[其他]制造具有高純石英玻璃體的制品的方法和用該方法生產的制品

無效

• 申請號: 87107444
• 申請日: 1987-12-10
• 公開（公告）號: CN87107444A
• 公開（公告）日: 1988-06-22
• 發明（設計）人: 詹姆斯·威廉·弗萊明;小戴維·威爾弗雷德·約翰遜;約翰·伯內特·麥克切斯尼;桑德拉·艾林·帕登尼克
• 申請（專利權）人: 美國電話電報公司
• 主分類號: C01B33/14
• 分類號: C01B33/14;C01B33/16;C03B20/00
• 代理公司: 中國專利代理有限公司
• 代理人: 楊厚昌

本發明一般地涉及制造具有高純石英玻璃體的制品，例如高純石英玻璃光學纖維的方法以及用該方法生產的制品。

目前，在眾多的工業裝置中廣泛采用具有高純石英玻璃體，即至少含有重量百分比為70二氧化硅的玻璃體的制品。例如，從高純石英玻璃光學纖維預制品拉制的光學纖維目前正普遍應用于光學通訊系統中。這類纖維一般包括一個被高純石英玻璃覆層包住的高純石英玻璃芯子，而玻璃芯子的折射率比玻璃覆層的折射率高，以便制導電磁輻射。例如，將升摻質（提高折射率的摻質）摻入芯子，或將降摻質（降低折射率的摻質）摻入覆層，或者同時分別摻入升摻質和降摻質，均可獲得上述折射率差。具有高純石英玻璃體的其他制品，例如，高純石英玻璃透鏡和棱鏡，可用于各種各樣的光學系統中，而在半導體的熱處理和加工中，則經常采用諸如高純石英玻璃耐火管、隔焰罩和持器一類的制品。

已發展了若干種制造高純石英玻璃體的技術。在那些也許是最為廣泛使用的技術中，一般先用手工選擇天然存在的石英晶體，然后將其加熱至α-β石英轉變溫度（大約573℃），使經過選擇的晶體斷裂。接著，再用手工選擇已經破裂的石英，然后，一般在一臺球磨機中破碎之。清洗，例如酸洗之后，再將破碎的石英通入氫氧焰，以便將石英粉末熔化成高純石英玻璃體。

雖然上述技術很有效，但它具有若干缺點。例如，由于需用手工挑選原料（天然存在的石英），所以此技術就比較昂貴。此外，原料中一般含有雜質，例如含有鐵離子和其他過渡金屬離子，以及含有羥基，這些雜質吸收的電磁輻射，其波長等于或接近于用于工業用的光學纖維通訊系統的波長，例如1.3微米，因此，就產生較高的光損耗。再者，原料中還常常含有其他雜質，例如，氧化鋯，這些雜質可引起散射和/或產生晶相，例如鋯石，此種晶相可降低玻璃纖維的機械強度。在球磨過程中，還會引入外加的這類散射雜質;而外加的羥基離子則是通過氫氧焰引入的。另外，這種特殊的玻璃制造技術一般會妨礙將摻質摻入所形成的玻璃體中。因而，一般認為，這種技術不適于用來制造某些高純石英玻璃體，包括光學纖維預制品。

已發展出至少可避免上述某些缺點的技術，因此這些技術制造出諸如光學纖維預制品一類的高純石英玻璃體。其中有關的兩種技藝是外汽相沉積（OVD）技術和汽相軸向沉積（VAD）技術。在這兩種技術中，將諸如SiCl₄和O₂一類的反應氣體通入氫氧焰，在氫氧焰中它們反應形成稱為煙灰顆粒的二氧化硅顆粒，然后用熱泳的方法將其沉積在玻璃基體上。例如，如果希望通過摻入諸如GeO₂或P₂O₅一類的升摻質來提高所形成的玻璃體的折射率，那么反應氣體一般還應包括GeCl₄或POCl₃（它們與O₂反應形成升摻質）。然后，在任何情況下，將形成的比較多孔的煙灰塊加熱至燒結溫度（一般約為1400至1500℃），形成比較致密的高純石英玻璃體。

如上所述，OVD和VAD技術均可將摻質摻入玻璃體，因此可用于制造，例如光學纖維預制品。但是，在這些技術中，煙灰顆粒的沉積速度是比較低的，因為沉積速度既受到所采用的熱泳的限制，又受到在氫氧焰加熱的氣流中的二氧化硅顆粒的低濃度的限制。因此，所形成的玻璃體是比較貴的。

另一種用于制造光學纖維預制品的技術稱為化學汽相沉積（CVD）技術。在該技術中，將上面所述的一類反應氣體通入一個二氧化硅基體管中，使這類氣體擴散到管的內表面，在該內表面上它們反應形成比較致密的石英玻璃。遺憾的是，玻璃的形成速度較低。而且，通過提高反應氣體濃度來加快玻璃形成速度的嘗試也未獲成功，因為這種比較高的濃度可導致二氧化硅顆粒的氣相成核作用，而這些有核的二氧化硅顆粒常常被氣流從該基體管中掃出，而不是被沉積在該基體管的內表面上。另外，通過提高反應氣體流速來提高玻璃形成速度的努力也受到了挫折，因為在此種比較高的流速下，反應氣體在被掃出該基體管前，沒有足夠的時間擴散到該基體管壁的內表面上（進行反應和形成二氧化硅）。因此，這種技術也是比較昂貴的。