形成熔凝石英玻璃的系统和方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本发明涉及一种用于形成熔凝石英玻璃或熔凝二氧化硅，更具体地用于将熔凝石英或熔凝二氧化硅玻璃成形为期望形状的容器的系统和方法。
[0002]由熔凝石英/熔凝二氧化硅玻璃(为简单起见，在下文中称为“熔凝石英玻璃”)制成的大腔室或容器在现有技术中是已知的。此类容器通常具有大于200 mm的直径。此类容器是理想的，因为它们为需要受控气氛和/或非反应性气氛的工艺提供受控气氛。
[0003]通常，这些容器是通过将分开的熔凝石英玻璃片焊接在一起形成的。例如，常规的成型方法包括将熔凝石英玻璃管激光切割成两半，并且随后将两个半管和用熔凝石英玻璃制成的两个平板焊接在一起。因此，所得的容器包括可能需要后续研磨的一个或多个焊接缝。最后，该容器必须被火抛光，以形成具有期望透明度的完整结构。
[0004]然而，此类常规系统和方法是劳动密集型的，特别是由于必须被执行的大量焊接以及焊接线的必要的后续研磨以形成完整容器。例如，导致每容器超过10英尺焊接的此类常规成型方法并不少见。另外，由于所涉及的大量焊接，此类常规方法可能是危险的、耗时的和昂贵的。具体地，石英玻璃的焊接需要高技术水平并且需要非常地细心，因为焊接错误可导致整个石英玻璃片破碎，从而导致昂贵的石英玻璃材料的总体损失。因此，使用此类常规系统和方法难以在大规模商业基础上制作熔凝石英玻璃。
[0005]因此，期望提供一种用于使石英玻璃成型特别是成型为容器的方法和系统，其需要最少的机械加工(例如，最少的焊接和研磨)。作为将分开的石英玻璃片焊接在一起的替代方案，本领域中已知的是将平板玻璃和其他玻璃物品模塑为期望形状的一些成型工艺。然而，只能对具有相对低的熔融(Tg)温度(例如，在400到600°C Tg的范围内)和相对低的粘度(例如，在12到10 5泊的范围内)的玻璃在变形温度(例如，在400到1100°C的范围内)下执行此类常规模塑工艺。因此，这些低熔点温度和低粘度玻璃可以相当容易地模塑为期望的形状。
[0006]在另一方面，熔凝石英玻璃具有相对高的熔融温度和相对高的粘度，并且因此通过常规的模塑技术更难以形成。具体地，对于整个大片的熔凝石英玻璃将非常难以获得在12到10 5泊范围内的粘度。具体地，为了获得具有在该范围内的粘度的熔凝石英玻璃，该石英玻璃必须被加热到2000°C或更高的温度，这将导致大的辐射热损失。此外，即使通过将熔凝石英玻璃加热到约1600°C的温度(即，大约熔凝石英玻璃的软化点)，该玻璃也不会具有这样的低粘度(例如，在12到105泊的范围内)。具体地，即使在1600°C下，熔凝石英玻璃的粘度对于模塑或成型来说仍太高。因此，具有比其他类型玻璃高得多的熔融温度和粘度的石英玻璃的成型或模塑相当难以执行，并且不可利用用于模塑低熔点和低粘度玻璃的常规或非定制炉来完成。如此，认为熔凝石英玻璃的模塑需要非常昂贵的定制炉和复杂的组件。
[0007]因此，提供用于形成熔凝石英玻璃并且更具体地用于生产大的熔凝石英玻璃容器的改进的系统和方法将是有益的。更具体地，在无需昂贵和定制的炉的情况下提供用于将熔凝石英玻璃模塑或成型为不含任何焊接线的容器或腔室的简化的、有效的和经济高效的系统和方法将是有益的。
发明概要
[0008]本发明的重要方面涉及用于模塑和形成熔凝石英玻璃的系统和方法，该熔凝石英玻璃具有比通常经受此类模塑或成型技术的类型的玻璃要高得多的粘度。具体地，本发明人已经发现一种模塑熔凝石英玻璃的方法和系统，其不需要熔凝石英玻璃具有如通常所需的在12到10 5泊范围内的粘度。代之，根据本发明的各方面，具有在10 5到10 13泊范围内的相对较高的粘度的熔凝石英玻璃的主体在1200°c到1700°c范围内的变形温度下可模塑或成型为大的工艺容器(例如，具有大于200 mm的直径的容器)。
[0009]本发明的一个优选实施例涉及一种形成熔凝石英玻璃的方法。该方法包括以下步骤:(a)提供由熔凝石英玻璃制成的起始主体；(b)将熔凝石英玻璃起始主体定位在底板上；(C)将第一插入装置插入熔凝石英玻璃起始主体的内部腔体中以形成组装结构；(d)将组装结构加热到预定温度，在该预定温度下起始主体的熔凝石英玻璃具有在15到10 13泊范围内的粘度；以及(e)在预定温度下或在15到10 13泊的粘度范围内围绕第一插入装置使起始主体的熔凝石英玻璃变形，以改变起始主体的形状。
[0010]本发明的另一个优选实施例涉及一种用于制作熔凝石英玻璃，尤其是制作具有200 _或更大的直径的熔凝石英玻璃的方法。该方法包括以下步骤:(a)提供由熔凝石英玻璃制成的起始主体以及(b)将熔凝石英玻璃起始主体定位在底板上。该方法还包括第一成型阶段和第二成型阶段。第一成型阶段包括:(i)将第一插入装置插入熔凝石英玻璃起始主体的内部腔体中以形成第一组装结构，(ii)将第一组装结构加热到预定温度，在该预定温度下起始主体的恪凝石英玻璃具有在15到10 13泊范围内的粘度；以及(iii)在预定温度下或在15到10 13泊的粘度范围内围绕第一插入装置使起始主体的熔凝石英玻璃变形，以形成由熔凝石英玻璃制成的中间主体。第二成型阶段包括:(i)移除第一插入装置并且将第二插入装置插入熔凝石英玻璃中间主体的内部腔体中以形成第二组装结构，以及
[11]将第二组装结构加热到预定温度，同时通过挤压板挤压熔凝石英玻璃中间主体的外部表面，以引起中间主体的熔凝石英玻璃围绕第二插入装置的变形，从而形成熔凝石英玻璃容器。第二插入装置具有的总体尺寸与第一插入装置的总体尺寸不同。
[0011]本发明的另一个优选实施例涉及一种用于形成熔凝石英玻璃的成型组件，该成型组件包括:底板，该底板被配置成支撑由熔凝石英玻璃制成的主体；挤压板，该挤压板被配置成在加热熔凝石英玻璃主体期间挤压在该熔凝石英玻璃主体上；第一插入装置和第二插入装置；以及加热装置，该加热装置被配置成将主体加热到在1200°C到1700°C范围内的温度，使得熔凝石英玻璃具有在15到10 13泊范围内的粘度。第一插入装置和第二插入装置中的每个被配置成被单独地接收在熔凝石英玻璃主体内。
[0012]可以单独或组合实现的本发明的有利改进在从属权利要求中指定。在成型组件的上下文中描述的特征和细节也应适用于该方法，并且反之亦然。
[0013]总之，以下实施例在本发明的范围内作为特别优选的被提出:
实施例1:一种形成熔凝石英玻璃的方法，该方法包括以下步骤:(a)提供由熔凝石英玻璃制成的起始主体，该起始主体具有内部腔体；(b)将起始主体定位在底板上；(C)将第一插入装置插入起始主体的内部腔体中以形成组装结构；以及(d)将组装结构加热到预定温度，在该预定温度下恪凝石英玻璃具有在15到10 13泊范围内的粘度；以及(e)在预定温度下或在15到10 13泊的粘度范围内围绕第一插入装置使起始主体的熔凝石英玻璃变形，以改变起始主体的形状。
[0014]实施例2:根据前述实施例所述的方法，其特征在于熔凝石英玻璃是纯石英玻璃。
[0015]实施例3:根据两个前述实施例中任一个所述的方法，其特征在于熔凝石英玻璃是复合石英玻璃。
[0016]实施例4:根据三个前述实施例中任一个所述的方法，其特征在于预定温度是在1200°C到1700°C范围内的温度。
[0017]实施例5:—种用于制作熔凝石英玻璃容器的方法，该方法包括以下步骤:(a)提供由熔凝石英玻璃制成的起始主体，该起始主体具有内部腔体；(b)将起始主体定位在底板上；(C)在第一成型阶段中，(i)将第一插入装置插入起始主体的内部腔体中以形成第一组装结构，(ii)将第一组装结构加热到预定温度，在该预定温度下起始主体的熔凝石英玻璃具有在15到10 13泊范围内的粘度，以及(iii)在预定温度下或在10 5到10 13泊的粘度范围内围绕第一插入装置使起始主体的熔凝石英玻璃变形，以形成由熔凝石英玻璃制成的中间主体；以及(d)在第二成型阶段中，(i)移除第一插入装置并且将第二插入装置插入中间主体的内部腔体中以形成第二组装结构，第二插入装置具有的总体尺寸与第一插入装置的总体尺寸不同，以及(ii)将第二组装结构加热到预定温度，同时通过挤压板挤压中间主体的外部表面，以引起中间主体围绕第二插入装置的变形，从而形成熔