制造透明或不透明熔融二氧化硅的涂覆部件的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及制造由透明或不透明烙融二氧化娃构成的涂覆部件的方法，所述方法 包括下列步骤： a) 提供包含涂布表面的透明或不透明烙融二氧化娃基底； b) 将Si化颗粒层施加到所述涂布表面上，所述颗粒层含有她邻所述涂布表面并具有 第一细粒分数的内部和她邻颗粒层的自由表面并具有第二细粒分数的外部，第二细粒分数 高于第一细粒分数； C)烧结所述颗粒层W形成Si化表面层。
【背景技术】
[0002] 未惨杂或惨杂的透明烙融二氧化娃或不透明烙融二氧化娃的部件用于需要高耐 化学性和耐热性或光学透明性的许多用途。术语"石英玻璃"在下文中也用作不透明烙融二 氧化娃的通用术语。在此给出下列实例；包壳管、灯泡、盖板、光学器件的反射衬底、化学工 艺工程和装置建设中的石英玻璃反应器、装置或巧巧、半导体制造中的承载巧盘、广口瓶、 巧巧或防护屏。
[0003] 为了优化机械、光学或化学表面特性，W前制造的石英玻璃部件可W完全或部分 带有适合特定预期用途的功能层。已知的表面改性包括用具有提高的软化温度的材料涂布 W改进温度稳定性或耐化学性，或用高纯材料涂布W降低由该部件造成的污染风险。
[0004] 在石英玻璃部件暴露在高热负荷和化学侵蚀性环境下的用途中，光滑无缺陷的表 面通常非常重要。原因在于几乎没有气泡的致密表面层改进耐蚀刻性和耐腐蚀性。
[0005] 例如，用于生产娃的不透明烙融二氧化娃巧巧壁或如用于根据所谓的柴氏 (Czoc虹alski)法提拉单晶的不透明石英玻璃巧巧的与娃烙体接触的内壁承受高机械、化 学和热负荷。因此，为了降低娃烙体的腐蚀作用和尽可能少地随之从巧巧壁中释放杂质，在 原本不透明的壁上制造致密透明的石英玻璃内层。
[0006] 在最简单的情况下，通过"火焰抛光"使表面平滑和致密。在此借助等离子体或氨 氧焰将多孔壁局部加热至165(TC至220(TC的高温，W使不透明多孔基料在近表面区域转 化成透明石英玻璃。但是，已经发现，由此只能获得非常薄的透明层。原因在于玻璃化的透 明表面层充当绝热体W致难W充分加热仍不透明的下方部分。用相当高的火焰温度加工常 常导致塑性变形和蒸发气态一氧化娃（SiO)。
[0007] 可通过提供具有较低粘度或较高烧结活性的要热致密化的近表面组成部分来促 进致密烧结。例如在DE 10 2008 030 310 A1中提出该一提议，其也公开了上述类型的方 法。石英玻璃巧巧在此由几个Si〇2颗粒层构成，它们的平均粒度依次递减。首先在机械固 结的粗粒石英砂的巧巧状颗粒层上形成具有50微米至120微米粒度的合成石英玻璃颗粒 层，再在其上形成具有大约15微米平均粒度的球形合成Si〇2细粒的最内SiO 2颗粒层。该 些颗粒层随后借助电弧从内向外烧结，其中最内颗粒层的微细石英玻璃粉首先烙融并由此 形成致密玻璃层。它的高烧结活性的作用是，可W在较低温度下用短加热持续时间获得没 有局部不均匀和气泡的足够厚和特别均匀的玻璃质内层。
[0008] 但是，该透明内层的制造复杂，因为其需要使用性质和成层特征不同的不同Si化 颗粒的多个涂布步骤。例如，最内层的合成Si化颗粒的高烧结活性归因于它的小粒度和高 比表面积。但是，另一方面，该些特征使得在标准工艺条件下的操作更困难。例如，在电弧 压力的作用下W及由气流和热对流容易吹散微细颗粒，W致难W制造厚度均匀的颗粒层。
[0009] 本身在层的制造中借助标准浆料德铸法避免该一缺点，其中将微细Si化粉末吸收 在分散液中并由此更容易操作。
[0010] 例如，DE 2004 051 846 A1描述了带有反射层的石英玻璃部件的制造，其中该反 射层也由石英玻璃构成并借助浆料德铸法制造。制造含有无定形Si化粒子的高填充可德 铸含水浆料。通过湿磨Si〇2颗粒制造该无定形SiO 2粒子并具有1微米至50微米的平均粒 度。在要涂布的石英玻璃基体的表面上，通过喷涂、静电辅助喷涂、流涂、旋涂、浸涂或分散 涂布施加该浆料层。将该浆料层干燥成生逐层并随后烧结成由不透明石英玻璃构成的反射 层。
[0011] 在根据DE 10 2006 046 619 A1的该种方法的改进中，通过添加Si化纳米粒子改 变Si〇2浆料的流动行为W实现改进的铺展性。如果SiO 2纳米粒子在总固含量中的重量分 数为0. 2重量％至15重量％，则实现Si〇2浆料的相当结构粘性-触变性流动行为，该防止 从弧形表面流走。
[0012] 在W0 2011/042262 A2中也选择类似的途径。为了通过在其上简单喷涂浆料层而 在基体上可再现地制造石英玻璃的表面层，提出含有裂片状Si化颗粒、非晶球形Si〇2粒子、 Si化纳米粒子和非离子型无碱表面活性剂的复合浆料。球形粒子的量越高，可W在浆料层 中设定越高的固体密度，该防止在干燥和烧结过程中生成应力。但是，可喷涂性需要74至 78重量％的相对较低的固含量。表面活性剂降低表面张力，由此提高该浆料在低剪切应力 下的粘度。
[0013] S. M. Olhero 等人，"Particle Segregation phenomena occurring during the slip casting process", CERAMICS INTERNATIONAL Vol. 28，No. 4，2002年 1月 1 日， 377-386致力于解决使用包括5至15重量％的重量分数的Si〇2纳米粒子的含SiO 2粒子的 浆料制成的粉浆德铸部件的偏析现象。偏析通常被认为有害，因为其产生机械脆弱的生逐。 据报道，偏析由两种机理造成，一种是重力，另一种是所谓的"结块（clogging the cake)"， 该与Si化纳米粒子的结块倾向有关。其中的主导机制取决于许多因素，尤其取决于浆料中 的固含量(该为40至50体积％不等）和粒度分布。
[0014] DE 10 2006 032 687 A1描述了用于制造由技术陶瓷制成的丸粒的压铸法。使用 含有具有10至30微米粒度的陶瓷材料粒子的浆料。此外，该浆料含有由相同技术陶瓷制 成的纳米粒子，所述纳米粒子具有50至300纳米的粒度。在压铸过程中，纳米粒子转移至 模制品表面并积聚在此。因此，该模制品在其表面附近表现出提高的密度，W致在脱模过程 中压向模制品的水无法渗入表面。由此避免损害生逐。
[0015] 但是，根据施加技术和该部件的涂布表面的表面性质，在烧结后可能获得多孔表 面，尤其是在涂布表面本身已多孔的情况下。为获得足够厚的透明玻璃化层和致密层，需要 高烧结温度，该倾向于产生粗趟不平的表面。
[0016] 但是，通过在浆料中更大程度加载Si化纳米粒子来提高由此制成的浆料层的烧结 活性具有限制。该浆料的流动特性在此不可接受地发生变化。此外，在Si〇2纳米粒子的高 含量下，由于干燥和烧结过程中的收缩提高，产生越来越多的收缩裂纹。
[0017] 因此，根据上述制造方法施加多个浆料层W相继制造烧结活性越来越高的颗粒层 也需要大致相同的努力。
[0018] 另一方面，浆料德铸法，特别是浆料层的喷涂能够比较便宜地制造层。喷涂的浆料 层还W层厚度中特别均匀的粒度分布为特征。因此最好在石英玻璃上的致密层制造中将其 缺陷减至最少。
[0019] 通常，需要尽可能无缺陷的浆料层。一个标准在于该层在重力作用下不流欄。浆 料层的该一性质在实践中被称作"承载能力（carrying capacity)";或称作"层承载"。要 通过喷涂加工的浆料必须稀。但是，为了赋予液体浆料层承载能力，必须使层厚度比较小。
[0020] 因此本发明的目的是提供在石英玻璃部件的涂布表面上制造光滑致密表面层的 方法，其可W W较低成本和在层厚度大于100微米的情况下，尤其在涂布表面本身多孔的 情况下W可再现的方式制造。
【发明内容】
[0021] 从上述方法出发，根据本发明实现该一目的，其中根据方法步骤化）施加Si化颗 粒层包括： (I) 提供含有分散液和无定形Si化粒子的分散体，所述无定形SiO 2粒子形成粒度为1 微米至50微米的粗粒级和具有小于100纳米的粒度的Si化纳米粒子细粒级，其中所述分 散体的固含量为70至80重量％，其中2重量％至15重量％是Si化纳米粒子， (II) 通过德铸或喷射将所述分散体施加到涂布表面上W形成具有至少0. 3毫米的层 厚度的浆料层；和 (III) 通过W-定速率和方向除去分散液，干燥所述浆料层，所述速率和方向使得在 除去分散液的作用下，细粒级富集在所述颗粒层的外部，由此形成铸件表皮。
[0022] 干燥的浆料层在下文中也被称作"生逐层"。其构成本发明意义内的"颗粒层"，该 层需要通过烧结热致密化W形成致密表面层。烧结能力极大取决于近表面区域中的浆料层 的组成。Si化纳米粒子的量在此是决定性的。高量导致提高的烧结活性，该允许