描述了制备基于二氧化硅的玻璃的方法，其中，二氧化硅前体材料以乳液形式输送至合成火焰。所述方法包括以下步骤：形成水相在非水性液体二氧化硅前体材料中的乳液；以液滴的喷雾形式将所述乳液输送至合成火焰中，从而所述前体材料在火焰中转化为含二氧化硅的烟炱；以及在基板上收集所述烟炱作为多孔烟炱体用于后续固结成玻璃，或直接作为基本无孔的玻璃。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及合成的二氧化硅玻璃的制备，其可以是纯的或掺杂的。优选地，本专利技术涉及通过喷射的液体二氧化硅前体材料在合成燃烧器的火焰中的受控燃烧以得到二氧化娃颗粒(例如，纳米颗粒)来制造这种玻璃，可选地所述二氧化娃颗粒与一种或多种掺杂剂(例如金属氧化物)混合。该颗粒可以沉积以得到多孔烟炱体用于后续固结成无孔玻璃，或可在更高的温度下沉积以直接得到无孔玻璃。更好地，尽管不限于此，本专利技术涉及基本上不含任何微泡或内含物的高品质的合成玻璃质二氧化硅的制备，该二氧化硅可用一种或多种金属氧化物均匀地掺杂，该氧化物可耐火且难以溶解于二氧化硅玻璃中。本方法还可用于提供用非金属掺杂剂掺杂的二氧化硅玻璃，包括例如硼和磷的氧化物。 根据本专利技术制备的玻璃产品可用作，例如，光学材料。在这些情况下，任何掺杂剂可赋予有用的性质。例如，铈(可选地添加了钛)可用于引入在特定波长下受控的光吸收；此夕卜，稀土金属例如铕、钕、钐、镱等可用于引入需要的光致发光、潜在的激光活性等。这些玻璃可用于平面的或其它的光学纤维或波导的制备，或大规模利用它们的光学性质。掺杂可用于得到其它特有的物理性质。用某些稀土金属氧化物掺杂，例如钇，在有或没有另一种金属例如铝作为共掺杂剂的情况下，可赋予在半导体制备的等离子体蚀刻过程中对含氟气体的蚀刻具有耐受性。用钛掺杂，可选地在存在其它金属物质的情况下，可用于制造具有低的或甚至为O的热膨胀系数的玻璃。用某些物质掺杂可用于增加玻璃的粘度等。所列的这些并不认为是全面的，本专利技术方法制备的玻璃在光学、半导体和其它工业领域还存在许多潜在的应用。
技术介绍
近年来，通过气相沉积法制备合成的二氧化硅玻璃是相当普遍的，其中，硅化合物的蒸汽被送入燃烧器，可选地与一种或多种掺杂剂前体的蒸汽混合，并在火焰中转化为氧化物纳米颗粒。然后将这些颗粒沉积，或者作为多孔体(称为烟炱体)，其可随后烧结成无孔玻璃，或者在更高的温度下直接形成玻璃，所谓的直接石英法。挥发性前体的需要导致广泛使用四氯化硅作为主要的二氧化硅前体，以及当产品需要掺杂时，需要使用各种金属和非金属氯化物作为掺杂剂前体。然而，使用挥发性的不含氯的二氧化硅前体代替四氯化硅具有一些优点，特别是流出气体中不含酸性副产物。在一些早期的合成二氧化硅的工作(例如US 2，272，342)中，认识到烷氧基化物的潜在使用，但近来硅氧烷被用作具有非常高硅含量的可燃性的不含氯的前体，特别是六甲基二硅氧烷(HMDS)、八甲基环四硅氧烷(0MCTS，也称为D4)、和十甲基环四硅氧烷(DMCPS 或 D5)，参见例如 EP O, 463，045 和 US 5，043，002 (US RE 39535)。尽管现在认为以蒸汽方式加入前体是常规的，仍然有许多产生合成火焰的例子，其并非以蒸汽形式加入前体，而是通过以雾化的液滴喷雾形式加入一种或多种前体，其在火焰中蒸发，再通过氧化或水解转化为二氧化硅纳米颗粒。因此，JP 54-142317、JP 55-95638和JP 56-14438中提出通过多孔沉积物从前体喷雾到火焰中的沉积来制备纯的和掺杂的二氧化硅。JP 55-95638中提出了各种氧-氢燃烧器的结构。其中大多数地，液体(其可以是二氧化硅前体和掺杂剂前体的混合物)通过气体-爆炸(gas-blast)(气动或文丘里(pneumatic or Venturi))雾化器雾化进入氧-氢火焰，产物以多孔烟炱体形式收集再烧结成玻璃。二氧化硅前体包括四乙氧基硅烷(TEOS)和四甲氧基硅烷(TMOS)，掺杂剂前体包括PO(OC2H5)3和B(0C2H5)3。进一步地建议金属的掺杂剂可以以独立的水溶液或醇溶液的喷雾形式引入，因而用于控制产品玻璃的折射率以制造光学纤维预成形件。考虑的其它应用包括玻璃陶瓷和激光活性的玻璃组合物。以水溶液(而不是以昂贵的或不稳定的有机金属物质)的形式加入掺杂剂物质的能力，将显著降低成本，但由将两种独立的喷雾加入到火焰中产生的玻璃的品质仍然是一个问题。JP 56-14438进一步发展了雾化方法，其中，描述了如果用超声波雾化变幅杆，或可选地如果气动雾化和超声波雾化联合使用，来代替液体前体的气动雾化，则可以提高沉积速率。其报道了 400g/h的烟炱沉积速率，但将喷雾(其包含二氧化硅前体和掺杂剂的独立的液滴)转化的有效性仍是个问题，并且没有表明通过该方法产生的玻璃的品质。 其他工作者推进了用于产生纯的和掺杂的二氧化硅玻璃的喷雾燃烧。JP60-96591描述了将气动产生的四乙氧基硅烷(TEOS)或四甲氧基硅烷(TMOS)的喷雾进料引入共-环形氧-氢火焰的中心以形成多孔的纯二氧化硅的沉积物，其可烧结成玻璃。最近，US5，110，335提出使用SiCl4或TEOS作为前体液体的超声波雾化，并在氧-甲烷火焰中燃烧。许多专利中也描述了不含氯的硅氧烷前体的喷雾燃烧，用于制造纯的和掺杂的合成二氧化硅玻璃(例如 ΕΡ0，868，401、US 6, 260, 385,US 6, 588, 230,US 6, 374, 642,US 6，739，156 和US6, 837，076)。应该注意，尽管许多专利文献中描述了从用液体前体的喷雾进料的火焰沉积合成的二氧化硅，迄今为止大多数制备合成的玻璃质二氧化硅仍然是通过燃烧以蒸汽形式进料的前体来制备的。尽管存在看起来可能由液体前体的喷雾进料产生的优点。对于喷雾燃烧，看起来可能都需要提供液体储存和操作系统、计量泵和带有合适的流量控制器的必需气体供应，以及合适的燃烧器、或这些燃烧器的阵列。对于蒸汽进料，另外需要提供合适的用于二氧化硅和掺杂剂前体的加热蒸发器，和合适的用于向燃烧器中供应蒸汽的加热线路，所有的都需要装有合适的温度监测和控制设备。然而，通过喷雾燃烧制备高品质的玻璃并非没有问题。在US 6，260，385(第2栏第61行一第3栏第8行)中指出，基于气动(气体-爆炸(air-blast))雾化的简单雾化燃烧器可形成不令人满意的疣般生长的烟炱体，除非雾化气体以高速供应。这促进了雾化成更小的液滴，并降低了在液滴触击基板前不完全蒸发和燃烧的风险，但是增加的火焰湍流具有降低烟炱沉积效率的缺点，且可引起其它问题。该专利中还指出，通过使用超声波雾化可以克服这些问题，然而该选择被有利的所谓的气泡雾化燃烧器排除，在该气泡雾化燃烧器中，气体在压力下溶解于前体液体中，当液体从喷嘴中喷出时，据说液体破裂成更小的液滴，且溶解的气体在新液滴中形成气泡。然而，为了实现令人满意的对火焰的限制从而有效沉积二氧化硅烟炱，仍然需要用某些形式的管状包容物(称作“导轨”)包围喷雾。该概念的应用没有给出例子。US 6，374，642中进一步讨论了在硅氧烷喷雾燃烧过程中产生的潜在的问题。如果前体液滴太大会导致烟炱体中的缺陷。它们在完全蒸发前可触击基板，并在基板表面发生氧化。此外，在飞行中可发生部分蒸发和氧化，但二氧化硅的成核可能会在部分蒸发的液滴周围发生，导致烟炱颗粒尺寸过大。鉴于上述原因，在燃烧器中引入了超声波雾化器，作为在不需要雾化气体的过度流动情况下，获得细的液滴尺寸的一种方法。另外，从合成燃烧器中流出的反应羽流被来自两个或更多个辅助燃烧器的火焰包围，以确保前体在到达基板前完全蒸发和燃烧。这些添加极大地增加了方法的复本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.03.02 GB 1003468.41.一种制备基于ニ氧化硅的玻璃的方法，其包括以下步骤 形成水相在非水性液体ニ氧化硅前体材料中的乳液； 以液滴的喷雾形式将所述乳液输送至合成火焰中，从而所述前体材料在火焰中转化为含ニ氧化硅的烟炱；以及 在基板上收集所述烟炱作为多孔烟炱体用于后续固结成玻璃，或直接作为基本无孔的玻璃。2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述合成火焰由合成燃烧器提供。3.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述合成火焰由等离子体加热装置提供或增强。4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述ニ氧化硅前体材料是非水性不含氯的硅化合物。5.如权利要求4所述的方法，其特征在干，所述非水性不含氯的硅化合物是硅氧烷化合物或这种化合物的混合物。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述硅氧烷化合物是六甲基ニ硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、十甲基环五硅氧烷、十二甲基环六硅氧烷或它们的两种或更多种的混合物。7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述乳液的非水相还包括乳化齐U。8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述乳化剂是基于硅酮的表面活性剤。9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述水相是基本上纯的水，所述基于ニ氧化硅的玻璃是基本上纯的ニ氧化硅。10.如权利要求1-8所述的方法，其特征在于，所述水相是水和离子类物质的溶液，所述离子类物质有助于获得小液滴尺寸的乳液，和/或确保改善的喷雾燃烧。11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述离子类物质是硝酸铵。12.如权利要求1-8所述的方法，其特征在于，所述水相包含一种或多种掺杂剂物质前体的溶液。13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述水相包含ー种或多种金属掺杂剂物质的盐溶液。14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述金属掺杂剂物质...
【专利技术属性】
技术研发人员：R·B·寇派斯，A·芒迪，I·G·塞斯，
申请(专利权)人：贺利氏石英英国有限公司，
类型：发明
国别省市：
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