到。
9.一种掺杂钛的石英玻璃的制备装置，其特征在于，包括氢气控制系统、氧气控制系统、四氯化硅控制系统、四氯化钛控制系统及基础杆，所述四氯化硅控制系统和四氯化钛控制系统分别连接混料瓶，所述混料瓶连接燃烧器，所述氢气控制系统和氧气控制系统分别连接燃烧器，所述燃烧器位于燃烧炉的炉膛内，所述基础杆一端设有托盘，所述托盘位于所述炉膛内，所述基础杆另一端连接旋转机构，所述旋转机构连接升降系统，所述炉膛连接烟囱。
10.根据权利要求9所述的制备装置，其特征在于，所述燃烧器为多层包裹管状结构，所述的燃烧器的材
料为耐高温材料；所述燃烧炉为立式燃烧炉，所述燃烧器放置于炉膛的中部以上的位置，所述燃烧器的燃烧口对着炉膛内托盘的位置。
掺杂钛的石英玻璃及其制备方法、制备装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种大尺寸低膨胀系数的石英玻璃，尤其涉及一种掺杂钛的石英玻璃及其制备方法、制备装置。
背景技术
[0002] 近年来，由于不同领域的特殊需求，石英玻璃的组成成分也在不断发生改变。在石英玻璃的基础组成成分二氧化硅中掺杂不同种类的稀土或金属元素，可以改变石英玻璃在膨胀系数、强度、稳定性、透光率、耐辐照等方面的特性。在航空航天和天文领域要求反射光学元件既具有很高的轻量化率，又具有极低的热膨胀系数以保证光学元件在温度波动时能够保持其面形精度。大尺寸低膨胀石英玻璃既具有很好的可焊接性能，能够制作蜂窝状轻量化结构，同时又具有极低的热膨胀系数，和很高的抗变形强度，是反射光学领域的理想光学材料。
[0003] 目前，国内大尺寸石英玻璃的制备工艺共有四种，但是这些工艺制备的石英玻璃膨胀系数均为10-
7m/℃，经过轻量化焊接后会发生炸裂现象，且热稳定性能较差。
发明内容
[0004] 为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种实现掺杂均匀，掺杂量可控的掺杂钛的石英玻璃的制备方法。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
[0006] 一种掺杂钛的石英玻璃的制备方法，包括以下步骤：
[0007] 将含硅原料和含钛原料放入以氢氧火焰为反应能源的燃烧器中，采用立式化学气相沉积法制备低膨胀石英玻璃砣，将石英玻璃砣装入高温均化炉中均化处理，再经过冷加工制备得到掺杂钛的石英玻璃。
[0008] 进一步地，具体包括以下步骤：
[0009] (1)在燃烧器内通入氢气和氧气，燃烧反应形成氧化还原反应氛围；
[0010] (2)将含硅原料和含钛原料分别在物料控制下汽化蒸发，经过均匀混合装置后，在载料气体的带动下送入燃烧器内进行反应，控制含钛原料的质量为含硅原料质量的3％～
10％；反应后生成的SiO
2和TiO
2
颗粒沉积到燃烧炉内的托盘上，在1300～2000℃的高温
下逐层烧结形成低膨胀系数石英玻璃砣；托盘在基础杆的旋转下，慢速下降，石英玻璃砣逐渐长大；
[0011] (3)将石英玻璃砣经过均化和后续冷加工，最终形成掺杂钛的石英玻璃。[0012] 所述含硅原料为四氯化硅，和/或，所述含钛原料为四氯化钛。
[0013] 所述沉积的速度为100～500克/小时。
[0014] 所述高温均化炉中，升温速度为200～700℃/小时，最高温度为1700～1900℃；所述高温均化炉为密闭结构，工作时炉内保持真空或者充入气体，所述气体为惰性气体或还原性气体。
[0015] 所述含硅原料的流量为800～1500g/h，所述含硅原料的流量为24～150g/h。[0016] 本发明还提供一种掺杂钛的石英玻璃，按照上述的制备方法制备得到。
[0017] 本发明又提供一种掺杂钛的石英玻璃的制备装置，包括氢气控制系统、氧气控制系统、四氯化硅控制系统、四氯化钛控制系统及基础杆，所述四氯化硅控制系统和四氯化钛控制系统分别连接混料瓶，所述混料瓶连接燃烧器，所述氢气控制系统和氧气控制系统分别连接燃烧器，所述燃烧器位于燃烧炉的炉膛内，所述基础杆一端设有托盘，所述托盘位于所述炉膛内，所述基础杆另一端连接旋转机构，所述旋转机构连接升降系统，所述炉膛连接烟囱。
[0018] 所述燃烧器为多层包裹管状结构，所述的燃烧器的材料为耐高温材料。
[0019] 所述燃烧炉为立式燃烧炉，所述燃烧器放置于炉膛的中部以上的位置，所述燃烧器的燃烧口对着炉膛内托盘的位置。
[0020] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0021] 本发明在石英玻璃中掺杂一定量的二氧化钛能够明显降低石英玻璃的膨胀系数，并且采用立式化学气相沉积法能够将二氧化钛均匀掺入石英玻璃基体中，且能够精确的控制掺杂数量，因此能够准确控制石英玻璃的膨胀系数。
附图说明
[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单
地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023] 图1是本发明提供的掺杂钛的石英玻璃的制备装置的结构示意图。
[0024] 图中:1氢气控制系统、2氧气控制系统、3四氯化硅控制系统、4四氯化钛控制系统、5混料瓶、6燃烧器、7炉膛、8低膨胀石英玻璃砣、9烟筒、10升降系统、11基础杆、12旋转机构。
具体实施方式
[0025] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0026] 参见图1，一种掺杂钛的石英玻璃的制备装置，包括氢气控制系统1、氧气控制系统2、四氯化硅控制系统3、四氯化钛控制系统4及基础杆11，四氯化硅控制系统3和四氯化钛控制系统4分别连接混料瓶5，混料瓶5连接燃烧器6，氢气控制系统1和氧气控制系统2分别连接燃烧器6，燃烧器6位于燃烧炉的炉膛7内，优选，燃烧器6放置于炉膛7的中部以上的位置，燃烧器6的燃烧口对着炉膛7内托盘13的位置，基础杆11一端设有托盘13，托盘13位于炉膛7内，基础杆11另一端连接旋转机构12，旋转机构12连接升降系统10，炉膛7连接烟囱9。
[0027] 优选地，燃烧器6为多层包裹管状结构，燃烧器6的材料为耐高温材料。优选石英玻璃。
[0028] 本发明的燃烧炉为立式燃烧炉。适用于化学气相沉积工艺。
[0029] 采用本发明的装置，在石英玻璃基体中掺杂一定量的二氧化钛，掺杂均匀，掺杂量可控，本发明制备的石英玻璃在较大的温度范围内热膨胀变化较小，在合适温度条件下甚至可以实现零膨胀。
[0030] 本发明还提供一种掺杂钛的石英玻璃的制备方法，包括以下步骤：
[0031] 将含硅原料和含钛原料放入以氢氧火焰为反应能源的燃烧器中，采用立式化学气相沉积法制备低膨胀石英玻璃砣，将石英玻璃砣装入高温均化炉中均化处理，再经过冷加工制备得到掺杂钛的石英玻璃。
[0032] 为了防止内部缺陷影响最终成品的物理性能，也为了节约生产成本，本发明提供的用于制备掺杂二氧化钛的石英玻璃的工艺为化学气相沉积工艺。
[0033] 进一步地，具体包括以下步骤：
[0034] (1)在燃烧器内通入氢气和氧气，燃烧反应形成氧化还原反应氛围；
[0035] (2)将含硅原料和含钛原料分别在物料控制下汽化蒸发，经过均匀混合装置后，在载料气体的带动下送入燃烧器内进行反应，控制含钛原料的质量为含硅原料质量的3％～
10％；反应后生成的SiO
2和TiO
2
颗粒沉积到燃烧炉内的托盘上，在1300～2000℃的高温
下逐层烧结形成低膨胀系数石英玻璃砣；托盘在基础杆的旋转下，慢速下降，石英玻璃砣逐渐长大；
[0036] (3)将石英玻璃砣经过均化和后续冷加工，最终形成一定规格的掺杂钛的石英玻璃。
[0037] 所述含硅原料为四氯化硅，和/或，所述含钛原料为四氯化钛。
[0038] 所述沉积的速度为100～500克/小时，优选300克/小时。
[0039] 所述高温均化炉中，升温速度为200～700℃/小时，优选500℃/小时，最高温度为1700～1900℃，优选1800℃；所述高温均化炉为密闭结构，工作时炉内保持真空或者充入气体，所述气体为惰
性气体或还原性气体。
[0040] 所述含硅原料的流量为800～1500g/h，优选1200℃，所述含钛原料的流量为四氯化硅流量的3％～10％，优选7％。
[0041] 所述载料气体为氢气、氧气、氩气中的一种，或其它不进入玻璃结构的气体，且含硅原料载料气体流量为2-6L/min，所述含硅原料的流量为24～150g/h。
[0042] 本发明还提供一种大尺寸低膨胀系数石英玻璃，即掺杂钛的石英玻璃，以克服现有的石英玻璃膨胀系数高的问题。按照上述的制备方法制备得到，该石英玻璃的主要成分
包括TiO
2和SiO
2
，TiO
2
的质量百分含量为SiO
2
的3％～10％，其膨胀系数为10-8m/℃，甚
至更低。该石英玻璃能够焊接成蜂窝状轻量化结构，可以加工到很高的光学平整度，并且在光学系统中稳定性极高，不会随着温度的波动而改变其表面面形。其制备方法主要以四氯化硅为原料，利用化学气相沉积工艺(CVD法)制造掺杂钛的低膨胀系数的石英玻璃。本发明提供的石英玻璃在一个相对宽泛的温度范围内可实现较低的热膨胀，甚至在适合的温度条件下可实现零膨胀。可用于航空航天、光学、通讯等高科技领域。本发明的大尺寸低膨胀石英玻璃，其外形可以为任意要求的形状，其最大直径可以达到2米。其膨胀系数优于5×10-7m/℃。
[0043] 本发明的工艺反应原理：
[0044] 1)氢气和氧气在燃烧器中燃烧产生水蒸汽后与燃烧器下料管中气态四氯化硅反
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