專利名稱：制備玻璃預(yù)制棒的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備玻璃預(yù)制棒的方法，更確切地說，涉及一種制備適合于遠距離傳輸?shù)牡蛽p耗光學(xué)纖維，以及進行此方法的裝置。
通過諸如汽相軸相沉積法(VAD法)或外部汽相沉積法(OVD法)的汽相合成法來合成多孔玻璃預(yù)制棒須在電爐中高溫?zé)崽幚硪匀勰刹ＡьA(yù)制棒。通常地，多孔玻璃預(yù)制棒通過區(qū)域加熱法或均勻加熱法熔凝成透明體。在前一種方法中，多孔玻璃預(yù)制棒旋轉(zhuǎn)并在常壓下、在He氣氛或含有少量鹵素氣體(特別是氯氣)的He氣氛中通過一狹窄的加熱區(qū)進行熔凝。在后一種方法中，多孔玻璃預(yù)制棒被放入具有寬的加熱范圍的電爐中且爐溫逐漸上升，這樣多孔玻璃預(yù)制棒的整個長度能在類似于前一種方法的氣氛中均勻地加熱。
例如，在一種熔凝多孔玻璃預(yù)制棒的方法中，JP-A-62-176936(“JP-A”用于此處的意思是未審查的日本專利申請)公開了一種通過逐步脫氣、同時調(diào)節(jié)通入爐中的氣氛氣體的數(shù)量和從爐中排出的氣氛氣體的數(shù)量，從而控制爐內(nèi)的壓力以保持穩(wěn)定，從而除去多孔玻璃預(yù)制棒中的空氣、羥基和氯氣的方法，該方法具有良好的再生產(chǎn)力。JP-A-5-24854公開了一種方法，其中為了在真空或減壓氣氛中熱處理多孔玻璃預(yù)制棒在透明玻璃預(yù)制棒的制備時獲得外徑變化較小且留存較少空氣泡的高質(zhì)量的玻璃預(yù)制棒，至少進行三個熱處理步驟第一步是在某一溫度下熱處理多孔玻璃預(yù)制棒以使多孔玻璃預(yù)制棒不收縮的；第二步是在高于第一步的熱處理溫度和多孔玻璃預(yù)制棒不熔凝的溫度下熱處理，而第三步熱處理多孔玻璃預(yù)制棒是在多孔玻璃預(yù)制棒熔凝的溫度下進行。
當(dāng)多孔玻璃預(yù)制棒在真空熔凝爐中脫氣和熔凝成透明體時，如果多孔玻璃預(yù)制棒的體密度高的話，則在脫氣的時候氣體易于留存在多孔玻璃預(yù)制棒中。氣體的主要成分是水、空氣、鹽酸等。由于氣體充滿多孔玻璃預(yù)制棒中的玻璃顆粒之間的空隙或吸附在玻璃顆粒上，體密度越高，則有更多的氣孔被堵塞以致于氣體很難排出多孔玻璃預(yù)制棒。
這樣會引起多孔玻璃預(yù)制棒強度和傳輸性能的降低，另外，如果為了熔凝玻璃預(yù)制棒而繼續(xù)加熱，出現(xiàn)的問題是玻璃預(yù)制棒中氣體膨張會引起玻璃預(yù)制棒的變形和炸裂。當(dāng)脫氣時間增加到通常的三倍的時候，產(chǎn)生的問題是產(chǎn)率大大降低，同時脫氣本身需充分地進行。
本發(fā)明將解決上述問題。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種高效制備高質(zhì)量玻璃預(yù)制棒的方法，此方法根據(jù)多孔玻璃預(yù)制棒的體密度而改變脫氣時間。
本發(fā)明的另一個目的和效果從下面的描述中將變得明白。
前述的目的能夠通過下面的發(fā)明實現(xiàn)。
(1)用汽相合成法和在真空或減壓氣氛中加熱所說的多孔玻璃預(yù)制棒合成多孔玻璃預(yù)制棒來制備玻璃預(yù)制棒的方法，為了熔凝所說的多孔玻璃預(yù)制棒，包括以下步驟第一步對所說的多孔玻璃預(yù)制棒脫氣從而除去吸附或包含在其中的氣體；第二步在高于第一步的溫度而低于熔凝溫度下暫時收縮所說的多孔玻璃預(yù)制棒；和第三步在熔凝溫度下熔凝所說的多孔玻璃預(yù)制棒，其中在進行所說的第一步的同時根據(jù)所說的多孔玻璃預(yù)制棒的體密度的變化而改變脫氣時間。
(2)根據(jù)上述方式(1)的制備玻璃預(yù)制棒的方法，其中所說的多孔玻璃預(yù)制棒的脫氣操作的時間是通過脫氣時間和多孔玻璃預(yù)制棒的體密度之間的下面的關(guān)系式來確定的脫氣時間(分鐘)=A×體密度(g/cm3)其中A從201到340。
(3)根據(jù)上述方式(2)的制備玻璃預(yù)制棒的方法，其中所說的脫氣是在溫度為900-1350℃下進行的。
(4)根據(jù)上述方式(1)-(3)中的任何一種方式的制備玻璃預(yù)制棒的方法，其中所說的多孔玻璃預(yù)制棒的體密度不低于0.6g/cm3。
(5)根據(jù)上述方式(1)-(4)中的任何一種方式的制備玻璃預(yù)制棒的方法，通過使用下面的裝置來進行具有一在爐身上部有一開口以放入和取出預(yù)制棒的爐身；置于爐身里的加熱器；用于隔離加熱器和預(yù)制棒的爐芯管；在預(yù)制棒插入開口后用于密封的上蓋；
用于監(jiān)測爐芯管的輻射溫度計；和用于在所說的爐身內(nèi)減壓的排氣泵。
(6)根據(jù)上述方式(1)-(4)中的任何一種方式的方法制備玻璃預(yù)制棒的裝置，包括具有在爐身上部具有一開口以放入和取出預(yù)制棒的爐身；置于爐身里的加熱器；用于隔離加熱器和預(yù)制棒的爐芯管；在預(yù)制棒插入孔口后用于密封的上蓋；用于監(jiān)測爐芯管的輻射溫度計；和用于在所說的爐身內(nèi)減壓的排氣泵。


圖1表示適用于進行本發(fā)明方法的真空熔凝爐的草圖。
圖2表示關(guān)于本發(fā)明方法最佳方式的多孔玻璃預(yù)制棒的脫氣時間和體密度之間關(guān)系的曲線圖。
在上述方式(1)所說的方法中，只要脫氣溫度在某一范圍內(nèi)，在第一步提高脫氣溫度會引起脫氣加快。相反，如果脫氣溫度超出一定范圍，多孔玻璃預(yù)制棒被收縮，結(jié)果脫氣不能進行下去。合適的溫度范圍是900-1350℃，正如上述第三項所描述的優(yōu)選1200-1300℃。因此，在多孔玻璃預(yù)制棒的脫氣過程中，在上述溫度范圍內(nèi)根據(jù)多孔玻璃預(yù)制棒的體密度需要改變脫氣的時間。“暫時收縮”意思是多孔玻璃預(yù)制棒收縮之前的一種狀態(tài)，也就是說，這種狀態(tài)就是多孔玻璃預(yù)制棒密實但不熔凝。
這里使用的多孔玻璃預(yù)制棒可以通過VAD法、OVD法、溶膠-凝膠法等的任可一種方法來制備。優(yōu)選地，采用模塑法或模壓法制備多孔玻璃預(yù)制棒。“多孔玻璃預(yù)制棒”用于此處包括復(fù)合玻璃預(yù)制棒，其中該復(fù)合玻璃預(yù)制棒是在起始玻璃棒的外周上合成的多孔玻璃預(yù)制棒。假如這樣的話，“體密度”的意思是除起始玻璃棒之外的多孔玻璃預(yù)制棒單位體積的重量(即g/cm3)。
通過VAD法多孔玻璃棒被制備、多孔玻璃被合成在棒的外周上，從而制備出具有體密度不低于0.6g/cm3、優(yōu)選0.6-0.8gcm3的復(fù)合玻璃預(yù)制棒。根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合玻璃預(yù)制棒在真空熔凝爐中熔凝成形。見圖1，真空熔凝爐2有一馬弗管3，圍繞爐芯管3的加熱器4，惰性氣體供給裝置5，惰性氣體流量計6和7，氣體進入爐中的入口8和9，用于循環(huán)惰性氣體以保持爐內(nèi)真空或減壓氣氛的真空泵10和11，從爐身和爐芯管中排出氣體的管子12和13，種棒14，爐身17，和用于密封爐身的蓋子A15和B16。在冷卻的過程中，爐身的內(nèi)部保持真空或減壓，或惰性氣體在爐身中循環(huán)，在爐壓為104-105Pa下通過強冷裝置19和泵10和11在爐中循環(huán)惰性氣體。爐溫通過溫度監(jiān)測裝置控制到200-1000℃的等待溫度范圍內(nèi)，優(yōu)選300-700℃。爐子用上蓋B16密封。當(dāng)上蓋B打開而多孔玻璃預(yù)制棒放入爐中的時候，通過固定在種棒14上部的上蓋A15來密封爐。而后，爐壓減小到0.1-10Pa并且爐溫以5-15℃/分的速度升高到900-1350℃，優(yōu)選1200-1300℃。爐溫保持在這個溫度范圍100-300分鐘，結(jié)果吸附在多孔玻璃預(yù)制棒里的氣體被充分地除去(第一步)。
爐溫以1-10℃/分的速度繼續(xù)升高直到溫度為1250-1450℃(第二步)，再升高直到溫度達到1460-1600℃并保持這個溫度5-60分鐘(第三步)。然后，加熱器停止加熱并將惰性氣體通入爐身中。在爐身中的壓力升高到104-105Pa之后，通過強冷裝置使惰性氣體在爐中循環(huán)以使?fàn)t冷卻。
標(biāo)注18指輻射溫度計；19表示強冷裝置；20表示旋轉(zhuǎn)裝置；和21表示溫度監(jiān)測裝置。盡管附圖表示了爐身和馬弗管分別與氣體供給裝置和氣體排出裝置相連的一種情況，但是本發(fā)明還提供了一種情況就是氣體供給裝置和氣體排出裝置僅僅裝在爐身和爐芯管中的一個上。
盡管沒有表示出來，但在管8、9、12和13上裝有閥門，因此抽真空或氣流通過切換閥門來進行。
通常情況下，通過汽相合成法合成的多孔玻璃預(yù)制棒，其結(jié)構(gòu)中充滿大小為0.1-0.5μm細顆粒。
細顆粒的充填情況，即體密度，因氣相合成的條件而變化。在合成的過程中，顆粒越小、合成溫度越高，越難獲得多孔玻璃，這是因為空洞少，體密度就較大。用于本發(fā)明的多孔玻璃預(yù)制棒優(yōu)選的體密度不低于0.6g/cm3，更優(yōu)選約0.6-0.8g/cm3。如果體密度低于這個范圍，多孔玻璃預(yù)制棒因為太軟將有斷裂的傾向。相反，如果體密度超出上述的范圍，玻璃預(yù)制棒硬度太高，氣泡仍然包含于其中，很難除去而留存下來。
在本發(fā)明中，應(yīng)檢查當(dāng)多孔玻璃預(yù)制棒在真空熔凝爐中脫氣和熔凝時多孔玻璃預(yù)制棒的熔凝狀態(tài)如何隨預(yù)制棒的體密度和脫氣時間而變化。見圖2，因此使包含在多孔玻璃預(yù)制棒中的氣體獲得最佳的脫氣程度，所獲得的多孔玻璃預(yù)制棒的脫氣時間和體密度之間的關(guān)系式如下脫氣時間(分鐘)=A×體密度(g/cm3)其中A從201到340。
這里分成優(yōu)選的范圍和非要求的范圍如下。
范圍a脫氣時間＞340×體密度在產(chǎn)率方面這不是優(yōu)選的范圍。
范圍b脫氣時間＜201×體密度此范圍在制備方面有缺陷。
范圍c201×體密度≤脫氣時間≤340×體密度這個范圍不僅能獲得好的預(yù)制棒，也可獲得好的產(chǎn)率。
本發(fā)明將參考下面的實施例進行詳細描述，但本發(fā)明不必受它門的限制。
實施例1拉伸中間玻璃預(yù)制棒以制備18mm的起始玻璃棒。用VAD法在棒的外周合成外徑為150mm的多孔玻璃預(yù)制棒以制備體密度為0.8g/cm3的復(fù)合玻璃預(yù)制棒。根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)造在真空熔凝爐中熔凝預(yù)制棒。真空熔凝爐2有一馬弗管3、一圍繞爐芯管的加熱器4、和密封爐身的上蓋A15和B16。在冷卻的過程中，爐子保持真空或減壓氣氛，或在爐壓不大于10+4Pa下通過為了循環(huán)爐內(nèi)的惰性氣體的強冷裝置19和泵10和11在爐內(nèi)使惰性汽體循環(huán)。在實施例1中，通過溫度監(jiān)測裝置21使?fàn)t的內(nèi)部保持在400℃。爐用上蓋B16密封。在上蓋B打開而預(yù)制棒放入爐中的時候，用裝在種棒14上部的上蓋A15密封爐。于是，通過泵10和11使?fàn)t壓降低到10Pa并以10℃/分的速度升高爐溫。爐內(nèi)的溫度加熱到1300℃并在1300℃保持240分鐘，這樣吸附在復(fù)合玻璃預(yù)制棒里的氣體被充分地除去。接下來，爐溫以3℃/分的速度升高到1500-1600℃的范圍內(nèi)并保持10分鐘。于是加熱器停止加熱、通過強冷裝置將惰性氣體通入爐中。惰性氣體使?fàn)t內(nèi)的壓力升高到10+5之后，為了冷卻爐通過強冷裝置使惰性氣體在爐內(nèi)循環(huán)。當(dāng)爐溫降低到400℃的時刻，停止?fàn)t內(nèi)的惰性氣體循環(huán)，將種棒14和上蓋B16一起取出。將取出的預(yù)制棒拉制。結(jié)果獲得了在1.3μm時損耗為0.335dB/km和在1.55μm時損耗為0.195dB/km的優(yōu)質(zhì)纖維。
實施例2用VAD法制備的外徑為150mm、體密度為0.7g/cm3的多孔玻璃預(yù)制棒按照實施例1相同的裝置脫氣和熔凝。通過溫度監(jiān)測裝置21并使?fàn)t的內(nèi)部溫度保持在400℃并用上蓋B16將爐密封。在上蓋B打開多孔玻璃預(yù)制棒從爐中取出的時候，用裝在種棒14上部的上蓋A15密封爐。通過泵10和11使?fàn)t溫降低到10Pa，以10℃/分的速度升高爐溫。爐子的內(nèi)部溫度升高到1300℃并在1300℃下保持210分，結(jié)果吸附在多孔玻璃預(yù)制棒的氣體被有效地除去。接著，以3℃/分的速度加熱爐、爐溫升高到1500-1600℃范圍內(nèi)并保持10分鐘。停止加熱器加熱并將惰性氣體通入爐中。在爐子內(nèi)部的壓力升高到10+5pa之后，通過強冷裝置在爐內(nèi)使惰性氣體循環(huán)以使?fàn)t冷卻。在爐溫降低到400℃的時刻，停止循環(huán)爐內(nèi)的惰性氣體并將上蓋和種棒14一起取出。其結(jié)果所獲得的玻璃預(yù)制棒具有很好的透明度。
盡管實施例1和2所述的等待溫度(standby temperature)是400℃，但是有效等待溫度為200-1000℃，優(yōu)選300-700℃。
盡管實施例1和2所述的情形即復(fù)合玻璃預(yù)制棒和多孔玻璃預(yù)制棒都采用VAD法制備，但是通過氣體諸如OVD法、溶膠-凝膠法等方法制備復(fù)合玻璃預(yù)制棒和多孔玻璃預(yù)制棒也可獲得實施例1和2的同樣的效果。此外，通過模塑法或模壓法從玻璃顆粒制備復(fù)合玻璃預(yù)制棒和多孔玻璃預(yù)制棒也可獲得同樣的效果。
盡管實施例1和2所述情形的脫氣溫度為1300℃，但是脫氣溫度在900-1350℃、優(yōu)選1200-1300℃的范圍內(nèi)也是有效的。
對比實施例1拉制中間玻璃預(yù)制棒制備18mm的起始玻璃棒。用VAD法在棒的外周合成外徑為150mm的多孔玻璃預(yù)制棒以制備體密度為0.8g/cm3的復(fù)合玻璃預(yù)制棒。根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)在真空熔凝爐中熔凝復(fù)合預(yù)制棒。真空熔凝爐具有一馬弗管3、一圍繞爐芯管的加熱器4、通氣體入爐中的開口8和9、密封爐身的上蓋A15和B16。在冷卻的過程中，爐子保持真空或減壓氣氛，或在爐壓不大于10+4Pa下使惰性氣體在爐中循環(huán)，通過強冷裝置19和泵10和11來使惰性氣體在爐身中循環(huán)。在對比實施例1中，通過溫度監(jiān)測裝置21使?fàn)t子內(nèi)部的溫度保持在400℃，并用上蓋B16來密封爐子。在上蓋B打開而復(fù)合玻璃預(yù)制棒放入爐中的同時，用裝在種棒14上部的上蓋A15密封爐子。于是，通過泵10和11爐壓降低到10Pa，以10℃/分的速度升高爐溫。爐子內(nèi)部的溫度加熱到1300℃并在1300℃保持60分鐘，這樣吸附在復(fù)合玻璃預(yù)制棒里的氣體充分地除去。此外，爐溫以3℃/分的速度升高到1500-1600℃之后20分鐘，出現(xiàn)了一個問題玻璃預(yù)制棒膨脹以致于粘在爐芯管上。之所以認(rèn)為存在這樣的問題，是因為溫度在1300℃時持續(xù)60分鐘太短，結(jié)果留存在玻璃預(yù)制棒中的玻璃中的氣體由于為了使玻璃預(yù)制棒玻璃化的加熱溫度引起膨脹。
對比實施例2拉制中間玻璃預(yù)制棒制備18mm的起始玻璃棒。用VAD法在棒的外周合成外徑為150mm的多孔玻璃預(yù)制棒以制備體密度為0.5g/cm3的復(fù)合玻璃預(yù)制棒。根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)在真空熔凝爐中熔凝復(fù)合預(yù)制棒。然而，不能象產(chǎn)品那樣制該備復(fù)合玻璃預(yù)制棒，因為在生產(chǎn)的過程中該復(fù)合玻璃預(yù)制棒的表面會出現(xiàn)炸裂。
根據(jù)本發(fā)明方法，在第一步脫氣操作的同時由所采用的多孔玻璃預(yù)制棒的體密度來改變脫氣時間。因此，在初加工時能有效地脫氣，這樣能獲得高質(zhì)量的透明玻璃體。
雖然本發(fā)明已經(jīng)參考它的具體實施例進行了詳細的描述，但對于熟習(xí)本領(lǐng)域內(nèi)的人員來說很明顯在本領(lǐng)域不違背本發(fā)明的精神和范圍能作各種改變。
權(quán)利要求
1．一種制備玻璃預(yù)制棒的方法，該方法通過汽相合成法合成多孔玻璃預(yù)制棒并在真空或減壓氣氛中加熱所說的多孔玻璃預(yù)制棒以熔凝所說的多孔玻璃預(yù)制棒，包括以下步驟第一步對所說的多孔玻璃預(yù)制棒脫氣以除去吸附或包含于其中的氣體；第二步在溫度高于第一步的溫度而低于熔凝強度下暫時收縮所說的多孔玻璃預(yù)制棒；和第三步在熔凝溫度下熔凝所說的多孔玻璃預(yù)制棒；其中所說的第一步是根據(jù)所說的多孔玻璃預(yù)制棒的體密度來改變脫氣時間進行的。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的制備玻璃預(yù)制棒的方法，其中所說的多孔玻璃預(yù)制棒的脫氣所進行的時間通過脫氣時間和多孔玻璃預(yù)制棒的體密度之間的關(guān)系式來確定脫氣時間(分鐘)=A×體密度(g/cm3)其中A為201-340。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的制備玻璃預(yù)制棒的方法，其中所說的脫氣是在溫度為900-1350℃下進行的。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的制備玻璃預(yù)制棒的方法，其中所說的多孔玻璃預(yù)制棒的體密度不低于0.6g/cm3。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的制備玻璃預(yù)制棒的方法，通過使用如下的裝置來進行在上部具有開口的爐身，該開口用于放入和取出預(yù)制棒；裝在所說爐身上的加熱器；使加熱器和預(yù)制棒彼此隔開的馬弗管；在預(yù)制棒插入之后密封所說開口的上蓋；用于監(jiān)測爐芯管溫度的輻射溫度計；和降低爐身氣壓的抽氣泵。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的方法來制備玻璃預(yù)制棒的裝置，其中包括在上部具有開口的爐身，該開口用于放入和取出預(yù)制棒；裝在所說爐身上的加熱器；使加熱器和預(yù)制棒彼此隔開的馬弗管；在預(yù)制棒插入之后密封所說開口的上蓋；用于監(jiān)測爐芯管溫度的輻射溫度計；和降低爐身氣壓的抽氣泵。
全文摘要
通過汽相合成法和在真空或減壓氣氛中加熱所說的多孔玻璃預(yù)制棒合成多孔玻璃預(yù)制棒來制備玻璃預(yù)制棒的方法,為了熔凝所說的多孔玻璃預(yù)制棒,包括以下步驟:第一步對所說的多孔玻璃預(yù)制棒脫氣從而除去吸附或包含在其中的氣體;第二步在高于第一步的溫度而低于熔凝溫度下暫時收縮所說的多孔玻璃預(yù)制棒;和第三步在熔凝溫度下熔凝所說的多孔玻璃預(yù)制棒;其中所說的第一步根據(jù)所說的多孔玻璃預(yù)制棒的體密度的變化而脫氣時間隨著變化來進行的。
文檔編號B01D19/00GK1213650SQ9812056
公開日1999年4月14日 申請日期1998年9月8日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月8日
發(fā)明者石原朋浩, 大賀裕一, 田中聰 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社