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Dokumentenidentifikation DE69716822T2 11.09.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 0816297
Titel Opakes Quarzglas und Verfahren zu dessen Herstellung
Anmelder Tosoh Corp., Shinnanyo, Yamaguchi, JP
Erfinder Nagata, Hiroya, Atsugi-shi, Kanagawa, JP;
Tsukuma, Koji, Machida-shi, Tokyo, JP;
Kudo, Masayuki, Machida-shi, Tokyo, JP
Vertreter Vossius & Partner, 81675 München
DE-Aktenzeichen 69716822
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 03.07.1997
EP-Aktenzeichen 971111760
EP-Offenlegungsdatum 07.01.1998
EP date of grant 06.11.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.09.2003
IPC-Hauptklasse C03C 11/00
IPC-Nebenklasse C03C 3/06   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft opakes Quarzglas, insbesondere opakes Quarzglas, das hinsichtlich der Wärmeisolation und des Haftvermögens an transparentes Quarzglas ausgezeichnet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des Quarzglases.

Üblicherweise wird opakes Quarzglas durch Heißschmelzen von pulverförmigem Silikat als Ausgangsmaterial zur Verglasung hergestellt. Das Heißschmelzverfahren umfasst ein Bernoulli-Verfahren, wobei das Ausgangsmaterial in einer Flamme, wie einer Argon- Sauerstoff-Plasma-Flamme und einer Knallgas-Flamme, geschmolzen wird; und ein Vakuumschmelzverfahren; wobei in einen Behälter eingebrachtes Siliciumdioxid unter einem hohen Vakuum erhitzt und geschmolzen wird. Das opake Quarzglas wird üblicherweise aus natürlichen Quarzgestein oder Quarz niedriger Qualität als Ausgangsmaterial hergestellt. Diese Ausgangsmaterialien enthalten viele feine Luftblasen, die in der geschmolzenen Substanz verbleiben und opakes Quarzglas ergeben. In den letzten Jahren wurde mit dem Fortschritt bei der LSI-Integration in der Halbleiterindustrie der Bedarf an einer höheren Reinheit des eingesetzten Ausgangsmaterials dringender, und hochreine Ausgangsmaterialien werden inzwischen auf Gebieten eingesetzt, in denen Ausgangsmaterialien niedriger Reinheit üblich waren. Ein typisches Beispiel ist ein Flanschmaterial, für das opakes und reines Quarzglas, nämlich hochreines opakes Quarzglas, erforderlich ist. Das übliche natürliche Ausgangsmaterial für opakes Quarzglas enthält jedoch eine große Menge an Verunreinigungen zusammen mit den feinen Luftblasen. Die Entfernung der Verunreinigungen aus dem Ausgangsmaterial ist äußerst schwierig, und die Verfeinerung des Ausgangsmaterials im Hinblick auf hohe Reinheit gilt als unmöglich. Dagegen erhöht Quarz mit relativ hoher Reinheit, der weniger Luftblasen enthält und insbesondere feine Luftblasen in kleinerer Menge enthält, beim Schmelzen nicht seine Opazität und erzeugt durchsichtiges Quarzglas.

Daher wird ein verbessertes Verfahren offenbart, wobei hochreines amorphes Siliciumdioxid, das eine kleinere Menge an Elementen von Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, Fe und Al enthält, viele feine Luftblasen enthält und Silanolgruppen als vergasbaren Bestandteil gleichmäßig in einem bestimmten Konzentrationsbereich enthält, in einer Flamme geschmolzen wird (JP-A-6-24771). Dieses Verfahren ist nur auf die Herstellung von Quarzglasprodukten mit einer einfachen Form, wie einen Basisblock für einen IC-versiegelnden Siliciumdioxid- Füllstoff, und für Siliciumdioxid-Glaspulver anwendbar, eignet sich aber aufgrund der Notwendigkeit der maschinellen Nachbearbeitung, wie Schneiden in größerem Umfang, und dem daraus resultierenden niedrigen Nutzwert des Quarzglases und Erhöhung der Herstellungskosten nicht zur Herstellung von Quarzglasprodukten mit einer komplizierten Form, wie Flansche, Zylinder, quadratische Hohlprismen, Schrauben, Turbofüllvorrichtungen, einen kubischen Wasserbehälter oder ein Waschbecken.

Ein weiteres Verfahren für opakes Quarzglas ist offenbart, wobei hochgereinigter pulverförmiger kristalliner Quarz mittels Erhitzen in einer Ammoniakatmosphäre und Schmelzen in einer Inertgasatmosphäre ammoniiert wird, um eine größere Anzahl an kleineren Blasen einzubringen, sodass der Gesamtblasenquerschnitt vergrößert und die Wärmebeständigkeit verbessert wird (JP-A-7-61827 und JP-A-7-300341). Bei diesem Verfahren hängen jedoch die Dichte, der Blasendurchmesser und die Blasenmenge stark von der Teilchengröße, der Teilchengrößenverteilung und dem Einfüllzustand des pulverförmigen Ausgangsmaterials ab, sodass der Blasendurchmesser nicht einfach und reproduzierbar eingestellt werden kann und der Blasendurchmesser und die Blasenmenge in unvorteilhafter Weise von der Oberfläche zum Inneren signifikant variieren. Außerdem enthält das hergestellte Quarzglas das Element Stickstoff in einer großen Menge. Dieser Stickstoff wird aus dem Glassubstrat bei einem Verfahren zur Reparatur von Mängeln des Quarzglasgegenstands mittels Flammenbearbeitung freigesetzt, was eine ungewünschte Änderung der Abmessungen oder des Aussehens, wie Oberflächenrauheit und Opazitätsveränderung, am reparierten Abschnitt erzeugt. Außerdem kann dieses opake Quarzglas aufgrund des großen Unterschieds im Gehalt an elementarem Stickstoff nicht mittels Flammenschweißen mit einem transparenten Glasbauteil verbunden werden.

Andere Verfahren für opakes Quarzglas sind offenbart, wobei ein feines Pulver eines Materials, wie Kohlenstoff und Siliciumnitrid, als Blähmittel zum Siliciumdioxid-Ausgangsmaterial, wie Quarzgestein, Quarzsand, α-Quarz und Cristobalit, hinzugefügt wird (z. B. JP-A-4-65328). Diese Verfahren eignen sich jedoch nicht für Halbleiterherstellungsschablonen oder dgl., die bei hoher Temperatur für lange Zeit eingesetzt werden, weil OH- Gruppen beim Schmelzen mit einer Knallgas-Flamnme in das Glas eingebracht werden können, was zu einer niedrigeren Viskosität bei hohen Temperaturen führt, obwohl die Nachteile der vorstehend genannten Verfahren überwunden werden. Außerdem kann bei diesen Verfahren eine gleichmäßige Dispersion der feinen Gasblasen beim Schmelzen nicht leicht erzielt werden, weil das Verfahren das Mischen von festen Teilchen und Umsetzungen oder Zersetzung in einer festen Phase umfasst. Beim Flammenschmelzverfahren neigt die Umsetzung zur Unvollständigkeit, weil die feinen Teilchen für eine äußerst kurze Verweildauer in der Flamme verbleiben, und das hinzugefügte Blähmittel kann als Verunreinigung in der geschmolzenen Substanz verbleiben oder die geschmolzene Substanz kann durch Umsetzung des Silikat-Ausgangsmaterials mit dem Blähmittel gefärbt werden.

Die Herstellung von Schaum-Siliciumdioxidglas ist in JP-A-7165343 offenbart; Ein Flanschgefäß aus Quarzglas ist in JP-A-7237927 beschrieben.

Wie vorstehend erwähnt beinhaltet jeder vorstehend genannte Stand der Technik verschiedene ungelöst Probleme.

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorstehenden Probleme des Standes der Technik zu lösen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von opakem Quarzglas, das gleichmäßig darin verteilte Blasen enthält und ausgezeichnete Hochtemperaturviskosität und Wärmeisolationseigenschaften hat.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von opakem Quarzglas.

Das erfindungsgemäße opake Quarzglas kann direkt in einen Gegenstand mit einer komplizierten Form, wie einem Flansch, einem Zylinder, einem Hohlprisma, einer Schraube und einer Turbofüllvorrichtung, einem kubischen Wasserbehälter oder einem Waschbecken, umgearbeitet werden. Wenn das erfindungsgemäße opake Quarzglas beschädigt ist, kann es mittels Flammenbearbeitung repariert werden, ohne dass Stickstoffgas aus dem Glassubstrat freigesetzt wird, wobei die reparierte Oberfläche glatt ist. Das erfindungsgemäße opake Quarzglas kann aufgrund der sehr ähnlichen Gehalte an elementarem Stickstoff mittels Flammenschweißen mit einem transparenten Quarzglasbauteil verbunden werden.

Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen opaken Quarzglases ist ähnlich dem vorstehend erwähnten Verfahren (JP-A-4-65328) des Schmelzens von fein pulverisiertem Silikat-Ausgangsmaterial, wie Quarzgestein, Quarzsand, α-Quarz und Cristobalit, mit einem feinen Pulver aus Kohlenstoff, Siliciumnitrid oder dgl. als Blähmittel.

Unter einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein opakes Quarzglas mit einer scheinbaren Dichte von 1,7 bis 2,1 g/cm³ bereitgestellt, das Blasen mit einem durchschnittlichen Blasendurchmesser von 10 bis 100 um in einer Anzahl im Bereich von 3 · 10&sup5; bis 5 · 10&sup6; Blasen/cm³ enthält, wobei die Gesamtquerschnittsfläche der Blasen 10 bis 40 cm²/cm³ reicht, und elementaren Stickstoff in einer Konzentration im Bereich von 1 bis 50 ppm enthält, mit der Maßgabe, dass die Konzentration an elementarem Stickstoff nicht 50 ppm beträgt, wenn die scheinbare Dichte von 2,08 bis 2,1 reicht und die Anzahl der Blasen von 3 · 10&sup5; bis 6 · 10&sup5; reicht.

Unter einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von opakem Quarzglas bereitgestellt, umfassend das Packen eines pulverförmigen Ausgangsmaterials, das sich aus pulverförmigem Siliciumdioxid mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 10 bis 500 gm und darin in einer Menge von 0,001 bis 0,05 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile des pulverförmigen Siliciumdioxids, dispergiertem pulverförmigem Siliciumnitrid zusammensetzt, in eine hitzebeständige Form; Erhitzen des pulverförmigen Ausgangsmaterials bis zu einer Temperatur nicht unter seiner Schmelztemperatur und nicht über 1900ºC in einer Vakuumatmosphäre oder Erhitzen des pulverförmigen Ausgangsmaterials bis zu einer Temperatur nicht unter 1400ºC und unter seiner Schmelztemperatur in einer Vakuumatmosphäre in einem elektrischen Ofen; ferner Erhitzen des Ausgangsmaterials bis zu einer weiteren Temperatur über dem Schmelzpunkt und nicht über 1900ºC in einer Vakuumatmosphäre oder einer inerten Gasatmosphäre in einem elektrischen Ofen zur Verglasung und Blasenbildung.

Das durch dieses Verfahren gebildete Glas enthält gleichmäßig darin verteilte Blasen, hat ausgezeichnete Hochtemperaturviskosität und Wärmeisolationseigenschaften und kann durch Auswahl der Form der hitzebeständigen Form direkt in einer komplizierten Form, die dem gewünschten Endprodukt nahe kommt, wie ein Flansch, ein Zylinder, ein Hohlprisma, einer Schraube und eine Turbofüllvorrichtung, ein kubischer Wasserbehälter oder ein Waschbecken, erhalten werden, ohne dass kompliziertes Sinterformen, wie Gießformen, durchgeführt werden muss.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend eingehender beschrieben.

[1] Ausgangsmaterial:

Das Ausgangsmaterial ist ein Gemisch aus pulverförmigem Siliciumdioxid und pulverförmigem Siliciumnitrid.

(a) Pulverförmiges Siliciumdioxid:

Das erfindungsgemäß eingesetzte pulverförmige Siliciumdioxid ist vorzugsweise ein Pulver aus hochreinem kristallinem oder amorphem Siliciumdioxid, das metallische Verunreinigungen von Na, K, Mg, Ca²&spplus; und Fe in einer Menge enthält, die jeweils nicht höher als 1 ppm ist, um Verdampfen der Verunreinigung durch das Erhitzen des opaken Quarzglases zu verhindern, das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird, um die teilweise Kristallisation des opaken Quarzglases unter Erzeugung von Brüchigkeit zu verhindern, die zu Sprödigkeit führt oder um Farbentwicklung zu verhindern. Dieses reine pulverförmige Siliciumdioxid kann mittels Synthese oder Reinigung eines natürlichen Ausgangsmaterials erhalten werden. Zum Beispiel umfassen die Verfahren zur Synthese von pulverförmigem amorphem Siliciumdioxid das Verfahren, wobei eine wässrige Alkalisilikatlösung (Wasserglas) mit einer Säure umgesetzt wird, um das Alkalimetall zu entfernen; das Verfahren, wobei SiCl&sub4; unter Bildung von Siliciumdioxid hydrolysiert wird; und das Verfahren, wobei ein Siliciumalkoxid unter Bildung von Siliciumdioxid hydrolysiert wird. Zur Herstellung im industriellen Maßstab ist das Verfahren geeignet, das die Umsetzung eines Alkalimetallsilikats (Wasserglas), das aus einem Alkalimetall, wie Na, K und Li, und Siliciumdioxld besteht, mit einer anorganischen Säure, wie Schwefelsäure, Salpetersäure und Salzsäure, einsetzt. Das natürliche Ausgangsmaterial umfasst natürlichen Quarz, der mit Fluorwasserstoffsäure behandelt wird, um pulverförmiges kristallines Siliciumdioxid zu erhalten.

Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des pulverförmigen Siliciumdioxids liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 500 um für die Verflüssigung zum Einfüllen in eine hitzebeständige Form. Pulverförmiges Siliciumdioxid mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von weniger als 10 um besitzt geringe Pulverfließfähigkeit und ist nicht leicht gleichmäßig in die Form einzufüllen, wohingegen das mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von S00 um oder größer zu einem größeren Lückenvolumen in der eingepackten Substanz führt, was unerwünschterweise die Entwicklung großer Blasen von 300 um oder größer im opaken Quarzglas verursacht.

Der Blasendurchmesser im erfindungsgemäßen opaken Quarzglas hängt vom durchschnittlichen Teilchendurchmesser des pulverförmigen Siliciumdioxids ab, sodass der Blasendurchmesser durch Einstellen des durchschnittlichen Teilchendurchmessers eingestellt werden kann. Anders gesagt, können bei Verwendung von pulverförmigem Siliciumdioxid mit feineren Teilchen feinere Blasen und bei Verwendung von pulverförmigem Siliciumdioxid mit gröberen Teilchen gröbere Blasen erhalten werden.

(b) Pulverförmiges Siliciumnitrid:

Das pulverförmige Siliciumnitrid ist vorzugsweise hochrein und kann durch Nitrierung von Siliciumtetrachlorid, Silicium, Siliciumdioxid und dgl. erhalten werden. Die hohe Reinheit ist bevorzugt, damit eine Streuung der Verunreinigung aus dem durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Quarzglas verhindert wird, damit teilweise Kristallisation des opaken Quarzglases unter Erzeugung von Sprödigkeit oder damit Farbentwicklung verhindert wird.

Das pulverförmige Siliciumnitrid wird in einer Menge im Bereich von 0,001 bis 0,05 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile des pulverförmigen Siliciumdioxids, eingesetzt. Eine Menge unter 0,001 Gewichtsteilen ist nicht bevorzugt, weil die Wärmeisolationseigenschaften aufgrund der kleineren Anzahl an gebildeten Blasen unzureichend sind, wohingegen eine Menge von mehr als 0,05 Gewichtsteilen nicht bevorzugt ist, weil die mechanische Festigkeit des opaken Quarzglases aufgrund einer übermäßigen Menge an gebildeten Blasen unerwünschterweise niedriger ist. Außerdem übersteigt bei einer Menge von mehr als 0,05 Gewichtsteilen der Stickstoffgehalt im Quarzglassubstrat 50 ppm, was zur Freisetzung von Stickstoff aus dem Quarzglas führt, wenn es zur Flammenbearbeitung oder einer ähnlichen Behandlung erneut erhitzt wird, wodurch sich die Menge an Blasen und der Durchmesser der Blasen erhöht und die Weißfärbung des opaken Quarzglases verändert.

Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des pulverförmigen Siliciumnitrids liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 1 um oder mehr, vorzugsweise von 0,1 bis 0,5 um, weil in diesem Bereich die Blasen nicht grob werden, in einer geeigneten Menge gebildet werden, und das pulverförmige Siliciumnitrid ohne Aggregatbildung mit dem pulverförmigen Siliciumdioxid gemischt werden kann.

[2] Mischen und Dispersion:

Der Grad der Dispersion des pulverförmigen Siliciumnitrids im Ausgangsmaterial, das aus pulverförmigem Siliciumdioxid und pulverförmigem Siliciumnitrid besteht, beeinflusst die Durchmesser und die Durchmesserverteilung der gebildeten Blasen. Daher sollte das pulverförmige Siliciumnitrid ohne Aggregatbildung zugemischt werden. Die Vorrichtung zum Mischen ist nicht beschränkt, mit der Maßgabe, dass sie das pulverförmige Siliciumnitrid dispergieren kann, wobei die Vorrichtung Mörser und Kugelmühlen umfasst. Zur ausreichenden Dispersion des pulverförmigen Siliciumnitrids ist ein Nassmischverfahren unter Verwendung eines Dispersionsmediums, wie Wasser und Alkohole, bevorzugt.

[3] Füllen in die hitzebeständige Form:

Das erhaltene Pulvergemisch wird in eine hitzebeständige Form gepackt. Die hitzebeständige Form ist hinsichtlich ihres Konstruktionsmaterials und ihrer Form nicht beschränkt, mit der Maßgabe, dass die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst werden kann. Das bevorzugte Material zur Konstruktion der Form umfasst Kohlenstoff, Bornitrid, Siliciumcarbid und dgl., die nicht leicht mit Siliciumdioxid reagieren. Für einen ausreichenden Schlupf zwischen der hitzebeständigen Form und dem Pulvergemisch, wird vorzugsweise Kohlenstofffilz, Kohlepapier oder dgl. zum Füllen und Erhitzen des Pulvers eingesetzt. Das Pulvergemisch hat zum gleichmäßigen Einfüllen in die hitzebeständige Form, damit gleichmäßig Blasen gebildet werden, vorzugsweise eine Fülldichte im Bereich von 0,7 bis 1,8 g/cm³. Die Gestalt der hitzebeständigen Form wird ohne Beschränkung ausgewählt, um das Produkt aus opakem Quarzglas in einer gewünschten Gestalt zu erhalten, weil die Gestalt des Glasprodukts nach Verglasung und Blasenbildung im Wesentlichen die gleiche ist wie die der hitzebeständigen Form.

[4] Verglasung und Blasenbildung:

Das in die hitzebeständige Form gepackte Pulvergemisch wird erhitzt, um den Siliciumnitrid- Bestandteil ausreichend zu zersetzen und das Quarzglas nach der Blasenbildung mittels Gasentwicklung in einen vollständigen Glaszustand zu überführen. Die Wärmebehandlung kann in einem elektrischen Ofen erfolgen, aber die Heizvorrichtung ist nicht spezifisch beschränkt, mit der Maßgabe, dass sie das Ausgangsmaterial erhitzen kann, sodass es vom Pulverzustand in den Glaszustand umgewandelt wird. Das Pulvergemisch wird in der Heizvorrichtung bei einer Temperatur nicht unter der Schmelztemperatur des Ausgangsmaterials, aber nicht über 1900ºC erhitzt. Die Schmelztemperatur des Ausgangsmaterials ist bei Atmosphärendruck 1713ºC, wenn amorphes Siliciumdioxid-Pulver als Ausgangsmaterial verwendet wird, aber die Schmelztemperatur ist kleiner als 1713ºC, wenn pulverförmiger Quarz als Ausgangsmaterial verwendet wird. In dem Fall, in dem das Ausgangsmaterial bei oder unterhalb seiner Schmelztemperatur nicht schmilzt oder das gesamte oder ein Teil des pulverförmigen amorphen Siliciumdioxids im Ausgangsmaterial von amorphem Siliciumdioxid in kristallinen Cristobalit umgewandelt worden ist, wobei der Cristobalit-Anteil ungeschmolzen bleibt, wird das erhaltene Glas unerwünschterweise spröde. Erhitzen bei einer Temperatur über 1900ºC ist nicht bevorzugt, weil die Blasen grob werden, sodass die Dichte des Glases gesenkt wird und nicht die zur maschinellen Bearbeitung des Glases in eine gewünschte Form und Abmessung erforderliche mechanische Festigkeit erhalten wird. Die Dauer der Wärmebehandlung ist nicht beschränkt, mit der Maßgabe, dass das Ausgangsmaterial vollständig geschmolzen und verglast wird, und hängt von der Heiztemperatur ab. Gewöhnlich ist Erhitzen für eine Stunde ausreichend.

Während der Temperaturerhöhung wird die Atmosphäre vorzugsweise unter Vakuum gehalten, bis das gepackte Material vom offenzelligen in einen geschlossenzelligen Zustand umgewandelt worden ist. Die Vakuumatmosphäre kann aufrecht erhalten werden, bis das eingefüllte Pulver im geschlossenzelligen Zustand in den Glaszustand umgewandelt ist. Das Vakuum beträgt vorzugsweise 10 mm Hg Absolutdruck oder weniger, damit in der geschlossenen Blase nur das freigesetzte Gas und das Zersetzungsgas des elementaren Stickstoffs, der durch Siliciumnitrid und Siliciumdioxid gebildet wird und im Ausgangsmaterial gelöst ist, gehalten wird, sodass die Blasen gleichmäßig über das gesamte Glas verteilt werden.

Wenn das eingefüllte Pulver seinen Zustand vom offenzelligen Zustand zum geschlossenzelligen Zustand geändert hat oder wenn der Übergang zum Glaszustand bei der Erhitzungstemperatur beendet ist, wird die Vakuumatmosphäre entfernt und ein Inertgas eingeleitet. Das Inertgas ist nicht besonders beschränkt, mit der Maßgabe, dass es im Wesentlichen nicht mit der hitzebeständigen Form, dem Ausgangsmaterial und dem gebildeten erfindungsgemäßen Produkt reagiert. Das Inertgas umfasst Stickstoff, Argon und Helium. Von diesen Gasen sind Stickstoff und Argon hinsichtlich der Kosten und der Gasdichte bevorzugt. Das Inertgas wird gewöhnlich bei Atmosphärendruck eingeleitet, um instabiles Verhalten der Blasen im Glas, wie Ausdehnung und Zusammenziehen, beim Flammenbearbeiten und Wiedererhitzen zu verhindern. Ein leichter Druck oder ein leichtes Vakuum können jedoch, wenn gewünscht, angewendet werden.

[5] Opakes Quarzglas:

Das aus dem vorstehenden Verfahren erhaltene opake Quarzglas hat vorzugsweise eine scheinbare Dichte im Bereich von 1,7 bis 2,1 g/cm³ und einen durchschnittlichen Blasendurchmesser im Bereich von 10 bis 100 um, damit es eine höhere mechanische Festigkeit, höhere Bearbeitbarkeit und größere Genauigkeit der Glasfläche besitzt.

Im Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen opaken Quarzglases hängen der Durchmesser der geschlossenen Zelle und deren Anzahl von der hinzugefügten Menge an pulverförmigem Siliciumnitrid, dem Teilchendurchmesser und der Teilchendurchmesserverteilung des pulverförmigen Siliciumdioxids, der Schmelztemperatur und dem Druck der eingeleiteten Gases ab. Zum Beispiel kann opakes Quarzglas mit ausgezeichneten Wärmeisolationseigenschaften und einer scheinbaren Dichte von 1,95-2,05 g/cm³, einem durchschnittlichen Blasendurchmesser von 50-70 um und einem Blasengehalt von 7 · 10&sup5; bis 8 · 10&sup5; Blasen/cm³ unter den Bedingungen einer Zugabe von pulverförmigem Siliciumnitrid von 0,01-0,02 Gewichtsteilen (bezogen auf 100 Gewichtsteile des pulverförmigen Siliciumdioxids), eines durchschnittlichen Siliciumdioxid-Pulver-Teilchendurchmessers von 100-200 um (Teilchendurchmesserverteilung: 10-600 Mm), einer Schmelztemperatur von 1800-1850ºC und einem Druck des eingeleiteten Gases von 1,0-2,0 kg/cm² erhalten werden. Opakes Quarzglas mit höheren Wärmeisolationseigenschaften und glatterer Oberfläche mit einer scheinbaren Dichte von 2,05-2,12 g/cm³, einem durchschnittlichen Blasendurchmesser von 30-50 um und einem Blasengehalt von 1-2 · 10&sup6; Blasen/cm³ kann unter den Bedingungen einer Zugabe von pulverförmigem Siliciumnitrid von 0,005-0,02 Gewichtsteilen (bezogen auf 100 Gewichtsteile des pulverförmigen Siliciumdioxids), eines durchschnittlichen Siliciumdioxid-Pulver- Teilchendurchmessers von 50-100 um (Teilchendurchmesserverteilung: 10-20) um), einer Schmelztemperatur von 1750-1850ºC und einem Druck des eingeleiteten Gases von 1,0-2,0 kg/cm² erhalten werden. Der bestimmende Faktor für die Blasenbildung ist die Teilchengröße des pulverförmigen Siliciumdioxids: eine feinere Teilchengröße des pulverförmigen Siliciumdioxids ergibt opakes Quarzglas mit Blasen eines kleineren Durchmessers, eine größere Menge Blasen und bessere Wärmeisolationseigenschaften.

Das so hergestellte opake Quarzglas hat ein weißes Aussehen und ist ansonsten nicht besonders beschränkt. Das opake Quarzglas enthält gleichmäßig darin verteilte Blasen, und die Opazität wird durch eine niedrige lineare Durchlässigkeit für Licht von beispielsweise einer Wellenlänge im Bereich von 300 bis 900 nm bestätigt. Um Wärmeisolationseigenschaften zu erhalten, ist die lineare Durchlässigkeit vorzugsweise nicht höher als 3% bei einer Dicke des Glases von 1 mm oder mehr bei einer Lichtwellenlänge im Bereich von 300 bis 900 nm.

Das opake Quarzglas, das diese niedrige lineare Durchlässigkeit besitzt, hat aufgrund des Vorliegens der Blasen eine niedrige Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmeisolationseigenschaften werden durch Streuung der Wärmestrahlen durch die Blasen weiter verstärkt. Anders gesagt, werden die Wärmeisolationseigenschaften des opaken Quarzglases durch Senken der linearen Lichtdurchlässigkeit oder Erhöhen der Wärmestrahlenstreuung verbessert.

Da keine OH-Gruppe aus dem Ausgangsmaterial oder bei der Schmelzbehandlung in das Glas eingebracht wird, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren ein opakes Quarzglas hergestellt, das hohe Viskosität bei hohen Temperaturen besitzt.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen eingehender beschrieben, ohne die Erfindung zu beschränken. Die Messungen wurden wie nachstehend durchgeführt.

[Analyse von Verunreinigungen]

Der pulverförmige kristalline Quarz wurde mit einem ICP-Verfahren analysiert.

[Röntgenbeugung]

Das opake Quarzglas wurde mit einem Schneider in eine Testprobe in einer Größe von 20 mm · 10 mm · 2 mm (dick) geschnitten. Der Glaszustand der Testprobe wurde mit einer Röntgenbeugungsvorrichtung (Modell: MXP3, von McScience Co. hergestellt) überprüft. Der Glaszustand wurde durch Vorliegen oder Fehlen des Beugungsmaxima der Kristalle von Quarz, Cristobalit oder dgl. im erhaltenen Beugungsmuster bestätigt.

[Scheinbare Dichte]

Das opake Quarzglas wurde mit einem Schneider in eine Testprobe in einer Größe von 30 mm · 30 mm · 10 mm (dick) geschnitten. Die scheinbare Dichte wurde gemäß dem archimedischen Prinzip mithilfe einer elektronischen Waage (Modell: AT261, von Metler Co. hergestellt) gemessen.

[Durchschnittlicher Blasendurchmesser und Blasenmenge]

Das opake Quarzglas wurde mit einem Schneider in eine Testprobe in einer Größe von 30 mm · 10 mm · 0,3 mm (dick) geschnitten. Der Blasendurchmesser und die Blasenmenge in der Probe wurden mithilfe eines Polarisationsmikroskops, das mit einer Linse mit Skalierung ausgestattet war, (Modell: BH-2, von Olympus Optical Co., Ltd., hergestellt) gemessen. Der durchschnittliche Blasendurchmesser wurde erhalten, indem das Gesamtblasenvolumen unter der Annahme, das die gezählten Blasen völlig rund waren, berechnet wurde, das durchschnittliche Volumen durch Dividieren des Gesamtvolumens durch die Anzahl Blasen berechnet wurde und der durchschnittliche Durchmesser aus dem durchschnittlichen Volumen berechnet wurde.

[Teilchendurchmesser]

Die Teilchendurchmesserverteilung und der durchschnittliche Teilchendurchmesser der Pulverteilchen wurden mithilfe eines Laserbeugungs-Streuungs-Testgeräts: Coulter LS-130 (von Coulter Electronics Co. hergestellt) gemessen.

[Packungsdichte]

Die Packungsdichte des Pulvermaterials wurde erhalten, indem ein vorbestimmtes Gewicht des Pulvermaterials in die hitzebeständige Form gepackt, das Volumen des Pulvermaterials gemessen und das Gewicht des Pulvermaterials durch dessen Volumen dividiert wurde.

[Konformation der Höhlungen]

Das Quarzglas wurde mit einer Schneidemaschine geschnitten. Die Querschnittsfläche wurde visuell begutachtet.

[Lichtdurchlässigkeit]

Das Quarzglas wurde mit einer Schneidemaschine geschnitten, und beide Flächen der geschnittenen Probe senkrecht zur Dickenrichtung wurden mit Aluminiumoxid-Schleifkorn #1200 poliert, sodass eine Testprobe in einer Größe von 30 mm · 10 mm · 1 mm (dick) hergestellt wurde. Die lineare Durchlässigkeit in Dickenrichtung der Probe wurde bei Wellenlängen von 300 nm, 500 nm, 700 nm und 900 nm mithilfe eines Spektralphotometers (Doppelstrahl-Spektralphotometer: Modell 220, von Hitachi, Ltd., hergestellt) gemessen.

[Konzentration an elementarem Stickstoff im Glassubstrat]

Das Quarzglas wurde mithilfe eines Mörsers ausreichend in einen pulverförmigen Zustand zermahlen. Das pulverisierte Glas wurde mit Salpetersäure-Fluorwasserstoffsäure und Schwefelsäure unter Druck zersetzt. Das Zersetzungsprodukt wurde mittels Destillation abgetrennt und einer Ionenchromatographie unterworfen.

[Gesamtquerschnittsfläche]

Die Gesamtquerschnittsfläche war als die Summe der Flächen definiert, die Durchmesser von Blasen enthielten, die als perfekte Kugeln betrachtet wurden, und wurde durch Multiplizieren der aus dem mittleren Blasendurchmesser abgeleiteten mittleren Querschnittsfläche mit der Anzahl der Blasen berechnet.

Beispiel 1

Pulverförmiger natürlicher Quarzkristall (Handelsname: IOTA-5, von Unimin Co. geliefert) mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 300 um und einer Teilchendurchmesserverteilung im Bereich von 30 bis 500 um wurde durch ein bekanntes Fluorwasserstoffsäure-Behandlungsverfahren gereinigt, wobei ein pulverförmiges Ausgangsmaterial (nachstehend als "pulverförmiger Quarz" bezeichnet) hergestellt wurde. Pulverförmiges Siliciumnitrid (Handelsname: SN-E10, von Ube Industries, Ltd., hergestellt, durchschnittlicher Teilchendurchmesser: 0,5 um), das aus Siliciumtetrachlorid durch ein Ammoniak- Behandlungsverfahren hergestellt wurde, wurde als weiterer Ausgangsmaterial-Bestandteil eingesetzt. Das pulverförmige Siliciumnitrid wurde in einem Verhältnis von 0,91 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile pulverförmigen Quarz, der später hinzugefügt werden sollte, abgewogen. Dieses pulverförmige Siliciumnitrid wurde in 50 Gewichtsteilen Ethanol, bezogen. auf 100 Gewichtsteile pulverförmigen Quarz, mittels Rühren und Ultraschallvibration ausreichend dispergiert. Zur flüssigen Siliciumnitrid-Dispersion wurde der vorstehend genannte pulverförmige Quarz hinzugefügt, und das Gemisch wurde gerührt und ausreichend gemischt. Dann wurde Ethanol mit einem Vakuumverdampfer daraus entfernt, und die verbleibende feste Substanz wurde getrocknet, wobei ein Gemisch aus pulverförmigem Quarz und pulverförmigem Siliciumnitrid (nachstehend als "Pulvergemisch" bezeichnet) erhalten wurde. 300 Gramm des Pulvergemischs wurden in einen Kohlenstofftiegel (Außendurchmesser: 130 mm, Innendurchmesser: 100 mm, Tiefe: 50 mm) mit an der Innenseite befestigtem Kohlenstofffilz gepackt. Die Packungsdichte betrug 1,4 g/cm³. Der Tiegel wurde in einen elektrischen Ofen gestellt. Die Atmosphäre wurde bis auf 1 · 10&supmin;³ mm Hg evakuiert, und die Temperatur wurde mit einer Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit von 300ºC pro Stunde von Raumtemperatur bis auf 1800ºC erhöht und 10 Minuten bei 1800ºC gehalten. Dann wurde gasförmiger Stickstoff bei Atmosphärendruck (1 kg/cm²) in den elektrischen Ofen geleitet, und das Erhitzen wurde beendet. Für das erhaltene opake Quarzglas wurde mithilfe von Röntgenbeugung bestätigt, dass es sich im Glaszustand befand. Das opake Quarzglas wurde mit den vorstehend genannten Verfahren bewertet. Die Bewertungsergebnisse sind in den Tabellen 1-3 gezeigt: scheinbare Dichte, durchschnittlicher Blasendurchmesser und Menge an Blasen in Tabelle 1; Gesamtblasenquerschnittsfläche und Lichtdurchlässigkeit in Tabelle 2 und Gehalt an elementarem Stickstoff im Glassubstrat in Tabelle 3.

Beispiel 2

Der pulverförmige Quarz des Beispiels 1 wurde mit einer Trockenkugelmühle pulverisiert und mittels Sieben klassiert, sodass pulverförmiger Quarz mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 50 um und einer Teilchendurchmesserverteilung im Bereich von 10 bis 200 jtm erhalten wurde. Mit diesem pulverförmigen Quarz wurde ein Pulvergemisch hergestellt, das aus 0,03 Gewichtsteilen pulverförmigem Siliciumnitrid und 100 Gewichtsteilen pulverförmigem Quarz bestand. 300 Gramm dieses Pulvergemischs wurden in den gleichen Kohlenstofftiegel wie bei Beispiel 1 gepackt. Die Packungsdichte betrug 1,4 g/cm³. Das Pulvergemisch wurde auf die gleiche Weise hitzebehandelt wie bei Beispiel 1, sodass opakes Quarzglas erhalten wurde. Für das opake Quarzglas wurde mithilfe von Röntgenbeugung bestätigt, dass es sich im Glaszustand befand. Das opake Quarzglas wurde mit den vorstehend genannten Verfahren bewertet. Die Bewertungsergebnisse sind in den Tabellen 1-3 gezeigt: scheinbare Dichte, durchschnittlicher Blasendurchmesser und Menge an Blasen in Tabelle 1; Gesamtblasenquerschnittsfläche und Lichtdurchlässigkeit in Tabelle 2 und Gehalt an elementarem Stickstoff im Glassubstrat in Tabelle 3.

Beispiel 3

Der pulverförmige Quarz des Beispiels 1 wurde mit einer Trockenkugelmühle pulverisiert und mittels Sieben klassiert, sodass pulverförmiger Quarz mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 50 um und einer Teilchendurchmesserverteilung im Bereich von 10 bis 200 um erhalten wurde. Mit diesem pulverförmigen Quarz wurde ein Pulvergemisch unter den gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 1 erhalten.

300 Gramm dieses Pulvergemischs wurden in den gleichen Kohlenstofftiegel wie bei Beispiel 1 gepackt. Die Packungsdichte betrug 1,2 g/cm³. Das Pulvergemisch wurde auf die gleiche Weise hitzebehandelt, wie bei Beispiel 1, sodass opakes Quarzglas erhalten wurde. Für das opake Quarzglas wurde mithilfe von Röntgenbeugung bestätigt, dass es sich im Glaszustand befand. Das opake Quarzglas wurde mit den vorstehend genannten Verfahren bewertet. Die Bewertungsergebnisse sind in den Tabellen 1-3 gezeigt: scheinbare Dichte, durchschnittlicher Blasendurchmesser und Menge an Blasen in Tabelle 1; Gesamtblasenquerschnittsfläche und Lichtdurchlässigkeit in Tabelle 2 und Gehalt an elementarem Stickstoff im Glassubstrat in Tabelle 3.

Beispiel 4

Opakes Quarzglas wurde auf die gleiche Weise hergestellt, wie bei Beispiel 1, ausgenommen dass die Erhitzungstemperatur auf 1850ºC erhöht wurde. Für das opake Quarzglas wurde mithilfe von Röntgenbeugung bestätigt, dass es sich im Glaszustand befand. Das opake Quarzglas wurde mit den vorstehend genannten Verfahren bewertet. Die Bewertungsergebnisse sind in den Tabellen 1-3 gezeigt: scheinbare Dichte, durchschnittlicher Blasendurchmesser und Menge an Blasen in Tabelle 1; Gesamtblasenquerschnittsfläche und Lichtdurchlässigkeit in Tabelle 2 und Gehalt an elementarem Stickstoff im Glassubstrat in Tabelle 3.

Beispiel 5

Opakes Quarzglas wurde auf die gleiche Weise hergestellt, wie bei Beispiel 1, ausgenommen dass nach Erhitzen bei 1800ºC für 10 Minuten Stickstoff bis auf einen Druck von 2,0 kg/cm² eingeleitet und dann das Erhitzen beendet wurde. Für das opake Quarzglas wurde mithilfe von Röntgenbeugung bestätigt, dass es sich im Glaszustand befand. Das opake Quarzglas wurde mit den vorstehend genannten Verfahren bewertet. Die Bewertungsergebnisse sind in den Tabellen 1-3 gezeigt: scheinbare Dichte, durchschnittlicher Blasendurchmesser und Menge an Blasen in Tabelle 1; Gesamtblasenquerschnittsfläche und Lichtdurchlässigkeit in Tabelle 2 und Gehalt an elementarem Stickstoff im Glassubstrat in Tabelle 3.

Beispiel 6

Pulverförmiges amorphes Siliciumdioxid (Handelsname: Silica Ace A, von Nitto Chemical Industry Co., Ltd., hergestellt) das durch Umsetzung von Natriumsilikat mit einer Säure und Wärmebehandlung hergestellt wurde und einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 300 um und eine Teilchendurchmesserverteilung im Bereich von 50 bis 1000 um hatte, wurde mit einer Trockenkugelmühle pulverisiert und mittels Sieben klassiert, sodass pulverförmiges amorphes Siliciumdioxid mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 180 um und einer Teilchendurchmesserverteilung im Bereich von 10 bis 600 um erhalten wurde. Dieses pulverförmige amorphe Siliciumdioxid wurde als ein Ausgangsmaterial-Bestandteil verwendet. Pulverförmiges Siliciumnitrid (Handelsname: SN-E10, von Ube Industries, Ltd., hergestellt, durchschnittlicher Teilchendurchmesser: 0,5 um), das aus Siliciumtetrachlorid durch ein Ammoniak-Behandlungsverfahren hergestellt wurde, wurde als weiterer Ausgangsmaterial-Bestandteil eingesetzt. Das pulverförmige Siliciumnitrid wurde in einem Verhältnis von 0,01 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile pulverförmiges amorphes Siliciumdioxid, das später hinzugefügt werden sollte, abgewogen. Dieses pulverförmige Siliciumnitrid wurde in 50 Gewichtsteilen Ethanol, bezogen auf 100 Gewichtsteile pulverförmiges amorphes Siliciumdioxid, mittels Rühren und Ultraschallvibration ausreichend dispergiert. Zur flüssigen Siliciumnitrid-Dispersion wurde das pulverförmige amorphe Siliciumdioxid hinzugefügt, und das Gemisch wurde gerührt und ausreichend gemischt. Dann wurde Ethanol mit einem Vakuumverdampfer daraus entfernt, und die verbleibende feste Substanz wurde getrocknet, wobei ein Gemisch aus dem pulverförmigen amorphen Siliciumdioxid und dem pulverförmigen Siliciumnitrid (nachstehend als "Pulvergemisch" bezeichnet) erhalten wurde. 300 Gramm des Pulvergemischs wurden in einen Kohlenstofftiegel (Außendurchmesser: 130 mm, Innendurchmesser: 100 mm, Tiefe: 50 mm) mit an der Innenwand befestigtem, 2 mm dickem Kohlenstofffilz gepackt. Die Packungsdichte betrug 0,81 g/cm³. Der Tiegel wurde in einen elektrischen Ofen gestellt. Die Atmosphäre wurde bis auf 1 · 10&supmin;³ mm Hg evakuiert, und die Temperatur wurde mit einer Temperaturerhöhungsrate von 300ºC pro Stunde von Raumtemperatur bis auf 1800ºC erhöht und 10 Minuten bei 1800ºC gehalten. Dann wurde gasförmiger Stickstoff bei Atmosphärendruck (1 kgf/cm²) in den elektrischen Ofen geleitet, und das Erhitzen wurde beendet. Für das erhaltene opake Quarzglas wurde mithilfe von Röntgenbeugung bestätigt, dass es sich im Glaszustand befand: Das opake Quarzglas wurde mit den vorstehend genannten Verfahren bewertet. Die Bewertungsergebnisse sind in den Tabellen 1-3 gezeigt: scheinbare Dichte, durchschnittlicher Blasendurchmesser und Menge an Blasen in Tabelle 1; Gesamtblasenquerschnittsfläche und Lichtdurchlässigkeit in Tabelle 2 und Gehalt an elementarem Stickstoff im Glassubstrat in Tabelle 3.

Beispiel 7

Ein Pulvergemisch wurde auf die gleiche Weise wie bei Beispiel 6 erhalten, ausgenommen dass das Verhältnis des pulverförmigen Siliciumnitrids in 0,02 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile des pulverförmigen amorphen Siliciumdioxids, geändert wurde. 300 Gramm dieses Pulvergemischs wurden in den gleichen Kohlenstofftiegel wie bei Beispiel 1 gepackt: Die Packungsdichte betrug 0,81 g/cm³. Das Pulvergemisch wurde auf die gleiche Weise hitzebehandelt, wie bei Beispiel 1, sodass opakes Quarzglas erhalten wurde. Für das opake Quarzglas wurde mithilfe von Röntgenbeugung bestätigt, dass es sich im Glaszustand befand. Das opake Quarzglas wurde mit den vorstehend genannten Verfahren bewertet. Die Bewertungsergebnisse sind in den Tabellen 1-3 gezeigt: scheinbare Dichte, durchschnittlicher Blasendurchmesser und Menge an Blasen in Tabelle 1; Gesamtblasenquerschnittsfläche und Lichtdurchlässigkeit in Tabelle 2 und Gehalt an elementarem Stickstoff im Glassubstrat in Tabelle 3.

Beispiel 8

Ein Pulvergemisch wurde auf die gleiche Weise wie bei Beispiel 6 erhalten, ausgenommen dass die Teilchengröße des pulverförmigen amorphen Siliciumdioxids so geändert wurde, dass es einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 250 um und eine Teilchendurchmesserverteilung im Bereich von 10 bis 800 um besaß. 300 Gramm dieses Pulvergemischs wurden in den gleichen Kohlenstofftiegel wie bei Beispiel 1 gepackt. Die Packungsdichte betrug 0,79 g/cm³.

Das Pulvergemisch wurde auf die gleiche Weise hitzebehandelt, wie bei Beispiel 1, sodass opakes Quarzglas erhalten wurde. Für das opake Quarzglas wurde mithilfe von Röntgenbeugung bestätigt, dass es sich im Glaszustand befand. Das opake Quarzglas wurde mit den vorstehend genannten Verfahren bewertet. Die Bewertungsergebnisse sind in den Tabellen 1-3 gezeigt: scheinbare Dichte, durchschnittlicher Blasendurchmesser und Menge an Blasen in Tabelle 1; Gesamtblasenquerschnittsfläche und Lichtdurchlässigkeit in Tabelle 2 und Gehalt an elementarem Stickstoff im Glassubstrat in Tabelle 3.

Beispiel 9

Pulverförmiges amorphes Siliciumdioxid (Handelsname: MKC Silica PS300L, von Mitsubishi Kagaku K.K. hergestellt) das durch Umsetzung von Siliciumalkoxid mit Wasser und Wärmebehandlung hergestellt wurde und einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 170 um und eine Teilchendurchmesserverteilung im Bereich von 30 bis 400 um hatte, wurde als ein Ausgangsmaterial-Bestandteil verwendet. Pulverförmiges Siliciumnitrid (Handelsname: SN- E10, von Ube Industries, Ltd., hergestellt, durchschnittlicher Teilchendurchmesser: 0,5 um) wurde in einem Verhältnis von 0,01 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile des pulverförmigen amorphen Siliciumdioxids, abgewogen, sodass auf die gleiche Weise wie bei Beispiel 1 ein Pulvergemisch erhalten wurde. 300 Gramm des Pulvergemischs wurden in den gleichen Kohlenstofftiegel wie bei Beispiel 1 gepackt. Die Packungsdichte betrug 0,81 g/cm³. Das Pulvergemisch wurde auf die gleiche Weise wie bei Beispiel 1 hitzebehandelt, sodass opakes Quarzglas erhalten wurde. Für das erhaltene opake, Quarzglas wurde mithilfe von Röntgenbeugung bestätigt, dass es sich im Glaszustand befand. Das opake Quarzglas wurde mit den vorstehend genannten Verfahren bewertet. Die Bewertungsergebnisse sind in den Tabellen 1-3 gezeigt: scheinbare Dichte, durchschnittlicher Blasendurchmesser und Menge an Blasen in Tabelle 1; Gesamtblasenquerschnittsfläche und Lichtdurchlässigkeit in Tabelle 2 und Gehalt an elementarem Stickstoff im Glassubstrat in Tabelle 3.

Die in den Beispielen 1-9 erhaltenen Proben von opakem Quarzglas wurden geschnitten und mittels Mikroskopie untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die Blasen gleichmäßig dispergiert waren. Die Proben wurden in einer Stickstoffatmosphäre bei Atmosphärendruck (1 kg/cm²) und 1800ºC zehn Minuten in einem elektrischen Ofen hitzebehandelt. Die hitzebehandelten Proben wurden geschnitten und mittels Mikroskopie untersucht. Es wurde gefunden, dass der Zustand der Blasen durch die Hitzebehandlung nicht verändert wurde.

Vergleichsbeispiel 1

Der pulverförmige Quarz des Beispiels 1 wurde mit einer Trockenkugelmühle pulverisiert. Die. pulverförmige Substanz wurde in Ethanol dispergiert und mittels Sedimentation klassiert, wobei pulverförmiger Quarz mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 5 um und einer Teilchendurchmesserverteilung im Bereich von 1 bis 10 um erhalten wurde. Unter Verwendung dieses pulverförmigen Quarzes wurde ein Pulvergemisch unter den gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 1 hergestellt. 300 Gramm dieses Pulvergemischs wurden in den gleichen Kohlenstofftiegel wie bei Beispiel 1 gepackt. Die Packungsdickte betrug 0,9 g/cm³. Das Pulvergemisch wurde auf die gleiche Weise hitzebehandelt, wie bei Beispiel 1, sodass opakes Quarzglas erhalten wurde. Für das opake Quarzglas wurde mithilfe von Röntgenbeugung bestätigt, dass es sich im Glaszustand befand. Die scheinbare Dichte des Glases betrug jedoch nur 1,2 g/cm³. Das Innere des Glases wurde mittels Schneiden begutachtet, und es wurde festgestellt, dass Höhlungen von 2-5 mm Durchmesser im Glas verstreut vorlagen.

Vergleichsbeispiel 2

Ein Pulvergemisch wurde auf die gleiche Weise wie bei Beispiel 6 hergestellt, ausgenommen dass das pulverförmige amorphe Siliciumdioxid-Material gegen eines ausgetauscht wurde, das einen durchschnittliche Teilchendurchmesser von 700 um und eine Teilchendurchmesserverteilung im Bereich von 500 bis 1000 um besaß. 300 Gramm des Pulvergemischs wurden in den gleichen Kohlenstofftiegel wie bei Beispiel 1 gepackt. Die Packungsdichte betrug 0,78 g/cm³. Das Pulvergemisch wurde auf die gleiche Weise hitzebehandelt, wie bei Beispiel 1, sodass opakes Quarzglas erhalten wurde. Für das opake Quarzglas wurde mithilfe von Röntgenbeugung bestätigt, dass es sich im Glaszustand befand. Die scheinbare Dichte des Glases betrug jedoch nur 1,4 g/cm³. Es wurde gefunden, dass Höhlungen von 0,5-1 mm Durchmesser im Glas verstreut vorlagen.

Vergleichsbeispiel 3

Quarzglas wurde auf die gleiche Weise wie bei Beispiel 6 hergestellt, ausgenommen dass die Erhitzungstemperatur auf 1950ºC geändert wurde. Für das erhaltene opake Quarzglas wurde mithilfe von Röntgenbeugung bestätigt, dass es sich im Glaszustand befand. Die scheinbare Dichte des Glases betrug jedoch nur 1,5 g/cm³, und der durchschnittliche Blasendurchmesser betrug sogar 200 um, wodurch das Glas merklich spröde wird.

Vergleichsbeispiel 4

Quarzglas wurde auf die gleiche Weise wie bei Beispiel 1 hergestellt, ausgenommen dass die zugemischte Menge des pulverförmigen Siliciumnitrids auf 0,06 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile pulverförmigen Quarz, geändert wurde. Für das erhaltene opake Quarzglas wurde mithilfe von Röntgenbeugung bestätigt, dass es sich im Glaszustand befand. Die scheinbare Dichte des Glases betrug jedoch nur 1,7 g/cm³. Die Konzentration an elementarem Stickstoff im Glassubstrat ist in Tabelle 3 gezeigt.

Dieses Glas wurde in einer Stickstoffatmosphäre bei Atmosphärendruck (1 kg/cm²) bei 1800ºC zehn Minuten hitzebehandelt. Die Weißfärbung des Glases erhöhte sich durch die Hitzebehandlung. Das hitzebehandelte Glas wurde geschnitten und mittels Mikroskopie untersucht. Es wurde gefunden, dass die Menge der Blasen und der Blasendurchmesser durch die Hitzebehandlung vergrößert wurden.

Das erfindungsgemäße Quarzglas wird hergestellt, indem pulverförmiges Siliciumdioxid unter Zugabe von pulverförmigem Siliciumnitrid erhitzt wird, und die Blasenbildung wird durch Verglasung des pulverförmigen Siliciumdioxids und Zersetzung des Siliciumnitrids hervorgerufen. Das opake Quarzglas hat die nachstehenden Vorteile. Eine Verunreinigung des Quarzglases mit Verunreinigungen, wie Alkalimetall, wird verhindert. Der Blasendurchmesser und die scheinbare Dichte des erhaltenen opaken Quarzglases können durch Auswahl des Teilchendurchmessers des pulverförmigen Siliciumdioxids, der eingemischten Menge an pulverförmigem Siliciumnitrid und der Erhitzungstemperatur eingestellt werden. Das Glas wird in fast der gleichen Form wie die hitzebeständige Form erhalten, sodass mechanische Bearbeitungsschritte, wie Schneiden und Formen, für die Gestalt des Endprodukts merklich vereinfacht werden können, indem das pulverförmige Ausgangsmaterial, das in eine hitzbeständige Form, deren Gestalt ähnlich der Gestalt des gewünschten Produkts ist, eingefüllt wurde verglast wird. Die Konzentration an elementarem Stickstoff im Glassubstrat ist niedrig, wodurch die Veränderung der Weißfärbung des opaken Quarzglases durch erneute Blasenbildung beim erneuten Erhitzen bei der Flammenbearbeitung oder einer ähnlichen Behandlung verhindert werden kann. Das Verbinden mit durchsichtigem Quarzglas kann zufriedenstellend erfolgen, ohne dass die jeweiligen Glasarten am Verbindungsstück beschädigt werden und ohne Risiko von Brechen, weil die Konzentration an elementarem Stickstoff in beiden Glasarten sehr ähnlich ist.

Tabelle 1
Tabelle 2
Tabelle 3


Anspruch[de]

1. Opakes Quarzglas mit einer scheinbaren Dichte von 1,7 bis 2,1 g/cm, das Blasen mit einem durchschnittlichen Blasendurchmesser von 10 bis 100 um in einer Anzahl von 3 · 10&sup5; bis 5 · 10&sup6; Blasen/cm³ enthält, wobei die Gesamtquerschnittsfläche der Blasen 10 bis 40 cm 1 cm³ beträgt, und elementaren Stickstoff in einer Konzentration von 1 bis 50 ppm enthält, mit der Maßgabe, dass die Konzentration von elementarem Stickstoff nicht 50 ppm beträgt, wenn die scheinbare Dichte von 2,08 bis 2,1 reicht und die Anzahl der Blasen von 3 · 10&sup5; bis 6 · 10&sup5; reicht.

2. Opakes Quarzglas nach Anspruch 1, wobei das opake Quarzglas bei einer Dicke von 1 mm oder mehr einen linearen Transmissionsgrad von projiziertem Licht einer Wellenlänge von 300 bis 900 nm von nicht mehr als 3% hat.

3. Verfahren zur Herstellung eines opaken Quarzglases, umfassend das Packen eines pulverförmigen Ausgangsmaterials, das sich aus pulverförmigem Siliciumdioxid mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 10 bis 500 um und darin dispergiertem pulverförmigem Siliciumnitrid zusammensetzt in einer Menge von 0,001 bis 0,05 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile des pulverförmigen Siliciumdioxids, in eine hitzebeständige Form; Erhitzen des pulverförmigen Ausgangsmaterials bis zu einer Temperatur nicht unter seiner Schmelztemperatur und nicht über 1900ºC in einer Vakuumatmosphäre oder Erhitzen des pulverförmigen Ausgangsmaterials bis zu einer Temperatur nicht unter 1400ºC und unter seiner Schmelztemperatur in einer Vakuumatmosphäre; zudem Erhitzen des Ausgangsmaterials bis zu einer weiteren Temperatur über dem Schmelzpunkt und nicht über 1900ºC in einer inerten Gasatmosphäre zur Verglasung und Blasenbildung.

4. Verfahren zur Herstellung eines opaken Quarzglases gemäß Anspruch 3, wobei die hitzebeständige Form die Form eines Flansches, eines Zylinders, eines Hohlprismas, einer Schraube, einer Turbo-Füllvorrichtung, eines würfelförmigen Wasserbehälters oder eines Waschbeckens hat.

5. Opakes Quarzglas nach Anspruch 1 oder 2, wobei das opake Quarzglas die Gestalt eines geformten Gegenstands hat.







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