JPH08208249A - 溶融シリカガラス製品の製造方法 - Google Patents
溶融シリカガラス製品の製造方法Info
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Abstract
製した溶融シリカの製品において、種結晶およびボイド
のような内部の欠陥をなくす。 【解決手段】 シリカガラス粒子から作った生のボディ
をチャンバー内に配置し、チャンバーをヘリウムでパー
ジするかまたはチャンバーを真空にしながら、チャンバ
ーの温度を1720℃まで上昇させることにより生のボディ
を乾燥して焼結する。チャンバー内の温度を少なくとも
1750℃に上昇させ、約6.9 MPa未満の圧力でチャンバ
ー中に不活性ガスを導入し、加圧した雰囲気を少なくと
もシリカガラスのアニール点よりも低い温度に維持しな
がらチャンバーを冷却することにより焼結ボディを固結
する。
Description
多孔性シリカボディから実質的に欠陥のない高純度の溶
融シリカの製品を製造する方法に関するものである。本
発明はさらに詳しくは、例えば、シリカ粒子または多孔
性シリカボディから調製した溶融シリカの製品に発生す
る種結晶(seeds )およびボイド等の内部の物理的欠陥
の大きさを減少させる方法、最も好ましくはそれらを全
体的になくす方法に関するものである。
的に、2つのよく知られた一般的な工程がある。
結)して一体の製品を形成する。
または非晶質多孔性予備成形物の形状に熱的に分解でき
るシリカ含有化合物を火炎加水分解または酸化する操作
においては、その分解した粒子または予備成形物を焼結
(固結)して一体ボディを形成する。
/または熱間等圧圧縮成形により、各例の焼結工程を行
なっている。
孔性ボディにも使用でき、特に、ゾルゲル工程により成
形された高純度の溶融シリカに特に適した改良方法が提
案されている。したがって、本発明をこの方法に関連し
て記載する。ゾルゲル工程は米国特許第4,789,389 に記
載されている。
に、構造の内部にいくつかのボイドおよび/または種結
晶が残留した。米国特許第4,961,767 号にはさらに、約
100 psig(約0.69Mpa)より大きい圧力で不活性
ガスを導入し(通常は1000psig(約6.9 MPa)以
上の圧力でアルゴンを導入する)かつ約1150℃より高い
温度に設定したチャンバー内で熱間等圧圧縮成形により
焼結したボディを圧密する工程が教示されている。熱間
等圧圧縮成形には最終製品内のボイドおよび/または種
結晶の数および大きさを減少させる作用があるが、アル
ゴンはガラスボディの表面から約0.25インチ(6.35m
m)の深さまで侵入し、緑色の蛍光境界領域を生じ、さ
らに複屈折を増大させ、屈折率の均質性をなくしてしま
う。このような問題を克服するために、すり(grindin
g)と研磨(polishing )により外側の蛍光領域を除去
しているが、それによって、ガラスが削り取られて減少
し、製品のコストが高くなってしまう。
シリカボディから調製した溶融シリカの製品中に見られ
る、種結晶およびボイドのような内部欠陥の大きさを減
少させる方法、より好ましくはこれらの内部欠陥を除去
する方法を提供することにある。
ルゲル工程に適合させることにある。
に説明しているように、ヒュームドシリカからシリカゲ
ルを調製することができるが、ケイ素含有有機化合物か
らゲルを製造するほうが一般的に容易である。さらに、
シリカゲルを製造するのに用いる方法に差があるため
に、ヒュームドシリカよりも、ケイ素含有有機化合物の
ほうが、一般的により純度の高いものが製造できる。さ
らに、ヒュームドシリカからよりも、有機化合物から製
造したほうが、製造中に生じる汚染物が少ない。したが
って、好ましい前駆体シリカゲルはケイ素含有有機化合
物から調製する。好ましい有機化合物の化学式は、Si
(OR)4 またはSiR(OR)3 (ここで、Rはアル
キル基を示す)である。最も好ましい化合物はSi(O
C2 H5 )4 (TEOS)である。
完全に焼結されたボディを固結(consolidate )するた
めに米国特許第4,789,389 号に開示されている熱間等圧
圧縮成形方法の代わりに加圧焼結(pressure assisted
sintering )と称する工程を用いる。本発明の工程は、
熱間等圧圧縮(hot isostatic pressing)成形に用いら
れているより高い温度、低い圧力で行なう。したがっ
て、本発明の加圧焼結工程には、少なくとも1750℃の温
度、および1000psig(約6.9 MPa)未満、最も好
ましくは100 psig(約0.69MPa)未満の圧力を用
いる。固めたボディを少なくともガラスのアニール点よ
りも低い温度まで冷却する間、このガス圧を維持する。
の製品が望まれる場合、本発明は、(1) シリカ粒子か
ら生のボディを形成し、(2) この生のボディをチャン
バー内に配置し、チャンバーをヘリウムでパージするか
またはチャンバーを真空にしながら、チャンバーの温度
を1720℃より高い温度まで上昇させることにより生のボ
ディを乾燥させて焼結し、(3) チャンバー内(最も好
ましくは、粒子を焼結したチャンバーと同一のチャンバ
ー)の温度を少なくとも1750℃まで上昇させ、約1000p
sig(6.9 MPa)未満の圧力で不活性ガスをチャン
バー内に導入し、加圧された雰囲気を維持しながら少な
くともガラスのアニール点よりも低い温度までチャンバ
ーを冷却することにより、チャンバー内の焼結した生の
ボディを固結する(consolidate )各工程からなる。
溶融シリカの製品が望まれる場合には、本発明の方法
は、(1) 多孔性ボディをチャンバー内に配置し、チャ
ンバーをヘリウムでパージするかまたはチャンバーを真
空にしながら、チャンバーの温度を1720℃より高い温度
まで上昇させて多孔性ボディを焼結し、(2) チャンバ
ー(最も好ましくは、多孔性ボディを焼結したものと同
一のチャンバー)内の温度を少なくとも1750℃まで上昇
させ、1000psig(6.9 MPa)未満の圧力でチャン
バー中に不活性ガスを導入し、雰囲気を加圧した状態に
維持しながら少なくともガラスのアニール点よりも低い
温度までチャンバーを冷却することによりチャンバー内
にある焼結ボディを固める各工程からなる。
して詳述しているが、この2つの工程を同一の焼成チャ
ンバー内で1つの連続工程に併合しても差支えない。し
たがって、例えば、焼結による欠陥を減少および/また
は取り除くために真空焼結および加圧を同一の炉内で行
なっても差支えない。そして、不活性ガスとしてヘリウ
ムを用いる場合、チャンバーをヘリウムでパージして、
その後チャンバーをヘリウムで加圧してもよい。
の方法を、添加物(dopant)を加えた溶融シリカガラス
製品にも実施できる。したがって、化学式がSi(O
R)4またはSiR(OR)3 であるケイ素含有有機化
合物を少なくとも1種類含有する溶液中にガラス製品を
入れることにより、このガラス製品に添加物を加えても
差支えない。ここで、Rはアルキル基であり、前記添加
物は、アルミニウム、アンチモン、バリウム、ビスマ
ス、ホウ素、臭素、カドミウム、カルシウム、セリウ
ム、塩素、クロム、コバルト、銅、ユーロピウム、フッ
素、ゲルマニウム、鉄、ランタン、鉛、リチウム、マグ
ネシウム、ネオジム、ニッケル、酸素、リン、カリウ
ム、サマリウム、銀、ナトリウム、ストロンチウム、タ
ンタル、スズ、チタン、ウラン、バナジウム、イットリ
ウム、亜鉛、およびジルコニウムからなる群より選択さ
れる少なくとも1種類の元素からなる。チタンを用いる
と、線熱膨脹係数が非常に小さい(例えば、線熱膨張係
数が0℃から300 ℃までの温度範囲に亘り0.5 ×10-7/
℃未満となる)ガラスが製造できるので、チタンが好ま
しい添加物である。Ti(OR)4 (ここで、Rはアル
キル基である)としてチタンを都合よく導入する。好ま
しい化合物は、Ti(OC2 H5 )4 およびTi[OC
H(CH3 )2 ]4 からなる群より選択される。
って、ケイ素含有有機化合物の前駆体としてTEOSを
用い、生のボディを真空下で1765℃の最終焼結温度にさ
らすことにより、2インチ(5.08cm)角の立方体の溶
融シリカを4つ調製した。これらの立方体の内部には、
多くの種結晶および/またはボイドがあるのが認められ
た。電気的に加熱して雰囲気を制御したチャンバー内に
これらの立方体を配置し、Heガスを用いて以下に記載
する温度と圧力の圧密処理をこれら立方体に施した。
に亘り1700℃を保持し、次いでHeガスを導入、25℃/
分の速度で1750℃まで加熱、20分間に亘り1750℃とHe
ガス導入後の圧力を保持し、Heにより加圧したまま炉
が冷める速度で冷却*。
炉を冷ました。冷却速度は約15℃/分から25℃/分まで
の範囲であると推定した。
/またはボイドが見られたが、この圧密方法を行なった
後にはそれらの数と大きさが著しく減少した。より大き
な圧力にさらした試料には、種結晶および/またはボイ
ドがより少なくて小さかった。上記評価は実際には主観
的であるが、最終焼結工程に慣習的な高温で不活性ガス
を用いて1000psig(6.9 MPa)未満の圧力で種結
晶および/またはボイドが減少する可能性が実験により
示された。
気的に加熱した雰囲気を制御したチャンバー内で高温に
さらした。この実験の第1の目的は、種結晶および/ま
たはボイドをなくすかまたはそれらの大きさを減少させ
ることへの、低圧(例えば、25psig(0.17MPa)
および100 psig(0.69MPa))の影響を評価する
ことにある。この実験の第2の目的は、種結晶および/
またはボイドをなくすかまたは減少させる効果について
ヘリウムとアルゴンを比較することにある。これらの目
的を達成するために、制御した温度および圧力の条件に
試験試料をさらす前に、それらの試験試料内の種結晶お
よび/またはボイドの数および大きさを測定することが
重要であると考えた。
結させて得た、直径が約3.5 インチ(約8.9 cm)であ
り、高さが約2.5 インチ(約6.35cm)のシリンダーを
試料として用いた。これは高品質であったので、シリン
ダーには種結晶および/またはボイドが比較的少ない
が、固結工程の前にそれらを調査し寸法を測定できるほ
ど十分であった。
(60℃/時間)、その温度を30分間維持して、その温度
を平衡状態にすると、5秒以内に所望の圧力となるよう
に気体を入れた。この圧力を上記温度で15分間に亘り維
持し、冷却中も続けた。炉が冷める速度(R.L.)で
急冷するには、ヘリウムの場合には約80分、アルゴンの
場合には約120 分の時間を要した。
と、それらの条件が各々の試料中の種結晶および/また
はボイドの数および大きさに及ぼす影響とが列記されて
いる。「前」という項目の下には、試料中の種結晶およ
び/またはボイド(欠陥)の合計数およびそれらの大き
さごとの数が記載されている。「Lgst」は、存在す
る最大の欠陥を示している。合計数が大きさのごとの数
の合計を上回る場合には、その数の差は直径が20μm未
満の欠陥の数を示す。「後」という項目の下には、圧密
のための熱および圧力処理を行なった後の試料中の欠陥
の合計数と各々の大きさの測定値が記載されている。
は、アルゴンにより、それぞれ、100psig(0.69M
Pa)および25psig(0.17MPa)で加圧したもの
であり、いずれにも欠陥は見られなかった。実施例3お
よび4は、ヘリウムで加圧したことを除いて、実施例1
および2と同様の処理をしたものであり、これらは、10
0 psig(0.69MPa)では完全に欠陥はなくなり、
25psig(0.17MPa)では大部分が除去できた(大
きさが2μm以下の欠陥が3つだけ残った)。表に示し
た結果は、ヘリウムが溶融シリカ中に十分に遅く拡散し
て、溶融シリカの構造全体の圧力を平衡状態にする前
に、欠陥を壊すように加圧することを示しているので、
これらの結果は非常に重要であると考えられる。
ig(0.69MPa)のアルゴンおよび100 psig(0.
69MPa)のヘリウムにより15分間に亘り1550℃で加熱
加圧したものである。これらの方法を等しくするため
に、前述した実施例と同一の条件下で試料を最初に1800
℃まで加熱し、その後1550℃まで冷却した。顕微鏡を用
いても欠陥が観察されなかった点で、これらの結果は予
期せぬものであった。溶融シリカの軟化点は約1581℃で
ある。この温度は、ガラスの粘度が約107.6 ポアズ(10
6.6 Pa・s)となる温度である。ガラスを流動させて
欠陥を壊すには、100 psig(0.69MPa)の圧力で
十分であったことが明らかである。気体の圧力が大きい
ときには、ガラスの粘度が1010ポアズ(109 Pa・s)
となる温度で欠陥を壊すことができると考えられる。
度が低下することが分かっている。アルゴンを導入した
ときの温度の低下は、ヘリウムの場合よりも著しく小さ
かった。すなわち、アルゴンを用いたときに、1800℃と
1550℃の両方の場合で、温度は約3℃低下した。それと
は対照的に、ヘリウムを100 psig(0.69MPa)で
導入した場合には、1800℃のときに温度が17℃低下し、
チャンバー内の温度が1800℃に戻るまでに約5分かかっ
た。同様に、1550℃のときには、温度が12℃低下し、チ
ャンバー内の温度が1550℃に戻るまでに約5分かかっ
た。注意深く工程を制御することにより、特に、Heお
よびArを遅い速度で導入することにより、温度の低下
を著しく小さくできることが理解されよう。
方の場合を通じて真空を維持した対照実験である。この
実験を行なって、焼結ボディを単純に再加熱しただけで
は欠陥がなくならないことを確認した。結果により、大
きな欠陥は実質的に代わらず、直径が30μm未満の6つ
の欠陥が無くなったことが分かった。
確認されたので、圧力試験には実施例8および9を選ん
だ。実施例8には、100 psig(0.69MPa)のヘリ
ウムで比較的速い冷却速度(炉の冷める速度)を用い、
一方、実施例9には、100 psig(0.69MPa)のヘ
リウムで比較的遅い冷却速度を用いた。実施例8には、
直径が100 μmより大きい欠陥が処理の前には34個もあ
ったが、圧力処理後には3個しかなかった。これとは反
対に、実施例9において、圧力処理前には同数の欠陥が
同様に分布していたが、処理後には直径が100 μmより
大きい欠陥が5個、200 μmより大きい欠陥が3個残っ
た。したがって、実施例9では、欠陥の数が著しく減少
し、残った欠陥の大きさも減少したけれども、実施例8
で残った欠陥よりも比例して大きかった。この現象は、
冷却速度が遅いためにヘリウムをガラス中に拡散させて
しまい、これがいくつかの種結晶が再成長し得る温度で
内圧と外圧とを釣り合わせてしまったかもしれないこと
を示唆している。実施例9においては、ガラスの温度は
約2.5 時間に亘り軟化点より高かったが、一方、実施例
8においては、ガラスの温度はたった約18分間だけ1580
℃であり、約26分間に亘り約1000℃であった。実施例9
の冷却速度が遅いために、特に種結晶内に気体が残留す
る場合には、欠陥が再成長する時間が十分に与えられ
る。したがって、急速な冷却、すなわち、10℃/分より
速い速度が好ましい。しかしながら、ヘリウムの圧力を
もっと高くするか、または適切な圧力のアルゴンを用い
ることにより、このような問題を解決することができ
る。アルゴンガスはヘリウムほど急速にはガラス中に拡
散しない。
屈折率が勾配状態とならないので、直径が約300 μmま
での範囲におよぶ欠陥を破壊するには、ヘリウムガスが
好ましい。アルゴンは原子の直径が大きい(したがっ
て、拡散速度が遅い)ために、アルゴンがガラス中に拡
散して圧力を釣り合わせて欠陥がもはや圧縮されなくな
る前に、ヘリウムより長い時間に亘り圧力が勾配状態と
なるので、欠陥が大きい場合には、アルゴンがより有用
であるかもしれない。ヘリウムは、冷却中またはアニー
ル操作(約1100℃)の際にガラスから容易に拡散して出
ていく。残留するどの欠陥も再成長できないほど十分に
ガラスの粘度が大きい場合には、アルゴンも同様に約14
00℃より低い温度での真空下での冷却中にガラスから拡
散して出ていく。原子の直径がより大きいネオン、キセ
ノンおよびクリプトンのような他の不活性ガスも同様に
効果的であるが、それらのコストがヘリウムおよびアル
ゴンよりも著しく高くなってしまう。
圧力チャンバーが設計されている点から、より大きな圧
力を用いることができるけれども、安全性を考えると、
約1000psig(6.9 MPa)以下のガス圧が好まし
く、100 psig(0.69MPa)以下のガス圧が最も好
ましい。研究室での実験では、約5psig(0.035 M
Pa)の最小ガス圧を提示している。
する傾向があるために、使用する際には非常に慎重に取
り扱わなければならない。さらに、水素は容易にガラス
中に拡散してしまう。したがって、HeおよびArが好
ましい不活性ガスである。
ディ全体に及ぶ屈折率の変動のような不均質性の問題を
生じてしまう欠点を伴う、焼結ガラスボディから欠陥を
除去するために高圧下でその焼結ガラスボディを熱間等
圧圧縮する必要をなくすものである。
Claims (12)
- 【請求項1】 溶融シリカガラス粒子から殆ど欠陥のな
い溶融シリカガラス製品を製造する方法であって、 (a) 前記シリカガラス粒子から生のボディを造型し、 (b) 該生のボディをチャンバー内に配置し、該チャン
バーをヘリウムでパージするかまたは該チャンバーを真
空にしながら、該チャンバーの温度を1720℃まで上昇さ
せることにより前記生のボディを乾燥して焼結し、 (c) 前記チャンバー内の温度を少なくとも1750℃に上
昇させ、約6.9 MPa未満の圧力で前記チャンバー中に
不活性ガスを導入し、加圧した雰囲気を少なくとも前記
溶融シリカガラスのアニール点よりも低い温度に維持し
ながら前記チャンバーを冷却することにより前記チャン
バー内のボディを固結する各工程からなることを特徴と
する方法。 - 【請求項2】 非晶質シリカの多孔性ボディから殆ど欠
陥のない溶融シリカガラス製品を製造する方法であっ
て、 (a) 多孔性ボディをチャンバー内に配置し、該チャン
バーをヘリウムでパージするかまたは該チャンバーを真
空にしながら、該チャンバーの温度を1720℃まで上昇さ
せることにより前記多孔性ボディを焼結し、 (b) 前記チャンバー内の温度を少なくとも1750℃に上
昇させ、約6.9 MPa未満の圧力で前記チャンバー中に
不活性ガスを導入し、加圧した雰囲気を少なくとも前記
溶融シリカガラスのアニール点よりも低い温度に維持し
ながら前記チャンバーを冷却することにより焼結した多
孔性ボディを固結する各工程からなることを特徴とする
方法。 - 【請求項3】 殆ど欠陥のない溶融シリカガラス製品を
製造する方法であって、 (a) 化学式がSi(OR)4 、またはSiR(OR)
3 であるケイ素含有有機化合物を少なくとも1種類含む
溶液を調製し、(Rはアルキル基) (b) 該溶液内のケイ素を重合させてSiO2 ゲルを形
成し、 (c) 該ゲルを、該ゲルが平均粒径が約1mm未満の粒
子になる速度で乾燥し、 (d) 該粒子を約1150℃未満の温度で焼結し、ここで、
焼結後の前記粒子の密度が最大理論的密度とほぼ等し
く、 (e) この焼結した粒子から生のボディを形成し、 (f) 該生のボディをチャンバー内に配置し、該チャン
バーの温度を約1000℃より高く上昇させ、その後、塩素
ガスを前記チャンバー内に導入する、前記チャンバーを
真空にする、および前記チャンバーを不活性ガスでパー
ジすることのうち少なくとも1つの方法で前記生のボデ
ィを乾燥して部分的に焼結し、 (g) 前記チャンバーをヘリウムでパージするかまたは
前記チャンバーを真空にしながら該チャンバーの温度を
1720℃よりも高い温度まで上昇させることにより、前記
生のボディを完全に焼結し、 (h) 前記チャンバーの温度を少なくとも1750℃に上昇
させ、約6.9 MPa未満の圧力で前記チャンバー中に不
活性ガスを導入し、その後加圧した雰囲気を少なくとも
ガラスのアニール点よりも低い温度に維持しながら前記
チャンバーを冷却することにより工程(g) で完全に焼結
したボディを固結する各工程からなることを特徴とする
方法。 - 【請求項4】 前記シリカガラス粒子に、アルミニウ
ム、アンチモン、バリウム、ベリリウム、ホウ素、臭
素、カドミウム、カルシウム、セリウム、塩素、クロ
ム、コバルト、銅、ユーロピウム、フッ素、ゲルマニウ
ム、鉄、ランタン、鉛、リチウム、マグネシウム、ネオ
ジム、ニッケル、酸素、リン、カリウム、サマリウム、
銀、ストロンチウム、タンタル、スズ、チタン、ウラ
ン、バナジウム、イットリウム、亜鉛、およびジルコニ
ウムからなる群より選択される少なくとも1つの元素を
含ませることを特徴とする請求項1、2または3記載の
方法。 - 【請求項5】 前記元素がチタンであり、前記シリカガ
ラス製品の線熱膨張係数が0℃から300 ℃の範囲に亘り
0.5 ×10-7/℃未満であることを特徴とする請求項4記
載の方法。 - 【請求項6】 前記乾燥、焼結、および固結の工程を同
一のチャンバー内で行なうことを特徴とする請求項1、
2または3記載の方法。 - 【請求項7】 前記不活性ガスが、水素、ヘリウム、ネ
オン、アルゴン、クリプトン、およびキセノンからなる
群より選択されることを特徴とする請求項1、2または
3記載の方法。 - 【請求項8】 工程(a) の前記溶液に、化学式がSi
(OC2 H5 )4 であるテトラエチルオルトシリケート
を含ませることを特徴とする請求項3記載の方法。 - 【請求項9】 前記溶液中に、化学式がTi(OC2 H
5 )4 であるテトラエチルチタネート、または化学式が
Ti[OCH(CH3 )2 ]4 であるテトライソプロピ
ルチタネート、または化学式がTi(OR)4 、ここで
Rはアルキル基、である別のチタンエステルとして、チ
タンを含ませることを特徴とする請求項8記載の方法。 - 【請求項10】 前記不活性ガスを前記チャンバー内に
約0.69MPa以下の圧力で導入することを特徴とする請
求項9記載の方法。 - 【請求項11】 前記不活性ガスを前記チャンバー内に
少なくとも0.035 MPaの圧力で導入することを特徴と
する請求項9記載の方法。 - 【請求項12】 前記不活性ガスを前記チャンバー内
に、前記シリカガラスの粘度が1010ポアズ以下となる温
度で導入することを特徴とする請求項10または11記
載の方法。
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