石英玻璃棒退火彎曲度的分析

王 冬 孔 敏（中國建筑材料檢驗認(rèn)證中心，北京100024）

1 前言

石英玻璃以其高純、耐高溫、熱的穩(wěn)定性、高的光透過、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和低的熱膨脹等一系列優(yōu)良的理化性能而成為一種重要的基礎(chǔ)材料，廣泛應(yīng)用于微電子、光纖通訊、激光、傳感器等高新技術(shù)領(lǐng)域。在光纖制造中，石英玻璃材料是重要的配套、消耗性材料，如光纖預(yù)制棒制備中應(yīng)用的沉積管、尾管、接棒、引棒、VAD工藝用的把持棒等。在上述應(yīng)用中石英棒如果彎曲會嚴(yán)重影響其使用。本文主要介紹石英棒在退火過程產(chǎn)生的彎曲問題。

2 石英玻璃棒制備工藝

通常情況下光纖行業(yè)用石英玻璃棒尺寸較大、規(guī)格各異、因此需要經(jīng)過特殊的加工工藝，本工作是采用石英坨經(jīng)過中頻爐熔拉成為毛坯棒材，然后經(jīng)過機(jī)械精密冷加工，成為外形尺寸合格的棒，再經(jīng)過氫氧焰火焰拋光、退火處理得到表面潔凈的透明把持棒。流程見圖1。

在加工過程中，會產(chǎn)生兩種應(yīng)力，一是冷加工過程中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，可以通過酸洗工序去處，具體方法是在5%~10%的氫氟酸浸泡一定的時間即可。二是拋光過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，必須通過熱處理及退火進(jìn)行消除。

3 熱處理（退火）的機(jī)理

石英玻璃的熱處理是指在轉(zhuǎn)變溫度和應(yīng)變溫度之間進(jìn)行的退火過程，旨在消除制備過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，玻璃的熱應(yīng)力分為暫時應(yīng)力和永久應(yīng)力。當(dāng)玻璃處于彈性形變范圍內(nèi)進(jìn)行加熱和冷卻時，由于玻璃不是傳熱良導(dǎo)體，因此會在它的內(nèi)外層之間產(chǎn)生一定的溫差從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。玻璃退火實質(zhì)上是由兩個過程組成的，其一是應(yīng)力的減弱和消失，其二是防止產(chǎn)生新的應(yīng)力。應(yīng)力的消除是以應(yīng)力的松弛為依據(jù)，J.C.Maxwell[1]指出在某一溫度T下應(yīng)力σ與松弛時間t呈指數(shù)變化關(guān)系：

L.H.Adams和E.D.williamson[2]認(rèn)為在退火溫度范圍內(nèi)，玻璃的應(yīng)力取決于給定溫度下的保溫時間：

1/σ－1/σ0=Kt

其中：K為退火常數(shù)，σ0、σ為初始及經(jīng)t時間后的內(nèi)應(yīng)力。

由此可見，應(yīng)力松弛速度與給定的退火溫度T及在T下的保溫時間t有關(guān)。在玻璃退火處理過程中控制冷卻速度是另一重要的環(huán)節(jié)，L.H.Adams和E.D.williamson[2]提出了內(nèi)應(yīng)力與冷卻速度的關(guān)系，見圖2。

圖1 石英玻璃棒加工流程圖

σ=αEv(R2－3x2)/[6λ(1－μ)]

其中：α—玻璃的膨脹系數(shù)，E—玻璃的彈性模量，

λ—玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)，μ—玻璃的泊松比，

v—冷卻速度，R—玻璃棒的半徑，x—所測點離中心的距離。

在冷卻過程中溫度梯度的大小是產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的主要原因，冷卻速度愈慢溫度梯度愈小，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力就越小。另外，內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生與應(yīng)力松弛有關(guān)，如果在一定溫度下松弛速度很慢以至內(nèi)應(yīng)力得不到消散，則在任何冷卻速度和溫度梯度下玻璃中都不產(chǎn)生永久應(yīng)力。

4 石英玻璃退火工藝實驗

石英玻璃高溫退火過程中容易出現(xiàn)的一個問題是產(chǎn)生析晶，致使石英棒變得疏松不透明，同時，在高溫下，石英棒開始軟化，在自身重力作用下容易產(chǎn)生彎曲，此時彎曲度和棒材的直徑Ф和長度L有很大關(guān)系：直徑越大，長度越短，石英棒越不容易彎曲，直徑越小，長度越長，石英棒越容易彎曲；而且在同一溫度下，退火時間越長彎曲度越容易超標(biāo)。理論上氣煉透明石英玻璃的退火溫度范圍為1050~1200℃。因此在退火過程中，為減少彎曲的產(chǎn)生，溫度不宜過高，時間不宜過長。但溫度如果不夠高，又不能完全消除熱應(yīng)力，如果應(yīng)力過大，用戶使用時會發(fā)生炸裂的情況。因此，我們在熱處理之前，將棒材進(jìn)行氫氟酸處理，去離子水清洗棒材表面，以減少高溫下表面析晶的可能性，同時根據(jù)退火機(jī)理針對不同規(guī)格的棒材采用相應(yīng)的退火溫度和保溫時間以消除熱應(yīng)力。經(jīng)過大量的試驗，總結(jié)出了不同規(guī)格石英棒材的退火溫度和保溫時間（見表1）。

表1 不同規(guī)格石英棒材的退火溫度和保溫時間

圖2 石英玻璃棒中應(yīng)力徑向分布示意圖

在表1所列的保溫溫度和時間下，既保證可以去除絕大部分熱應(yīng)力又可以保證大部分的石英棒彎曲度不超過標(biāo)準(zhǔn)。但是，由于退火爐本身溫場的不均勻性以及石英棒直徑和長度在高溫下對彎曲度的影響，使每爐石英棒都會產(chǎn)生彎曲度超標(biāo)的情況。對于退火爐溫場的不均勻性，是由于爐體的保溫材料以及加熱區(qū)域設(shè)置等眾多因素引起的，在現(xiàn)有的條件下，只能通過尋找其它途徑來解決問題。經(jīng)過分析，我們認(rèn)為：尋找退火爐中使石英棒彎曲度變化最大的位置，并想辦法使這些位置的石英棒彎曲度不超過用戶要求是最佳的解決方案。我們選擇了4個不同系列的具有代表性的棒材做出了退火統(tǒng)計情況表（見表2）。

表2 彎曲度與退火爐中位置關(guān)系

在圖3中，橫軸代表石英棒在退火爐中的位置，比如1就是（1，1）第1行第1列，5是（1，5）第1行第5列，6是（2，1）第2行第1列，11是（3，1）第3行第1列，16是（4，1）就是第4行第1列20是（4，5）第4行第5列。豎軸代表石英棒的彎曲度，通過圖表分析如下：4個系列的石英棒材彎曲度主要集中在0.05~0.20之間，以0.20為界限，彎曲度超過0.20認(rèn)為超標(biāo)，小于0.20認(rèn)為正常。在退火爐中位置（2，1）和位置（3，1）處4個系列的彎曲度均大于0.20，在退火爐中（2，4）和（2，5）位置處，除系列1超出0.20外，其余3個系列的彎曲度接近0.20。系列1在（1，2）、（1，5）、（4，4）位置處接近0.20，之所以系列一彎曲度比較大，原因是這個系列的石英支撐棒長度比較長，長度和直徑之比大。系列4的彎曲度整體比較小，原因是本系列棒材長度和直徑比值小，即使如此，系列4在位置（2，1）和（3，1）處仍然達(dá)到了臨界值0.20。因此，除去個別偶然情況，我們認(rèn)為退火爐在位置（2，1）和（3，1）處溫場過高，在位置（2，4）和（2，5）需要特別注意 ?；谝陨辖Y(jié)論，采取措施如下：退火前，在位置（2，1）、（3，1）、（2，4）、（2，5）處的石英托基體中分別放置3塊石英墊片，削弱棒材本身重力的作用，確保石英棒中心在一個水平面上。措施改進(jìn)后，退火后的石英棒材在其它位置彎曲度變化不大，在位置（2，1）、（3，1）、（2，4）、（2，5）處有比較明顯的降低，變?yōu)?.15左右。

圖3 彎曲度與退火爐中位置關(guān)系圖

5 彎曲度校正實驗

基于上述退火機(jī)理及實驗，對于彎曲度超標(biāo)的石英棒材，可對其反向處理進(jìn)行校正。校正的方法是：在退火爐中，位置（2，1）和（3，1）是溫場比較高的位置，這兩點的實際溫度比控溫表顯示的實際溫度要高，因此棒材本身的重力作用比較明顯，彎曲度容易超標(biāo)，因此，將已經(jīng)超標(biāo)的石英棒逆時針或者順時針旋轉(zhuǎn)180度以后放在該位置，在高溫和重力的作用下，即使彎曲度不能恢復(fù)到原來的大小，也可以減小超標(biāo)的彎曲度，使彎曲度達(dá)到用戶的使用標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的是，在校正過程中不能在石英托中放置石英墊片，否則不能起到校正的作用。

通過大量的生產(chǎn)驗證，本工作制定的退火制度是可行的，對彎曲棒的校正也行之有效，大大減少了因彎曲而造成的損失。

（略）