石英玻璃棒退火弯曲度的分析

石英玻璃棒退火弯曲度的分析 厦筑瑕璃与工业瑕璃 石英玻璃棒退火弯曲度的分析 Theanalysisoftheannealedcamberforqua~zglass 王冬子L敏(中国建筑材料检验认证中心,北京100024) 摘要:本文探讨了石英玻璃棒弯曲度产生的原因并提出了弯棒校正工艺.. 关键词:弯曲度;退火37_艺;校正 Absract:Thearticleexplorethecauseofthequartzglassbandcamber.Itprovid ethemethodofregulatingcamber Keyword:camber;annealedtechnics;regulate 中图分类号:TQ17173+1文献标识码:B文章编号:1()03—8965(2010)04一f3051,03 1前言 石英玻璃以其高纯,耐高温,热的稳定性, 高的光透过,良好的化学稳定性和低的热膨胀等 一 系列优良的理化性能而成为一种重要的基础材 料,广泛应用于微电子,光纤通讯,激光,传感 器等高新技术领域.在光纤制造中,石英玻璃材 料是重要的配套,消耗性材料,如光纤预制棒制 备中应用的沉积管,尾管,接棒,引棒,VAD工 艺用的把持棒等.在上述应用中石英棒如果弯曲 会严重影响其使用.本文主要介绍石英棒在退火 过程产生的弯曲问题. 2石英玻璃棒制备工艺 通常情况下光纤行业用石英玻璃棒尺寸较大, 规格各异,因此需要经过特殊的加工工艺,本工 作是采用石英坨经过中频炉熔拉成为毛坯棒材, 然后经过机械精密冷加工,成为外形尺寸合格的 棒,再经过氢氧焰火焰抛光,退火处理得到表面 洁净的透明把持棒.流程见图1. 在加工过程中,会产生两种应力,一是冷加 工过程中产生的机械应力,可以通过酸洗工序去 处,具体方法是在5%-10%的氢氟酸浸泡一定的 时间即可.二是抛光过程中产生的热应力,必须 通过热处理及退火进行消除. 3热处理(退火)的机理 石英玻璃的热处理是指在转变温度和应变温 度之间进行的退火过程,旨在消除制备过程中产 生的热应力,玻璃的热应力分为暂时应力和永久 应力.当玻璃处于弹性形变范围内进行加热和冷 却时,由于玻璃不是传热良导体,因此会在它的 内外层之间产生一定的温差从而产生热应力.玻 璃退火实质上是由两个过程组成的,其一是应力 的减弱和消失,其二是防止产生新的应力.应力 的消除是以应力的松弛为依据,J.C.Maxwell[1指 出在某一温度T下应力6与松弛时间t呈指数变 化关系: 6oe一其中:o.为应力的初始值 L.H.Adams和E.D.williamson【2认为在退火温 度范围内,玻璃的应力取决于给定温度下的保温 时间: 1一1/c0==Kt 其中:K为退火常数,,o为初始及经t时 间后的内应力. 由此可见,应力松弛速度与给定的退火温 度T及在T下的保温时间t有关.在玻璃退火 处理过程中控制冷却速度是另一重要的环节, L_H.Adams和E.D.williamson【2提出了内应力与冷 51 图1石英玻璃棒加工流程图 却速度的关系,见图2. O’--0tEv(R2—3x)/[6九(1一)】 其中:仪一玻璃的膨胀系数,E一玻璃的弹性 模量, 九一玻璃的导热系数,u一玻璃6”,tjf~a松比, v一冷却速度,R__玻璃棒的半径,x一所测 点离中心的距离. 在冷却过程中温度梯度的大小是产生内应力 的主要原因,冷却速度愈慢温度梯度愈小,产生 的内应力就越小.另外,内应力的产生与应力松 弛有关,如果在一定温度下松弛速度很慢以至内 应力得不到消散,则在任何冷却速度和温度梯度 下玻璃中都不产生永久应力. 4石英玻璃退火工艺实验 石英玻璃高温退火过程中容易出现的一个问 表1不同规格石英棒材的退火温度和保温时间 产品系列退火温(oC)保温时间(分钟) 中70xL40+中36xL560106545-50 中70xL40+中36xL700106050-55 审?35XL?80010604O一45 中?35×L?800106545-50 中50XL500107050 中25XL8001055—1O6040 52 O . ‘,.1,rX 一 上K 图2石英玻璃棒中应力径向分布示意图 题是产生析晶,致使石英棒变得疏松不透明,同时, 在高温下,石英棒开始软化,在自身重力作用下 容易产生弯曲,此时弯曲度和棒材的直径中和长 度L有很大关系:直径越大,长度越短,石英棒 越不容易弯曲,直径越小,长度越长,石英棒越 容易弯曲;而且在同一温度下,退火时间越长弯 曲度越容易超标.理论上气炼透明石英玻璃的退 火温度范围为1050-1200oC.因此在退火过程中, 为减少弯曲的产生,温度不宜过高,时间不宜过长. 但温度如果不够高,又不能完全消除热应力,如 果应力过大,用户使用时会发生炸裂的情况.因 此,我们在热处理之前,将棒材进行氢氟酸处理, 去离子水清洗棒材表面,以减少高温下表面析晶 的可能性,同时根据退火机理针对不同规格的棒 材采用相应的退火温度和保温时间以消除热应力. 经过大量的试验,总结出了不同规格石英棒材的 退火温度和保温时间(见表1). 在表1所列的保温温度和时间下,既保证可 以去除绝大部分热应力又可以保证大部分的石英 棒弯曲度不超过标准.但是,由于退火炉本身温 场的不均匀性以及石英棒直径和长度在高温下对 弯曲度的影响,使每炉石英棒都会产生弯曲度超 标的情况.对于退火炉温场的不均匀性,是由于 炉体的保温材料以及加热区域设置等众多因素引 起的,在现有的条件下,只能通过寻找其它途径 来解决问题.经过分析,我们认为:寻找退火炉 建筑玻璃与工业玻璃 表2弯曲度与退火炉中位置关系 炉中位置1.11-21.31.41.52.12I22.32.42.5 弯曲度mm系列1中 30xL8000.150.180.15O12O170.27013O15020022 系列2短支撑棒O1O0.14O.1OO.08O.08O.23O1OOO9O19O19 系列3长支撑棒O.13O10O14O1O015O.25O140.110.18O17 系列4中50xL5000.100.06O.06O080070.2O0.10O.10015O16 炉中位置3.13-2333.43.54.14-243444.5 中使石英棒弯曲度变化最大的位置,并想办法使 这些位置的石英棒弯曲度不超过用户要求是最佳 的解决方案.我们选择了4个不同系列的具有代 表性的棒材做出了退火统计情况表(见表2). 在图3中,横轴代表石英棒在退火炉中的位 置,比如1就是(1,1)第1行第l列,5是(1,5) 第l行第5列,6是(2,1)第2行第1列,11 是(3,1)第3行第1列,l6是(4,1)就是第 4行第l列20是(4,5)第4行第5列.竖轴代 表石英棒的弯曲度,通过图表分析如下:4个系 列的石英棒材弯曲度主要集中在0.05,0.20之间, 以0.2O为界限,弯曲度超过0.20认为超标,小于 0.20认为正常.在退火炉中位置(2,1)和位置(3, 1)处4个系列的弯曲度均大干0.20,在退火炉中 (2,4)和(2,5)位置处,除系列1超出0-20外, 其余3个系列的弯曲度接近0.20.系列1在(1,2), (1,5),(4,4)位置处接近0.20,之所以系 列,弯曲度比较大,原因是这个系列的石英支撑 棒长度比较长,长度和直径之比大.系列4的弯 曲度整体比较小,原因是本系列棒材长度和直径 比值小,即使如此,系列4在位置(2,1)和(3, 0.35 O.3 O.25 0.2 0.15 0.1 O.O5 O 图3弯曲度与退火炉中位置关系图 圈系列 ?辱列2 口系列3 口系列4 1)处仍然达到了临界值0.2O.因此,除去个别偶 然情况,我们认为退火炉在位置(2,1)和(3, 1)处温场过高,在位置(2,4)和(2,5)需要 特别注意.基于以上结论,采取措施如下:退火 前,在位置(2,1),(3,1),(2,4),(2, 5)处的石英托基体中分别放置3块石英垫片,削 弱棒材本身重力的作用,确保石英棒中心在一个 水平面上.措施改进后,退火后的石英棒材在其 它位置弯曲度变化不大,在位置(2,1,(3, 1),(2,4),(2,5)处有比较明显的降低, 变为0.15左右. 5弯曲度校正实验 基于上述退火机理及实验,对于弯曲度超标 的石英棒材,可对其反向处理进行校正.校正的 方法是:在退火炉中,位置(2,1)和(3,1) 是温场比较高的位置,这两点的实际温度比控温 表显示的实际温度要高,因此棒材本身的重力作 用比较明显,弯曲度容易超标,因此,将已经超 标的石英棒逆时针或者顺时针旋转l80度以后放 在该位置,在高温和重力的作用下,即使弯益度 不能恢复到原来的大小,也可以减小超标的弯曲 度,使弯曲度达到用户的使用标准.值得注意的 是,在校正过程中不能在石英托中放置石英垫片, 否则不能起到校正的作用. 通过大量的生产验证,本工作制定的退火制 度是可行的,对弯曲棒的校正也行之有效,大大 减少了因弯曲而造成的损失. 参考文献(略)