Способ получения крупногабаритных заготовок объёмно-однородного кварцевого стекла
METHOD FOR PRODUCING LARGE-SIZED WORKPIECES OF VOLUME-HOMOGENEOUS QUARTZ GLASS

Изобретение относится к производству кварцевого стекла, характеристики которого удовлетворяют требованиям в части однородности материала по показателю преломления при изготовлении заготовок больших размеров с диаметром до 1000-1500 мм.
Описываемый способ обеспечивает получение крупногабаритных заготовок из объемно-однородного кварцевого стекла, используемых в оптике, электронике, фотонике, космической технике, для создания изделий с использованием элементов силовой оптики.
Оптические изделия из кварцевого стекла получают известными методами газовой, плазменной и вакуум-компрессионной плавкой, используя высокообогащенное, природное кварцсодержащее сырье синтетические кристаллы кварца и газообразные синтетические материалы с высоким содержанием диоксида кремния.
Так, известен способ изготовления кварцевого стекла парофазным методом в кислородно-водородном пламени (см. US2188121 A, опуб., 23.01.1940).
Однако он не обеспечивает высокой однородности по показателю преломления. В заготовках диаметром менее 100 мм и толщиной 20-30 мм разность показателей преломления между центром диска и его краем, т.е. в радиальном направлении, в лучшем случае, составляет 20-50 ⋅ 10-6.
Известен способ получения заготовок из кварцевого стекла из предварительно наплавленных паро-фазным методом в кислородно-водородном пламени, с использованием синтетических, газообразных материалов, содержащих высокую концентрацию диоксида кремния, включающий плавильную камеру, нагревательное устройство, выполненное в виде газовых горелок и формы (тигля) из молибдена (см. RU №2020132 С1, опууб., 30.09.1994).
Известный способ не обеспечивает получение высокой, объемной однородности заготовок из кварцевого стекла по показателю преломления в объеме заготовки.
В соответствии с указанным способом предварительно расплавленные блоки паро-фазным методом в кислородно-водородном пламени разрезают на части и подвергают, не менее двухкратному, вторичному переплаву в формах из молибдена, при температурах ≥1750°С, с выдержкой при t=1090±10°C в атмосфере водорода, при давлении не менее 0,5 атмосфер, при этом максимальный диаметр получаемой заготовки не превышает 300 мм. Получены заготовки, имеющие диаметр от 135 до 200 мм и толщину до 45 мм, оптическая однородность которых, выраженная в виде разности показателей преломления, не превышает 1,0-1,6 ⋅ 10-6.
Недостатком известного способа является невозможность получения крупногабаритных, объемно-однородных заготовок из кварцевого стекла с большим отходом кварцевого стекла от исходных блоков, используемых для вторичного переплава.
Технической проблемой является получение крупногабаритных, оптических заготовок диаметром более 1000 мм,
Технический результат заключается в обеспечении высокой объемной однородности крупногабаритных оптических заготовок с разностью показателей преломления ΔN≤1,0×106.
Проблема решается и технический результат достигается тем, что способ получения крупногабаритных заготовок из объемно-однородного кварцевого стекла, заключается в том, что части с высокой концентрацией диоксида кремния расплавляют в тигле, При этом, согласно изобретению, в качестве расплавляемых частей используют сырье из особо чистого диоксида кремния с чистотой не менее 99,999%, перед расплавлением в тигле части расплавляют в печи непрерывного действия, получая мерные стержни, разрезанные на мерную длину, равную толщине будущей заготовки, мерные стержни помещают в плавильный тигель, ориентируя стержни вертикально своими продольными геометрическими осями, обеспечивая заполнение полости тигля в диапазоне 85-95%, после заполнения полости тигля его помещают в плавильную камеру, вакуумируют полость тигля, удаляя из нее воздух, доводят температуру плавильной камеры до 1800°C со скоростью не более 100-150°C в час, при достижении заданной температуры прекращают процесс вакуумирования полости тигля и заполняют плавильную камеру инертным газом, поддерживая в ней давление газа не менее 25 атмосфер, выдерживая избыточное давление газа при температуре 1800°C не более 2 часов, затем температуру в плавильной камере снижают до 1200°С и понижают в ней давление до атмосферного с последующим охлаждением тигля до комнатной температуры, получая, таким образом заготовку.
Технический результат достигается также тем, что части с высокой концентрацией диоксида кремния могут получать путем гидролиза тетраэтилсиликата (С2HSO)4Si в кислотно-спиртовой среде с рН≤3,0, либо путем дробления искусственных кристаллов SiO2, выращенных в автоклаве из растворов.
Изобретение осуществляют следующим образом. Особо чистый SiO2, с содержанием примесей не более 1*106 % (чистотой 99,999%), полученный в результате гидролиза тетраэтилсиликата (С2HSO)4Si в кислотно-спиртовой среде с рН≤3,0 или особо чистый SiO2, полученный путем дробления искусственных кристаллов SiO2,, выращенных в автоклаве из растворов, непрерывно вырабатывают стержни в печах непрерывного действия (ПНД) с плотностью не менее 2,21 кг/см3, с диаметром не менее 2-х типов с допуском на диаметр не более 10%. Разрезают их на мерную длину, равную толщине будущей заготовки, помещают в плавильный тигель, обеспечивая заполнение тигля не менее чем на 85%. и не более 95%. Далее тигель помещают в рабочую плавильную камеру, удаляют воздух из тигля, поднимают температуру в плавильной камере до 1800°C со скоростью не более 100°C - 150°C в час. При достижении 1800°C отключают вакуум и заполняют камеру защитным газом, выбранным из группы ( N2, Ar, He) при давлении не менее 25 атм, выдерживают при этой температуре не более 2-х часов.
Затем температуру в рабочей камере снижают до 1200°C и понижают давление в рабочей камере до атмосферного с последующим охлаждением тигля до комнатной температуры, при этом получают заготовку диаметром до 1000 мм.
В результате разработанного способа получают объемную однородность оптических заготовок, определяемую разностью показателей преломления, которая составляет ΔN≤1,0×106.
Объемную однородность оптических заготовок получают благодаря отсутствию в исходных стержнях минеральных включений, растворенных газо-жидкостных включений и благодаря осевой ориентации в процессе вытяжки, отсутствию кислорода в рабочей камере и наличию давления при максимальной температуре.
ПРИМЕР 1
Особо чистый SiO2 (марка ОСЧ 14-4, чистота. 99,999%), полученный в результате гидролиза тетраэтилсиликата (С2HSO) 4Si в кислотно-спиртовой среде с рН ≤3,0 используют для непрерывной выработки стержней в печах непрерывного действия (ПНД) с плотностью не менее 2,21 кг/см3, с диаметром не менее 2-х типов с допуском на диаметр не более 10%. Разрезают их на мерную длину, равную толщине будущей заготовки 10 мм, помещают в плавильный тигель, обеспечивая заполнение тигля не менее чем на 85%.
Далее тигель помещают в плавильную камеру, удаляют воздух из тигля, поднимают температуру в плавильной камере до 1800°C со скоростью 100°C в час, и при достижении 1800°C отключают вакуум и заполняют камеру защитным газом (двуокисью азота N2), при давлении не менее 25 атм, выдерживают при этой температуре в течение 1,5 часа.
Затем температуру в рабочей камере монотонно снижают до 1200°C и понижают давление в рабочей камере до атмосферного с последующим охлаждением тигля до комнатной температуры, при этом получают заготовку диаметром до 1000 мм.
В результате разработанного способа получают объемную однородность оптических заготовок, определяемую разностью показателей преломления, которая составляет ΔN≤1,0×106.
ПРИМЕР 2
Особо чистый SiO2, полученный путем дробления искусственных кристаллов SiO2, выращенных в автоклаве из растворов, используют для непрерывной выработки стержней из кварцевого стекла в печах непрерывного действия (ПНД) с плотностью не менее 2,21 кг/см3, с диаметром не менее 2-х типов с допуском на диаметр не более 15%. Разрезают их на мерную длину, равную толщине 40 мм будущей заготовки, помещают в плавильный тигель, обеспечивая заполнение тигля на 95%.
Далее тигель помещают в плавильную камеру, вакуумируют, удаляя воздух из тигля, поднимают температуру в рабочей камере до 1800°C со скоростью 150°C в час, и при достижении 1800°C отключают вакуум и заполняют камеру защитным газом (аргоном Ar) при давлении до 25 атм., выдерживают при этой температуре в течение 1,5 часа.
Затем температуру в рабочей камере снижают до 1100°C и понижают давление в рабочей камере до атмосферного с последующим охлаждением тигля до комнатной температуры, при этом получают заготовку диаметром до 1500 мм.
В результате разработанного способа получают объемную однородность оптических заготовок, определяемую разностью показателей преломления, которая составляет ΔN≤1,0×106. Химические неоднородности - свили, возникают в процессе варки и выработки стекла и обусловлены непостоянством химического состава из-за непровара или улетучивания отдельных компонентов, разъедания стенок стекловаренного сосуда и плохой гомогенизации расплава. Полученная в результате разработанного способа объемная однородность оптических заготовок, определяемая разностью показателя преломления составляемая ΔN≤1,0×106, свидетельствует о новизне и промышленной применимости технологического заготовки из кварцевого стекла.
В результате разработанного способа получают оптически однородные крупногабаритные заготовки без химических неоднородностей.
Таким образом, получают однородные крупногабаритные заготовки из кварцевого стекла за счет отсутствия в исходных искусственных кристаллах растворенных газовых включений, инородных включений при непрерывной вытяжке из расплава, отсутствия окислительного фактора в атмосфере рабочей камеры и компрессии при достижении максимальной температуры при 25 атм.