一种用于透视镜的高透光合成石英锭的真空熔制成型方法与流程

本发明属于高纯石英玻璃制造，具体涉及一种用于透视镜的高透光合成石英锭的真空熔制成型方法。

背景技术：

1、石英玻璃因其优异的光学透过性能、极低的热膨胀系数、良好的化学稳定性和耐辐照性能，已成为军工透视镜、光学制导窗口、高能激光防护装置等军事光学系统的核心材料。随着现代精确制导武器、光电侦查设备和激光武器的快速发展，对石英玻璃光学窗口的光学均匀性、透光率、抗辐照能力和尺寸规格提出了更高的要求。特别是对于透射式光学系统，石英玻璃的全光谱透光率直接决定了系统的探测灵敏度和作用距离。

2、合成石英玻璃的主流生产工艺包括直接法和间接合成二步法。直接法如电熔法、气熔法通过将天然石英砂或合成二氧化硅原料直接高温熔融制备石英玻璃。然而，直接法存在羟基-oh含量过高的问题——羟基是在合成过程中由氢氧火焰燃烧所引入的，羟基的存在会显著降低石英玻璃的红外透过性，并劣化其热学性能。对于需要宽波段透光的军工光学系统，2.7μm和2.2μm附近的羟基吸收峰会造成致命的光学衰减。间接合成二步法是目前制备高纯合成石英玻璃的主要技术路线，其工艺为：先将不含氯的硅化合物经火焰水解生成二氧化硅颗粒并沉积形成二氧化硅疏松体，再将疏松体在一定温度下进行玻璃化制得石英玻璃锭。

3、公开号为cn104271519b的专利公开了一种用于制造合成的石英玻璃晶粒的方法，该方法通过在转筒烘箱中对sio2颗粒进行净化和玻化，但该方法主要针对石英玻璃晶粒而非大规格锭体，且工艺流程复杂，不适用于大口径军工光学窗口材料的生产。公开号为cn110183100a的专利公开了一种利用大规格二氧化硅疏松体制备石英玻璃的方法，该专利通过两段式真空处理结合惰性气体充入，实现了直径φ500~φ1100mm大规格石英玻璃的制备，制得的玻璃羟基含量＜5ppm、氯含量＜1ppm，在全光谱透过率方面均较高。然而，该技术仍存在以下不足：（1）步骤（4）充入氦气至一个大气压的常规压力，对羟基脱除效率的提升有限；（2）步骤（5）中二次抽真空至≤10pa后进行高温玻璃化，虽然有利于气泡排出，但在高温玻璃化过程中没有辅助保压措施，导致玻璃中残留气泡仍无法完全消除；（3）冷却过程中未采取压力控制，石英锭在冷却收缩过程中易产生热应力，影响大口径锭体的光学均匀性和机械强度。此外，公开号为cn120573935a的专利公开了一种高纯石英玻璃的加工方法及高压真空电熔炉，采用最高2mpa的高压环境配合定向凝固工艺。但该技术主要针对熔融法而非疏松体玻璃化工艺，且定向凝固工艺在凝固界面控制方面仍存在温度场不均匀的问题。

4、对于军工透视镜应用而言，目前的合成石英锭制备技术仍面临三大核心挑战：其一，如何在大规格尤其是直径≥500mm条件下将羟基含量降至3ppm以下，以满足短波红外与中波红外波段的透光需求其二，如何在玻璃化过程中有效消除微气泡，将气泡等级控制在1级以内，避免气泡对入射光的散射和衰减；其三，如何消除石英锭内部的热应力，确保大口径光学窗口在加工和使用过程中的尺寸稳定性和光学均匀性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种用于透视镜的高透光合成石英锭的真空熔制成型方法，旨在通过真空与高压的交替作用工艺，实现大规格合成石英锭的低羟基化、低气泡化和低应力化，满足军工光学窗口对高透光率、大口径和优异光学均匀性的要求。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种用于透视镜的高透光合成石英锭的真空熔制成型方法，包括以下步骤：

3、（1）疏松体制备：以高纯四氯化硅为原料，经化学气相沉积法合成二氧化硅疏松体，所述疏松体的直径规格为φ500~φ1100mm，高度为500~1000mm，密度为0.5~0.8g/cm3；

4、（2）装炉：将步骤（1）所得二氧化硅疏松体置于坩埚内，加盖坩埚盖后放入真空熔制炉正中位置；

5、（3）一次抽真空：将真空熔制炉内真空度抽至≤20pa；

6、（4）低温预热脱羟：以30~60℃/h的升温速度将真空熔制炉内温度从室温升高至600~1500℃，在升温过程中保持炉内真空度≤20pa，使二氧化硅疏松体中的羟基在真空条件下充分脱除；

7、（5）高压氦气恒温处理：向真空熔制炉内充入高纯氦气至炉内气压达到0.5~1.2mpa，保持温度在600~1500℃恒温10~80h；

8、（6）二次抽真空：将真空熔制炉内真空度抽至≤10pa；

9、（7）高温玻璃化：以60~120℃/h的升温速度将真空熔制炉内温度从600~1500℃升高至1550~1700℃，并恒温2~10h，使二氧化硅疏松体在真空条件下完全玻璃化；

10、（8）高压氮气保压：在真空熔制炉持续加热并使温度保持恒定的同时，向真空熔制炉内充入高纯氮气至炉内气压达到1.0~2.0mpa，保压20~60min；

11、（9）冷却成型：停止加热，保持炉内压力≥1.0mpa，待真空熔制炉自然冷却至室温后，取出石英锭产品。

12、进一步的技术方案是，步骤（4）中所述升温速度为40~50℃/h，升温终点温度为1100~1300℃，恒温时间为20~50h。

13、进一步的技术方案是，步骤（5）中所述高纯氦气的纯度为≥99.999%，充气至炉内气压达到0.8~1.0mpa。

14、进一步的技术方案是，步骤（7）中所述升温速度为80~100℃/h，升温终点温度为1600~1650℃，恒温时间为4~6h。

15、进一步的技术方案是，步骤（8）中所述高纯氮气的纯度为≥99.999%，充气至炉内气压达到1.2~1.8mpa，保压时间为30~50min。

16、进一步的技术方案是，坩埚材质为高纯石墨，坩埚底部设置有密集分布的排气通孔。

17、进一步的技术方案是，石英锭产品的羟基含量＜3ppm，氯元素含量＜1ppm，200~700nm波段透光率≥92%，气泡等级达到1级。

18、本发明的优点和有益效果在于：

19、本发明将氦气压力提升至0.5~1.2mpa。在高压氦气环境下，氦气分子在二氧化硅疏松体孔隙中的渗透深度和扩散速率显著增加，可高效带出羟基缩合反应生成的≡si-o-si≡键合态水分子。同时，加压降低了水蒸气分压，驱动反应平衡正向移动。实验表明，该工艺可将羟基含量降至3ppm以下，优于现有技术的5ppm水平。

20、本发明进一步优化升温速率与恒温参数的匹配关系。在≤10pa的高真空环境下实施高温玻璃化，可充分抽除二氧化硅颗粒间的残余气体，主要为残留氦气及脱羟反应生成的微量水蒸气；同时，高温诱导颗粒间发生黏滞流动与致密化，从根源上抑制气泡的成核与生长。

21、本发明在1550~1700℃高温玻璃化完成后，充入高纯氮气至1.0~2.0mpa并保压20~60min。其技术原理在于，石英玻璃在高温下处于黏弹性状态，施加高压氮气使外部压力远高于玻璃内部微气泡的内压，根据理想气体状态方程pv=nrt，气泡体积在高压下被强制压缩，部分微小气泡中的气体在高压和高温共同作用下重新溶解于玻璃基体。保压结束后随炉冷却，气泡体积被固定在压缩状态，从而实现气泡等级的显著优化，可达1级标准。

22、本发明在冷却过程中保持炉内压力≥1.0mpa，高压氮气作为传热介质，可提供更均匀的温度场和更可控的冷却速率，避免石英锭截面因温差过大产生的热应力集中。对于φ500~φ1100mm的大规格石英锭，这一点尤为关键——不均匀冷却导致的应力集中可能使锭体开裂或产生不可接受的应力双折射。

23、本发明通过构建真空脱羟、高压强化、真空玻璃化、高压消泡及高压冷却的全流程压力温度调控工艺体系，实现了大口径合成石英锭的一体化制备。所得石英锭在200至700nm波段透光率不低于92%，羟基含量低于3ppm，气泡等级达到1级，且具有低应力特征，可充分满足军工透视镜等高端光学系统的应用需求。