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WO2002008129A1 - Verfahren zum verglasen von porösen sootkörpern - Google Patents

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WO2002008129A1
WO2002008129A1 PCT/EP2001/008436 EP0108436W WO0208129A1 WO 2002008129 A1 WO2002008129 A1 WO 2002008129A1 EP 0108436 W EP0108436 W EP 0108436W WO 0208129 A1 WO0208129 A1 WO 0208129A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
soot body
soot
heating zone
glazing
porous
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2001/008436
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhart Vilsmeier
Horst Heidsieck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Shin Etsu Quartz Products Co Ltd
Original Assignee
Heraeus Tenevo GmbH
Shin Etsu Quartz Products Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10041467A external-priority patent/DE10041467C1/de
Application filed by Heraeus Tenevo GmbH, Shin Etsu Quartz Products Co Ltd filed Critical Heraeus Tenevo GmbH
Priority to JP2002513830A priority Critical patent/JP2004525842A/ja
Priority to KR10-2003-7001032A priority patent/KR20030051601A/ko
Publication of WO2002008129A1 publication Critical patent/WO2002008129A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B37/00Manufacture or treatment of flakes, fibres, or filaments from softened glass, minerals, or slags
    • C03B37/01Manufacture of glass fibres or filaments
    • C03B37/012Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments
    • C03B37/014Manufacture of preforms for drawing fibres or filaments made entirely or partially by chemical means, e.g. vapour phase deposition of bulk porous glass either by outside vapour deposition [OVD], or by outside vapour phase oxidation [OVPO] or by vapour axial deposition [VAD]
    • C03B37/01446Thermal after-treatment of preforms, e.g. dehydrating, consolidating, sintering
    • C03B37/0146Furnaces therefor, e.g. muffle tubes, furnace linings
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
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    • C03B19/14Other methods of shaping glass by gas- or vapour- phase reaction processes
    • C03B19/1453Thermal after-treatment of the shaped article, e.g. dehydrating, consolidating, sintering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C03B19/14Other methods of shaping glass by gas- or vapour- phase reaction processes
    • C03B19/1469Means for changing or stabilising the shape or form of the shaped article or deposit
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    • C03B37/01486Means for supporting, rotating or translating the preforms being formed, e.g. lathes
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    • C03BMANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B2205/00Fibre drawing or extruding details
    • C03B2205/47Shaping the preform draw bulb before or during drawing

Definitions

  • the invention relates to a method for vitrifying a porous soot body made of silicon dioxide, with a soot body which is held in a vertical orientation by means of a holding device and is continuously fed to a heating zone, the soot body being surrounded by a mold at least from the entry into the heating zone.
  • the holder consists of a bracket formed from platinum wires, on which the hollow cylindrical soot body is suspended.
  • the hollow cylinder wall has two horizontally extending through holes in its upper region, through which the platinum wires are guided.
  • the soot body is continuously fed to a vertically oriented sintering furnace. The soot body softens in a softening zone.
  • the softening zone begins at the lower end of the soot body. With the Lowering the soot body into the sintering furnace continuously moves the softening zone in the soot body upwards. The weight of the already sintered part of the soot body hanging from the softening zone increases continuously. Due to the low viscosity in the softening zone, the soot body lengthens when it is lowered under its own weight. The method is therefore particularly unsuitable for sintering large-volume and heavy soot bodies and it leads to relatively imprecise quartz glass bodies in terms of their dimensions, which have to be reworked, for example, by grinding.
  • volume contraction of the soot body is determined on the basis of its sintering activity, but this does not lead to sufficiently exact dimensions or deformations (so-called banana shape). It is therefore also necessary with this method to rework the glazed quartz glass body by grinding.
  • a method in which a rod-shaped soot body made of silicon dioxide is glazed within a mold is known from DE 3521 119 A1.
  • the shape itself is also made of quartz glass and forms the cladding glass of a preform for optical fibers.
  • the cladding glass shrinks inextricably onto the glazing soot body.
  • This procedure is solely aimed at producing an optical fiber preform.
  • the permanent connection between the cladding glass and the soot body to be glazed inside is useful for this application.
  • a general shaping glazing of soot bodies made of silicon dioxide by means of quartz glass molds is disadvantageous, since after the glazing the outer area of the obtained
  • Quartz glass body which corresponds to the original shape, for example, would have to be removed again by complex grinding. Furthermore, it cannot be ruled out that in the cross section of the quartz glass body obtained at the transition area between the original soot body and the quartz glass shape, undesirable jumps in the glass properties can be recorded.
  • this object is achieved according to the invention in that the soot body within the
  • Heating zone is heated to a temperature at which it softens to the extent that it takes on the lateral dimensions of the mold to form a glazed soot body, and that the glazed soot body is detached from the mold.
  • the soot body to be sintered is essentially dimensionally stable at room temperature. This means that it can be set up or hung up vertically without plastically deforming under its own weight.
  • the silicon dioxide soot softens in the heating zone. Its viscosity decreases, so that the soot body deforms under the forces acting on the softening zone. In addition to gravity, it also works Deformation forces due to a volume contraction on the soot body.
  • the soot body has a density of only approx. 30% of the solid quartz glass. Since the sintering or vitrification takes place continuously, the softening zone moves from one end of the soot body to the opposite end.
  • the soot body is continuously introduced into the heating zone of a sintering or glazing furnace and is thereby heated to a temperature at which the soot body softens to such an extent that it flows out into a shape surrounding it or fills the hollow dimensions of a shape surrounding it.
  • the shape itself can either be carried with the soot body before the soot body is immersed in the heating zone or it is located within the sintering furnace and only takes up the soot body there.
  • the shape is such that the softening soot body or the glazed quartz glass body does not adhere to it and can therefore be removed from it without destroying it.
  • the shape can expediently consist of several parts that can be assembled.
  • the method according to the invention enables soot bodies to be vitrified continuously with relatively precise predetermination of the final dimensions of the quartz glass body to be obtained. Distortion or deformation of the glazing soot body, as can be observed in the method according to the prior art, are excluded with the method according to the invention.
  • the method according to the invention has proven particularly useful when a holding device acts at least on the upper end of the soot body to be glazed, a cylindrical graphite rod which is guided through the longitudinal bore of the hollow cylindrical soot body being advantageous as the holding device, and which helps stabilize the soot body.
  • the holding device can also support the soot body at the base.
  • the holding device is moved in the vertical direction with a controllable or controllable movement speed by means of a movement unit such that the soot body is fed to the heating zone in accordance with its length contraction.
  • the holding device is connected to a movement unit.
  • the vertical movement of the holding device with the soot body can be controlled or regulated in accordance with the contraction in length of the soot body during the glazing. This means that the feed rate into the heating zone can be varied and adapted to the volume and length contraction.
  • the porous soot body is expediently produced by the flame hydrolysis process.
  • the Si0 2 particles resulting from flame hydrolysis are collected on a support and form the porous soot body. If the carrier is, for example, a cylindrical rod which is removed again after the separation, a hollow cylindrical soot body is obtained.
  • a hollow cylindrical soot body has the advantage that, as long as the cavity is deliberately maintained during glazing, a quartz glass rod can be inserted into the cavity if necessary, which forms the core for a preform from which optical fibers can be drawn.
  • the Si0 2 -Mate ⁇ ' al from such a core rod and from the jacket surrounding the core rod can differ in terms of dopants.
  • the temperature for the glazing is preferably carried out in two steps with a pre-sintering at approximately 1300 to 1350 ° C. and a final glazing at approximately 1700 to 1750 ° C.
  • a material that is stable up to 1800 ° C. is expedient. Ceramic materials are suitable for such applications. Graphite or silicon carbide has proven particularly useful.
  • the molding material can be gas-permeable in order to enable or improve the application of gas or also the removal of gas during or before the glazing. Different grades of graphite can be used, carbon-fiber-reinforced graphite (CFC) being particularly suitable.
  • CFC carbon-fiber-reinforced graphite
  • refractory metals preferably molybdenum or platinum, are also suitable.
  • a halogen-containing gas is applied to expel water from the soot.
  • Chlorine gas has proven itself as a halogen-containing gas.
  • This treatment step is also called chlorination.
  • the chlorination can take place as a separate process step before the soot body is vitrified, or if the soot body is already in the glazing furnace (inside or outside the mold), but before the soot sinters, i.e. in a temperature range between 800 ° C and about 1200 ° C.
  • soot body is glazed under a vacuum or protective gas atmosphere, since this prevents or largely reduces oxidation of the graphite or molybdenum mold material, and also ensures high quality in terms of purity for the soot body to be glazed.
  • a vacuum or protective gas atmosphere Argon, Helium or nitrogen proven.
  • a helium atmosphere is particularly preferred because of the relatively good heat transfer.
  • FIGS. 1 and 2 show a schematic illustration of simple glazing devices for the method according to the invention.
  • the device according to FIG. 1 has an oven 1 with a vertical, cylindrical protective tube, which is surrounded on the outside by heating elements 2.
  • the heating elements 2 generate a heating zone 2a in the furnace (indicated schematically in FIGS. 1 and 2 by horizontal, dashed boundary lines within the furnace protection tube).
  • the hollow cylindrical soot body 3 to be glazed is now - after chlorination (chlorine gas flow 36 l / h) at 1000 ° C. - in the graphite mold 4, with a holding rod 5 being inserted into the longitudinal bore of the soot body 3 to stabilize the soot body 3.
  • the holding rod 5 engages with a plate 6 at the upper end of the soot body 3 and is additionally supported on the bottom of the graphite mold 4.
  • the graphite mold 4 is slowly fed into the furnace 1 from above by means of a movement unit 7, so that the lower part of the soot body 3 first reaches the heating zone 2a and is glazed there. To ensure complete glazing, the temperature in the hottest area of heating zone 2a is set to approximately 1700 ° C. A vacuum of 0.1 mbar prevails in the furnace 1. When the graphite mold 4 is lowered further with the soot body 3, the glazed area of the soot body 3 moves further upwards until a completely glazed quartz glass body has formed. Escaping residual gases can be discharged upwards through the porous part of the soot body 3.
  • the slowly glazing soot body 3 assumes the hollow dimensions of the shape 4 surrounding it.
  • Typical dimensions of the soot body 3 before glazing are in the range from 400 to 450 mm for the outer diameter and with a length of 2.5 to 3.0 meters.
  • the diameter of the longitudinal bore or the holding rod 5 is approximately 50 to 80 mm.
  • an average feed speed of the movement unit 7 of approximately 3 mm / min (downwards)
  • a glazed quartz glass hollow cylinder with an outer diameter of 150 to 200 mm (diameter of the bore approximately 50 to 80 mm) and a length of 2 meters can be obtained.
  • FIG. 2 shows a device for the method according to the invention, which comprises integrated chlorination and allows the end dimensions of the glazed quartz glass body to differ more than the geometry of the soot body 3.
  • the soot body 3 to be glazed is located in an upper part of a gas-permeable graphite mold 4a, which is initially let into an upper but colder area of an oven 1 as explained with FIG. 1 and is charged with chlorine gas.
  • the temperature during the chlorination is about 950 ° C at 10 vol% Cl 2 in helium (Cl 2 / He).
  • the gas is fed into the furnace 1 from below.
  • the gas flows through the soot body 3 and is led outwards again through the graphite form 4a which is gas-permeable at least in the upper region.
  • the soot body 3, together with the mold 4a is slowly lowered further into higher temperature ranges, so that a pre-sintering phase at
  • the graphite mold 4a is removed from the quartz glass body. It is not necessary to rework the quartz glass body.

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Abstract

Bei einem bekannten Verfahren zum Verglasen eines porösen Sootkörpers aus Siliziumdioxid wird der Sootkörper mittels einer Haltevorrichtung in vertikaler Ausrichtung gehalten und kontinuierlich einer Erhitzungszone zugeführt. Um hiervon ausgehend, wobei der Sootkörper zumindest ab Eintritt in die Erhitzungszone von einer Form umgeben ist. Um hiervon ausgehend ein für das Verglasen grossvolumiger, poröser Sootkörper aus Siliziumdioxid geeignetes, kostengünstiges Verfahren anzugeben, bei dem die Nachbearbeitungsschritte zur Optimierung der äusseren Abmessungen des erhaltenen Quarzglaskörpers minimiert werden können, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass der Sootkörper (3) innerhalb der Erhitzungszone (2a) auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der er soweit erweicht, dass er unter Bildung eines verglasten Sootkörpers (3) die lateralen Abmessungen der Form (4; 4a) annimmt, und dass der verglaste Sootkörper (3) von der Form (4; 4a) gelöst wird.

Description

Verfahren zum Verglasen von porösen Sootkörpern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verglasen eines porösen Sootkörpers aus Siliziumdioxid, mit einem Sootkörper, der mittels einer Haltevorrichtung in vertikaler Ausrichtung gehalten und kontinuierlich einer Erhitzungszone zugeführt wird, wobei der Sootkörper zumindest ab dem Eintritt in die Erhitzungszone von einer Form umgeben ist.
Die Herstellung von Vorformen für optische Fasern und die von Vorformen für Ofenbauteile für die Halbleitertechnik erfolgt häufig über ein Zwischenprodukt, einem porösen Sootkörper aus Siliziumdioxid. Diese sogenannten „Sootkörper" sind mechanisch instabil und daher insbesondere bei großen Volumen und hohem Gewicht nur schwer handhabbar. Für die Einsatzzwecke in der optischen Nachrichtentechnik und in der Halbleitertechnik werden höchste Anforderungen an die Reinheit der Sootkörper gestellt, so dass deren
Handhabung bei den weiteren Verarbeitungsschritten, beispielsweise einer Temperatur- oder einer Gasbehandlung, besondere Aufmerksamkeit zu widmen ist.
Bei der Behandlung derartiger Sootkörper in einem Behandlungsraum, wie beispielsweise in einem Sinterofen, ergibt sich unter anderem das Problem der Halterung der mechanisch nur wenig belastbaren Sootkörper. Bei dem aus der US-PS 4,251 ,251 bekannten Verfahren besteht die Halterung aus einem aus Platindrähten geformten Bügel, an dem der hohlzylindrische Sootkörper aufgehängt wird. Zur Befestigung der Platindrähte am Sootkörper weist die Hohlzylinderwandung in ihrem oberen Bereich zwei waagrecht verlaufende Durchgangsbohrungen auf, durch die hindurch die Platindrähte geführt sind. Zum Sintern wird der Sootkörper kontinuierlich einem vertikal orientierten Sinterofen zugeführt. Dabei erweicht der Sootkörper in einer Erweichungszone. Die Erweichungszone beginnt am unteren Ende des Sootkörpers. Mit dem Absenken des Sootkörpers in den Sinterofen wandert die Erweichungszone im Sootkörper kontinuierlich nach oben. Dabei nimmt das an der Erweichungszone hängende Gewicht des bereits gesinterten Teils des Sootkörpers kontinuierlich zu. Aufgrund der geringen Viskosität in der Erweichungszone verlängert sich der Sootkörper daher beim Absenken unter seinem eigenen Gewicht. Das Verfahren ist daher insbesondere zum Sintern großvolumiger und schwerer Sootkörper nicht geeignet und es führt zu in ihren Abmessungen relativ ungenauen Quarzglaskörpern, die beispielsweise durch Überschleifen nachbearbeitet werden müssen.
Ein anderes Verfahren zum Sintern bzw. Verglasen eines hohlzylindrischen Si02 Sootkörpers ist aus DE-A 44 32 806 bekannt, wobei der Hohlzylinder mittels einer Haltevorrichtung in vertikaler Ausrichtung gehalten und kontinuierlich einem Sinterofen zugeführt wird. Der Sootkörper sintert je nach Sinterabschnitt auf einem Haltefuß stehend oder an einer Tragestange hängend, wobei ein Hüllrohr in die Bohrung des Hohlzylinders eingeführt ist, dessen Außendurchmesser den Innendurchmesser des erhaltenen Quarzglasrohres bestimmt. Das Hüllrohr hat demnach eine gewisse formgebende Funktion für den zu verglasenden Sootkörper. Der Außendurchmesser des erhaltenen Quarzglaskörpers wird aber von der
Volumenkontraktion des Sootkörpers aufgrund seiner Sinteraktivität bestimmt, was allerdings nicht zu ausreichend exakten Abmessungen bzw. zu Verformungen (sogenannte Bananenform) führt. Es ist deshalb auch bei diesem Verfahren eine nachträgliche Überarbeitung des verglasten Quarzglaskörpers durch Überschleifen notwendig.
Ein Verfahren, bei dem ein stabförmiger Sootkörper aus Siliziumdioxid innerhalb einer Form verglast wird, ist aus DE 3521 119 A1 bekannt. Hierbei besteht die Form selbst auch aus Quarzglas und bildet das Mantelglas einer Vorform für optische Fasern. Während des Durchgangs durch eine Heizzone schrumpft das Mantelglas unlösbar auf den verglasenden Sootkörper auf. Dieses Verfahren ist allein auf die Herstellung einer Vorform für optische Fasern gerichtet. Die unlösbare Verbindung des Mantelglases mit dem zu verglasenden Sootkörper im Innern ist für diese Anwendung sinnvoll. Eine allgemeine formgebende Verglasung von Sootkörpern aus Siliziumdioxid mittels Quarzglasformen ist aber nachteilig, da nach dem Verglasen der äußere Bereich des erhaltenen
Quarzglaskörpers, der der ursprünglichen Form entspricht, beispielsweise durch aufwendiges Abschleifen wieder entfernt werden müsste. Ferner ist nicht auszuschließen, dass im Querschnitt des erhaltenen Quarzglaskörpers am Übergangsbereich zwischen dem ursprünglichen Sootkörper und der Quarzglasform unerwünschte Sprünge in den Glaseigenschaften zu verzeichnen sind.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein für das Verglasen großvolumiger, poröser Sootkörper aus Siliziumdioxid geeignetes, kostengünstiges Verfahren anzugeben, bei dem die Nachbearbeitungsschritte zur Optimierung der äußeren Abmessungen des erhaltenen Quarzglaskörpers minimiert werden können.
Diese Aufgabe wird ausgehend von den eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Sootkörper innerhalb der
Erhitzungszone auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der er soweit erweicht, dass er unter Bildung eines verglasten Sootkörpers die lateralen Abmessungen der Form annimmt, und dass der verglaste Sootkörper von der Form gelöst wird.
Bei Raumtemperatur ist der zu sinternde Sootkörper im wesentlichen formstabil. Das heißt, er kann vertikal aufgestellt oder aufgehängt werden, ohne dass er sich unter seinem eigenen Gewicht plastisch verformt. Bei Temperaturerhöhung erweicht der Siliziumdioxid-Soot in der Erhitzungszone. Seine Viskosität nimmt ab, so dass sich der Sootkörper unter den auf die Erweichungszone einwirkenden Kräften verformt. Neben der Schwerkraft wirken dabei auch Verformungskräfte infolge einer Volumenkontraktion auf den Sootkörper ein. Der Sootkörper weist eine Dichte von nur ca. 30 % des festen Quarzglases auf. Da das Sintern oder Verglasen kontinuierlich erfolgt, wandert die Erweichungszone von einem Ende des Sootkörpers zu dem gegenüberliegenden Ende.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Sootkörper in die Erhitzungszone eines Sinter- oder Verglasungsofens kontinuierlich eingebracht und dabei auf eine Temperatur aufgeheizt, bei der der Sootkörper soweit erweicht, dass er in eine ihn umgebende Form ausfließt bzw. die Hohlmaße einer ihn umgebenden Form ausfüllt. Die Form selbst kann dabei entweder bereits vor dem Eintauchen des Sootkörpers in die Erhitzungszone mit dem Sootkörper mitgeführt werden oder sie befindet sich innerhalb des Sinterofens und nimmt den Sootkörper erst dort auf. Die Form ist so beschaffen, dass der erweichende Sootkörper oder der verglaste Quarzglaskörper nicht an ihr haftet und somit zerstörungsfrei von ihr lösbar ist. Die Form kann dafür zweckmäßigerweise aus mehreren zusammensetzbaren Teilen bestehen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein kontinuierliches Verglasen von Sootkörpern mit relativ präziser Vorbestimmung der Endabmessungen des zu erhaltenden Quarzglaskörpers. Verzug oder Verformungen des verglasenden Sootkörpers, wie sie bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik zu beobachten sind, werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeschlossen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 aufgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich besonders bewährt, wenn zumindest am oberen Ende des zu verglasenden Sootkörpers eine Haltevorrichtung angreift, wobei als Haltevorrichtung ein zylindrischer Graphitstab vorteilhaft ist, der durch die Längsbohrung des hohlzylindrischen Sootkörpers geführt ist, und der zur Stabilisierung des Sootkörpers beiträgt. Die Haltevorrichtung kann zusätzlich den Sootkörper auch an der Basis stützen.
Zur exakten Steuerung der Verglasung und der Kontrolle der damit einhergehenden Geometrieänderungen des Quarzglaskörpers, wird die Haltevorrichtung in vertikaler Richtung mit regelbarer oder steuerbarer Bewegungsgeschwindigkeit mittels einer Bewegungseinheit derart bewegt, dass der Sootkörper entsprechend seiner Längenkontraktion der Erhitzungszone zugeführt wird. Die Haltevorrichtung ist mit einer Bewegungseinheit verbunden. Die vertikale Bewegung der Haltevorrichtung mit dem Sootkörper ist entsprechend der Längenkontraktion des Sootkörpers während der Verglasung steuerbar oder regelbar. Das heißt die Zuführungsgeschwindgkeit in die Erhitzungszone kann variiert und an die Volumen- und Längenkontraktion angepasst werden.
Der poröse Sootkörper wird zweckmäßig nach dem Flammhydrolyseverfahren hergestellt. Die bei der Flammhydrolyse anfallenden Si02 Partikel werden auf einem Träger aufgefangen und bilden den porösen Sootkörper. Ist der Träger beispielsweise eine zylindrische Stange, die nach dem Abscheiden wieder entfernt wird, so erhält man einen hohlzylindrischen Sootkörper.
Ein hohlzylindrischer Sootkörper bietet den Vorteil, dass, soweit der Hohlraum beim Verglasen bewußt beibehalten wird, in den Hohlraum bei Bedarf ein Quarzglasstab eingesetzt werden kann, der den Kern für eine Vorform bildet, aus der optische Fasern gezogen werden können. Das Si02-Mateπ'al von einem derartigen Kernstab und vom dem den Kemstab umgebenden Mantel kann sich in Bezug auf Dotierstoffe unterscheiden.
Um aus dem porösen Sootkörper einen dichten, blasen- und schlierenfreien Quarzglaskörper zu erhalten, ist es zweckmäßig die Temperatur für die Verglasung auf einen Wert im Bereich zwischen 1300°C und 1750°C einzustellen. Dabei erfolgt die Verglasung vorzugsweise in zwei Schritten mit einer Vorsinterung bei etwa 1300 bis 1350°C und einer endgültigen Verglasung bei etwa 1700 bis 1750°C.
Hinsichtlich des Formmaterials für das erfindungsgemäße Verfahren ist ein bis 1800°C stabiles Material zweckmäßig. Keramische Werkstoffe sind für derartige Anwendungen geeignet. Graphit oder Siliziumkarbid hat sich besonders bewährt. Das Formmaterial kann gasdurchlässig sein, um eine Gasbeaufschlagung oder auch eine Gasabführung während oder vor der Verglasung zu ermöglichen oder zu verbessern. Es können verschiedene Graphitqualitäten eingesetzt werden, wobei besonders kohlenstofffaserverstärkter Graphit (CFC) geeignet ist. Neben den keramischen Formmaterialien sind auch hochschmelzende Metalle, vorzugsweise Molybdän oder Platin geeignet.
Vor dem Einstellen der Temperatur zum Verglasen des Sootkörpers wird dieser jedoch zum Austreiben von Wasser aus dem Soot mit einem halogenhaltigen Gas beaufschlagt. Als halogenhaltiges Gas hat sich Chlorgas bewährt. Dieser Behandlungsschritt wird auch als Chlorierung bezeichnet. Die Chlorierung kann als getrennter Verfahrensschritt vor dem Verglasen des Sootkörpers erfolgen, oder aber wenn sich der Sootkörper (innerhalb oder noch außerhalb der Form) bereits im Verglasungsofen befindet, bevor jedoch die Versinterung des Soots einsetzt, das heißt in einem Temperaturbereich zwischen 800°C und etwa 1200°C.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Verglasung des Sootkörpers unter Vakuum oder Schutzgasatmosphäre erfolgt, da hierdurch sowohl eine Oxidation des Formenmaterials Graphit oder auch Molybdän vermieden oder weitgehend reduziert, als auch eine hohe Qualität hinsichtlich Reinheit für den zu verglasenden Sootkörper gewährleistet wird . Als Schutzgase haben sich Argon, Helium oder Stickstoff bewährt. Besonders bevorzugt wird wegen relativ guter Wärmeübertragung eine Helium-Atmosphäre.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend erläutert. In der Zeichnung zeigen die Figuren 1 und 2 in schematischer Darstellung einfache Verglasungsvorrichtungen für das erfindungsgemäße Verfahren.
Die Vorrichtung gemäß Figur 1 weist einen Ofen 1 mit einem vertikalen, zylindrischen Schutzrohr auf, das außen von Heizelementen 2 umfaßt wird. Die Heizelemente 2 erzeugen im Ofen eine Erhitzungszone 2a (in Fig. 1 und 2 schematisch angedeutet durch horizontale, gestrichelte Begrenzungslinien innerhalb des Ofen-Schutzrohres). Der zu verglasende, hohlzylindrische Sootkörper 3 befindet sich - nach einer Chlorierung (Chlorgasstrom 36 l/h) bei 1000°C - nun in die Graphitform 4, wobei zur Stabilisierung des Sootkörpers 3 ein Haltestab 5 in die Längsbohrung des Sootkörpers 3 eingeführt ist. Der Haltestab 5 greift mit einem Teller 6 am oberen Ende des Sootkörpers 3 an und stützt sich zusätzlich auf dem Boden der Graphitform 4 ab. Die Graphitform 4 wird mittels einer Bewegungseinheit 7 langsam von oben in den Ofen 1 zugeführt, so dass zuerst der untere Teil des Sootkörpers 3 die Heizzone 2a erreicht und dort verglast. Um eine vollständige Verglasung zu gewährleisten, ist die Temperatur im heißesten Bereich der Heizzone 2a auf etwa 1700°C eingestellt. Im Ofen 1 herrscht ein Vakuum von 0,1mbar. Bei weiteren Absenken der Graphitform 4 mit dem Sootkörper 3 wandert der verglaste Bereich des Sootkörpers 3 weiter nach oben bis ein vollständig verglaster Quarzglaskörper entstanden ist. Austretende Restgase können nach oben durch den porösen Teil des Sootkörpers 3 abgeführt werden. Durch geeignete Auswahl der Formgeometrie und der Absenkgeschwindigkeit nimmt der langsam verglasende Sootkörper 3 die Hohlmaße der ihn umgebenden Form 4 an. Typische Abmessungen des Sootkörpers 3 vor dem Verglasen liegen im Bereich von 400 bis 450 mm für den Außendurchmesser und bei einer Länge von 2,5 bis 3,0 Metern. Der Durchmesser der Längsbohrung bzw. des Haltestabes 5 beträgt etwa 50 bis 80 mm. Bei einer mittleren Vorschubgeschwindigkeit der Bewegungseinheit 7 von etwa 3 mm/min (abwärts) kann ein verglaster Quarzglas-Hohlzylinder mit einem Aussendurchmesser von 150 bis 200 mm (Durchmesser der Bohrung etwa 50 bis 80 mm) und einer Länge von 2 Metern erhalten werden. Grundsätzlich ist es auch möglich die Heizelemente 2 anstelle des Sootkörpers 3 zu bewegen, und zwar müssen in diesem Fall die Heizelemente 2 von unten nach oben bewegt werden.
Nach dem langsamen Abkühlen des Quarzglaskörpers in der Graphitform 4, kann dieser zerstörungsfrei von der Graphitform 4 gelöst werden. Eine Nachbearbeitung auf gewünschte Endabmessungen kann in der Regel entfallen.
In Figur 2 ist eine Vorrichtung für das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt, das eine integrierte Chlorierung umfaßt und gegenüber der Geometrie des Sootkörpers 3 stärker abweichende Endabmessungen des verglasten Quarzglaskörpers erlaubt. Der zu verglasende Sootkörper 3 befindet sich gemäß Figur 2 in einem oberen Teil einer gasdurchlässigen Graphitform 4a, die zunächst in einen oberen, aber kälteren Bereich eines wie mit Figur 1 erläuterten Ofens 1 eingelassen und mit Chlorgas beaufschlagt wird. Die Temperatur während der Chlorierung beträgt etwa 950°C bei 10 Vol% Cl2 in Helium (Cl2/He). Die Gaszufuhr in den Ofen 1 erfolgt von unten. Das Gas durchströmt den Sootkörper 3 und wird durch die zumindest im oberen Bereich gasdurchlässige Graphitform 4a wieder nach außen geführt. Nach diesem Prozeßschritt wird der Sootkörper 3 zusammen mit der Form 4a langsam weiter in höhere Temperaturbereiche abgesenkt, so dass eine Vorsinterphase bei
1350°C in Helium Atmosphäre erfolgt. Diese Bedingungen werden für etwa 12 h konstant gehalten. Während des Sinterns ist bereits eine Volumenkontraktion des Sootkörpers 3 zu beobachten. Die endgültige Verglasung erfolgt bei 1750°C, wobei die Graphitform 4a mit dem vorgesinterten Sootkörper 3 noch ein Stück in Richtung der höheren Temperatur bewegt wird. Bei einer Verweilzeit von 8 Stunden in dieser Position erweicht der vorgesinterte Sootkörper 3 soweit, dass er durch einen trichterförmigen Übergang 4b der Form 4a vom oberen, weiten Bereich der Graphitform 4a in einen unteren Teil der Form mit wesentlich kleinerem Durchmesser „fließt". Das zähe Fließen kann durch Herunterdrücken des Tellers 6 des Haltestabes 5 oder eine andere geeignete Auflage unterstützt werden. Nach dem Erkalten des
Quarzglaskörpers wird die Graphitform 4a entfernt. Eine Nachbearbeitung des Quarzglaskörpers ist nicht erforderlich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verglasen eines porösen Sootkörpers aus Siliziumdioxid, bei dem der Sootkörper mittels einer Haltevorrichtung in vertikaler Ausrichtung gehalten und kontinuierlich einer Erhitzungszone zugeführt wird, wobei der
Sootkörper zumindest ab Eintritt in die Erhitzungszone von einer Form umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sootkörper (3) innerhalb der Erhitzungszone (2a) auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der er soweit erweicht, dass er unter Bildung eines verglasten Sootkörpers (3) die lateralen Abmessungen der Form (4; 4a) annimmt, und dass der verglaste
Sootkörper (3) von der Form (4; 4a) gelöst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sootkörper während der Verglasung eine Längenkontraktion erfährt, und dass die Haltevorrichtung (5) in vertikaler Richtung mit regelbarer oder steuerbarer Bewegungsgeschwindigkeit mittels einer Bewegungseinheit (7) derart bewegt wird, dass der Sootkörper (3) entsprechend seiner Längenkontraktion der Erhitzungszone (2a) zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Sootkörper (3) ein nach dem Flammhydrolyseverfahren hergestellter Sootkörper (3) ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche Ibis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als poröser Sootkörper (3) ein Hohlzylinder eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Verglasung des Sootkörpers (3) erforderliche Temperatur auf einen Wert im Bereich von 1300°C bis 1750X eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die den Sootkörper (3) umgebende Form (4; 4a) aus einem bis 1800°C stabilem Material besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die den Sootkörper (3) umgebende Form (4; 4a) aus einem keramischen Material, vorzugsweise aus Graphit oder aus Siliziumkarbid, oder aus einem hochschmelzenden Metall, vorzugsweise aus Molybdän oder Platin, besteht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einstellen der Temperatur zum Verglasen der Sootkörper (3) mit einem halogenhaltigen Gas beaufschlagt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass das Verglasen des Sootkörpers (3) unter Vakuum oder unter einer Schutzgasatmosphäre erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verglasen des Sootkörpers (3) unter einer Argon- und/oder Helium- und/oder Stickstoff-Schutzgasatmosphäre erfolgt.
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