一种石英玻璃预制件的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光纤光缆技术领域，更具体地，涉及一种石英玻璃预制件的制备方法，具体为一种使用高纯石英颗粒直接熔融形成柱状石英棒或者石英玻璃管的方法，可应用于光纤预制棒的制备。
【背景技术】
[0002]光纤预制棒制备技术一直被认为是光纤制备过程中最为核心的部分，主要分为芯棒制备技术和外包技术，其中光纤的性能主要由芯棒决定，而光纤的成本差异主要来自于外包层。因此全世界各大企业和研究机构都在不断升级现有技术和开发新的预制棒制备技术。
[0003]主流的预制棒外包技术有Soot外包、套管法和等离子喷涂技术，其中Soot外包技术被认为是目前最适合制备单模光纤外包层的技术，该技术市场占有率高达70 %，在美国专利US3932162中提到，通过硅的化合物(主要是四氯化硅和硅烷)与氧气在氢氧焰下水解生成二氧化硅烟炙体(Soot)沉积到芯棒上，形成多孔的石英粉体棒，然后通过脱水处理和烧结，形成透明预制棒，此方法不但可以直接在芯棒上沉积制作外包层，也可以制作玻璃套管。之后美国专利US5211732进行了改进，增加了喷灯的数量，并调整了喷灯的排列方式，将沉积速度提高了三倍以上。
[0004]套管法是将芯棒经过腐蚀干燥处理之后，插入对应尺寸的石英套管中，组合形成可拉丝的光纤预制棒，直接拉丝制备光纤，芯棒形成光纤的芯层，而石英套管则形成光纤的外包层，而用于组合的高纯石英套管目前主要是通过OVD (外部气相沉积法)和VAD (轴向气相沉积法)技术制备，美国专利US20130115391中提出，通过OVD法可以制备外部尺寸大于400mm，内部尺寸大于300mm的中空石英锭，然后通过拉管工艺得到尺寸较小的石英套管。目前用于光纤预制棒最大尺寸的套管，外径达到206mm，并开发了 RIC+ODD (rod incylinder+overclad during draw)工艺，省去了套管与芯棒恪缩的工序。
[0005]等离子喷涂技术包含APVD和POD (plasma outside deposit1n)，两者的区别在于APVD是使用高纯的石英颗粒在高温等离子焰下熔融喷涂在芯棒上，形成外包层；而POD是通过四氯化硅和氧气在等离子焰下反应生成二氧化硅。
[0006]除以上的技术之外，还有其他的预制棒制备技术，如通过石英砂熔融制备光纤预制棒外包层，美国专利US8132429B2中提到，先将制备好的芯棒插入石英玻璃制备的管状衬体中心，然后在石英管内倒入高纯石英颗粒，经过高温加热，将石英砂与石英管烧实，制备成可供拉丝的光纤预制棒，其中使用的高纯石英颗粒是通过溶胶凝胶法制备得到。一方面使用的石英颗粒不能进行掺杂，不能调整其包层的折射率，使该专利的应用受到了很大限制；另一方面，由于石英管壁的厚度很薄，不超过石英管直径的十分之一，所以会因为与石英颗粒的膨胀系数的差异，形成裂纹。
[0007]专利EP226182A1对其进行了改进，通过碳氟化合物的处理石英颗粒，能改变石英颗粒的折射率，并采用壁厚更薄的石英管，并在形成透明柱体后，通过打磨将石英管壁去除，减少石英管壁带来的杂质。
[0008]美国专利US20110299824A1提出，通过控制加热区域的温度曲线，经过600 °C的热处理，将石英颗粒从a-quartz转变为β-quartz，或者进一步提高温度，转化成β -Tridymite或者β -Cristobalite,从而减少颗粒的膨胀系数，降低石英管壁破裂的概率，但是石英管仍然会影响内部的石英颗粒的受热分布以及内部石英颗粒的气体排出，另夕卜，石英管由于长时间在高温下与高纯石英颗粒接触，石英管中的杂质会渗入石英颗粒，最终在石英颗粒烧实成石英柱体的时候，残留在石英柱体靠近中心的位置。而且石英管被当做耗材，每制作一根预制棒，都会损耗掉石英管，不能重复利用，增加了成本。
[0009]因此需要解决上述的问题，才能进一步的提高石英颗粒直接恪制制备预制棒或其他高纯石英玻璃制品的品质，降低成本。
【发明内容】
[0010]本发明是将光纤预制棒的芯棒或者其他材料构成的芯轴插入一端封口的柱状衬体或者近似于柱状的其他模具中，然后将高纯二氧化硅颗粒(例如高纯石英颗粒)经过脱水后，倒入模具与芯棒的间隙中，再经过一定时间的高温烧结，所述烧结温度T1范围是1400°C?1600°C，当石英颗粒能够支撑起自身的重量后，但仍是多孔疏松结构，以下称自承点，将模具与石英颗粒脱离，以下称为脱模，留下多孔的石英柱体继续烧实，温度为1700°C以上，最后形成透明石英玻璃件的方法。
[0011]本发明用于直接在光纤预制棒芯棒上熔融石英颗粒，形成预制棒外包层，也可以在石英玻璃管的外表面上熔融石英颗粒，增加玻璃管壁的厚度，形成尺寸更大的石英玻璃套管，与芯棒组合拉丝后形成光纤外包层。
[0012]本发明也可以通过在石英颗粒中加入其他纵向贯穿整个石英颗粒的衬棒，在自承点拔出衬棒，形成多孔的预制棒外包层结构。
[0013]本发明的具体实施方案如下:
[0014]如图1所示，将高纯石英颗粒5通过入料口 I倒入石英坩祸或者其他耐高温容器2，在容器底部的进气口 3通入氯气和氧气，并通过耐高温筛6，将石英颗粒吹起，耐高温筛6可承受1300°C以上高温，孔径50 μ m以下，容器内的温度为900°C?1300°C，优选1050°C?1300°C，反应后的气体通过排气口 4排出，反应持续I小时以上，处理后的石英颗粒通过出料口 7倒出。高纯石英颗粒可以是天然石英砂、人造石英砂或者石英粉体，甚至是尺寸更小的二氧化娃纳米粉体，石英颗粒的平均粒径在300 μm以下，优选150 μm以下。其中二氧化硅纳米颗粒也包含了 Soot外包法或者其他方法中收集的废料或者通过这些废料提纯加工后得到的粉体产物。经反应脱水后的二氧化硅颗粒OH含量可以达到1ppm以下。
[0015]可在脱水的过程中向耐高温容器2中加入适量其他气体，改变石英颗粒的折射率，可以根据需要通入不同比例和种类的气体来调整颗粒的掺杂程度。
[0016]如图2所示，将光纤预制棒的芯棒或者其他耐高温材料制作的芯轴8插入柱状模具，模具由模具(上)10和模具(下)9两部分组成，制作芯轴8的材料可以是石英，氮化硼，氧化铝等耐高温材料，芯轴通过上端夹持件11夹持住，芯棒可以通过PCVD、0VD, VAD, MCVD等预制棒芯棒工艺制得。芯轴8与模具的中心重合，两者在组合端闭合。
[0017]将脱水处理后的高纯石英颗粒5从出气口 13倒入芯轴和模具(下)9的间隙，倒入过程中对模具(下)9和模具(上)10进行振动(振动装置未在图中画出)，使石英颗粒5能够均匀的分散。模具9和10要求至少能承受1600°C高温，能承受1700°C以上高温为佳，在高温下不与二氧化硅粘连，高温下不与二氧化硅发生反应。模具的材料可以使用高纯石墨、尚纯氧化招、氣化棚等尚温耐火材料或者复合耐火材料。t旲具(下)9的底端有耐尚温筛12，筛孔的尺寸小于石英颗粒的尺寸，筛孔孔的尺寸50 μ m以下。
[0018]当石英颗粒为纳米级别时，可先在模具底部放置少量的尺寸较大的石英颗粒，覆盖住小孔，然后再倒入纳米石英颗粒。
[0019]石英颗粒填充完成后，继续振动15min以上后停止，优选振动30min以上，装填的石英颗粒高度不得超过模具(下)9。如图3所示，将填充好石英颗粒的模具上下端分别夹持在可以旋转的上端旋转夹持架14和下端旋转夹持架15上，移动到炉腔17中，上端旋转夹持架14和下端旋转夹持架15以相同的速度旋转，旋转速度为5?10rpm/min。
[0020]如图4所示，将炉腔17中的气体从出气口 13抽出，然后从炉腔17底部的进气孔19通入氦气，并持续的抽气，使炉腔内形成负压，氦气的流量为2?7L/min，负压为10Pa以下，优选20Pa以下，炉腔温度升高到1400°C?1600°C，优选1450°C?1525°C，使石英颗粒表面逐渐形成液相，颗粒之间的粘着力逐渐提高，直到颗粒间的粘着力足以支撑自身的重量，但此时仍是多孔的石英柱体18。选用的石英颗粒的性质以及多孔石英柱体尺寸的不同，需要达到自承点的时间范围也会有所不同。
[0021]此时，如图5(1)所示，调整炉腔17内的气压，从负压变为微正压，然后将模具从垂直方向上拔出，与石英柱体分离，同时防止外部的空气在模具取出腔体的时候，从设备间隙中进入炉腔17。然后封闭加热炉炉腔17，将气压调整为原来的负压。
[0022]另一个实现方法如图5(2)所示增加一个缓冲区20，缓冲区有一个舱门与大气相通，缓冲区与加热炉炉腔17之间有一个阀门，当石英颗粒和模具开始放入加热炉腔体内时，舱门处于关闭状态，而与加热炉腔体之间的阀门打开，缓冲腔与加热炉气氛相通。当需要拔出模具的时候，不需要将气压变为正压，直接将模具分离，然后将烧结后的石英颗粒形成的柱体移动到缓冲腔内，然后关闭缓冲腔与加热炉之间的阀门，打开舱门，取出模具，这样加热炉腔体之间的气压不会变化，可以一直维持所需要的负压。模具在拨出的时候，与芯棒相连的下端旋转夹持架15保持原有旋转的状态，与模具相连的旋转夹头转速不变，但开始在垂直方向上提拉，直到模具与石英柱体完全分离。
[0023]另一个模具脱离的实现方法是保持芯棒的上端旋转夹持架14原有旋转状态，在脱模时，略微减少或者增加模具的下端旋转夹持架15的转速，使模具与石英柱体分离，然后将垂直方向上提拉模具，实现完全分离。
[0024]本发明中提到的模具与石英柱体分离的方法，在降温时，模具已经与石英柱体分离，因此不会因为膨胀系数的差异在模具或者石英柱体表面