DE102009055631B3

DE102009055631B3 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Schicht aus transparentem Quarzglas

Info

Publication number: DE102009055631B3
Application number: DE102009055631A
Authority: DE
Inventors: Walter Lemann; Thomas Kayser
Original assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-01-27
Anticipated expiration: 2029-11-26
Also published as: US8387413B2; US20110120189A1; SG171559A1

Abstract

Bei einem bekannten Verfahren für die Herstellung eines Bauteils mit einer Schicht aus transparentem Quarzglas werden Partikel aus synthetisch hergestelltem Quarzglas auf einen Basiskörper aufgebracht und zu der Quarzglasschicht gesintert. Um hiervon ausgehend eine vergleichsweise kostengünstige und reproduzierbarere Herstellung eines Bauteils mit mindestens einer Schicht aus transparentem Quarzglas zu ermöglichen, die sich durch möglichst hohe Reinheit und Blasenfreiheit auszeichnet, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass mindestens ein Teil der SiO-Partikel in Form zylinderförmiger Fragmente aus Quarzglasfasern mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 3 mm und mit einer mittleren Länge im Bereich von 0,5 bis 20 mm vorliegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung eines Bauteils mit einer Schicht aus transparentem Quarzglas, indem Partikel aus synthetisch hergestelltem Quarzglas auf einen Basiskörper aufgebracht und zu der Quarzglasschicht gesintert werden.
Insbesondere betrifft die Erfindung die Herstellung eines Quarzglastiegels mit transparenter Innenschicht aus synthetisch erzeugtem Quarzglas.
Bauteile aus Quarzglas werden in Form von Rohren, Stäben, Platten oder Blöcken als Halbzeug oder als Fertigteile im Bereich wärmetechnischer Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf gute Wärmeisolierung bei gleichzeitig hoher Temperaturstabilität und Temperaturwechselbeständigkeit ankommt. Als Beispiel seien Reaktoren, Diffusionsrohre, Hitzeschilde, Glocken, Tiegel, Düsen, Schutzrohre, Gießrinnen oder Flansche genannt.
An Bauteile aus Quarzglas für den Einsatz in Partikel- und verunreinigungssensitiven Anwendungen, wie etwa für Anwendungen in der Halbleiterindustrie, werden besonders hohe Anforderungen an die Reinheit gestellt. Diese sind daher häufig mit einer dichten, transparenten Quarzglasschicht versehen, die einen Austritt von Verunreinigungen aus dem Inneren des Quarzglasbauteils verhindern soll. Für diese Funktion spielt die Blasenfreiheit der transparenten Quarzglasschicht eine wichtige Rolle. Denn auch anfänglich geschlossene Blasen können sich beim bestimmungsgemäßen Einsatz des Quarzglasbauteils öffnen, beispielsweise durch Abtragen der die Blasen abdeckenden Materialschicht oder durch Aufblähen und Aufplatzen der Blasen beim Erhitzen des Bauteils, was zum Austritt von Verunreinigungen oder Partikeln führt und in der Regel die Standzeit des Quarzglasbauteils beendet.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Quarzglastiegel, wie sie zur Aufnahme der Metallschmelze beim Ziehen von Einkristallen nach dem sogenannten Czochralski-Verfahren eingesetzt werden. Deren Herstellung erfolgt üblicherweise dadurch, dass an der Innenwandung einer Schmelzform eine Schicht aus SiO₂-Körnung erzeugt und diese unter Einsatz eines Lichtbogens (Plasma) erhitzt und dabei zu dem Quarzglastiegel gesintert wird. Die Wandung eines derartigen Quarzglastiegels wird in der Regel von einer opaken Außenschicht gebildet, die mit einer Innenschicht aus transparentem, möglichst blasenfreien Quarzglas versehen ist.
Die transparente Innenschicht steht beim Ziehprozess im Kontakt zur Siliziumschmelze und unterliegt hohen mechanischen, chemischen und thermischen Belastungen. In der Innenschicht verbliebene Blasen wachsen unter dem Einfluss von Temperatur und Druck und können schließlich zerplatzen, wodurch Bruchstücke und Verunreinigungen in die Siliziumschmelze gelangen, wodurch eine geringere Ausbeute an versetzungsfreiem Silizium-Einkristall erzielt wird.
Um den korrosiven Angriff der Siliziumschmelze zu verringern und damit einhergehend die Freisetzung von Verunreinigungen aus der Tiegelwandung zu minimieren, ist die Innenschicht daher möglichst homogen und blasenarm.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2008 030 310 B3 ist ein Verfahren der eingangs genannten Gattung bekannt. Hierbei wird zur Herstellung eines Quarzglastiegels eine Vakuum-Schmelzform eingesetzt. In dieser wird unter Einsatz einer Formschablone eine rotationssymmetrische, tiegelförmige Körnungsschicht aus mechanisch verfestigtem Quarzsand mit einer Schichtdicke von etwa 12 mm geformt, auf die anschließend eine Innenkörnungsschicht aus synthetisch hergestelltem Quarzglaspulver ebenfalls unter Einsatz einer Formschablone ausgeformt wird.
Das synthetische Quarzglaspulver hat Teilchengrößen im Bereich von 50 bis 120 μm, wobei die mittlere Teilchengröße bei etwa 85 μm liegt. Die mittlere Schichtdicke der Innenkörnungsschicht beträgt etwa 12 mm. Das Sintern der Körnungsschichten erfolgt von Innen nach Außen durch Erzeugen eines Lichtbogens im Innenraum der Schmelzform, so dass das feinteilige Quarzglaspulver zuerst sintert und eine dichte Glasschicht ausbildet.
Für die Herstellung eines derartigen synthetischen Quarzglaspulvers sind Sol-Gel- und Granulationsverfahren bekannt. So wird beispielsweise in der DE 102 43 953 A1 vorgeschlagen, feinteiliges synthetisches Quarzglaspulver durch Granulation einer Suspension aus pyrogen hergestelltem SiO₂-Pulver herzustellen, wie es als Filterstaub bei der Quarzglasherstellung anfällt. Dabei wird aus dem lockeren SiO₂-Sootstaub durch Einmischen in Wasser und Homogenisieren zunächst eine Suspension erzeugt, diese wird mittels eines Nassgranulierverfahrens zu SiO₂-Granulatkörnern verarbeitet, und diese werden nach dem Trocknen und Reinigen durch Erhitzen in chlorhaltiger Atmosphäre zu einer dichten Quarzglaskörnung mit einem mittleren Durchmesser von 140 μm gesintert.
Das bekannte Verfahren erfordert eine Vielzahl von Verfahrensschritten, die zum Teil einen hohen Energieaufwand erfordern, wie beispielsweise das Verglasen der SiO₂-Granulatkörner zu der gewünschten Quarzglaskörnung. Darüber hinaus kann es beim Homogenisieren und Granulieren der Suspension zu intensiven Kontakten mit Wandungen der Gerätschaften oder Mahlkörpern kommen, die zu einem Eintrag von Verunreinigungen führen und auch zu Bruchstücken mit uneinheitlicher und undefinierter Morphologie führen können. Das Verfahren ist daher kostenaufwändig und es kann zu wenig reproduzierbaren Ergebnissen kommen.
Technische Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das eine vergleichsweise kostengünstige und reproduzierbarere Herstellung eines Bauteils mit mindestens einer Schicht aus transparentem Quarzglas ermöglicht, die sich durch möglichst hohe Reinheit und Blasenfreiheit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird ausgehend von dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass mindestens ein Teil der SiO₂-Partikel in Form zylinderförmiger Fragmente aus Quarzglasfasern mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 3 mm und mit einer mittleren Länge im Bereich von 0,5 bis 20 mm vorliegt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden als Rohmaterial zur Herstellung der transparenten Schicht auf dem Basiskörper Fragmente aus Quarzglasfasern eingesetzt. Quarzglasfasern lassen sich relativ kostengünstig und mit hoher Reinheit erzeugen, und zwar in reproduzierbarer Größe und mit Durchmessern, die in der Größenordnung typischer Durchmesser von synthetisch erzeugter Quarzglaskörnung oder darüber liegen.
Ein im Vergleich zu synthetisch erzeugter SiO₂-Körnung größeres Volumen der Fragmente verbessert die Produktivität und Wirtschaftlichkeit der Schichterzeugung. Die Reinheit der Partikel spielt beim Sintern eine wichtige Rolle, wenn eine Kristallisation der Quarzglasschicht und eine Blasenbildung verhindert werden sollen.
Darüber hinaus hat sich überraschend gezeigt, dass ein Dichtsintern schichtförmig angesammelter Quarzglasfaser-Fragmente zu einem transparenten Quarzglas bereits bei relativ niedrigen Sintertemperaturen, die den Basiskörper möglichst wenig beeinträchtigen, gelingt. Dies wird darauf zurückgeführt, dass die faserförmigen Fragmente beim Sintern eine schnellere Ausbildung eines Quarzglas-Netzwerkes auf der zu sinternden Oberfläche bewirken, begünstigt von der durch die Faserstruktur vorgegebenen Topologie der Zwischenräume zwischen den Faserfragmenten. Auch das vergleichsweise große „vorverglaste Volumen” bei dennoch geringen – durch den Faserdurchmesser vorgegeben – seitlichen Abmessungen kann das Sintern oder Einschmelzen erleichtern.
Die mittlere Länge der Fragmente ist in jedem Fall größer als der Faserdurchmesser. Die Quarzglasfaser-Fragmente werden auf den Basiskörper in Form einer SiO₂-Partikelschicht aufgebracht und anschließend auf dem Basiskörper gesintert, oder die Quarzglasfaser-Fragmente werden beim Aufbringen auf den Basiskörper unmittelbar zu der transparenten Quarzglasschicht verglast.
Es werden transparente Quarzglasschichten erhalten, die sich bei zu einer Dicke von mehreren Millimetern durch ein reproduzierbar günstiges Blasenbild, also im Wesentlichen Blasenfreiheit, auszeichnen, und die mit hoher Produktivität herstellbar sind.
Bei Faserdurchmessern von mehr weniger als 0,1 mm ergibt sich hinsichtlich Produktivität und Sinterverhalten kein nennenswerter Vorteil gegenüber synthetischer Quarzglaskörnung, und bei Faserdurchmessern von mehr als 3 mm zeigt sich ein ungünstiges Einschmelz- und Sinterverhalten.
Vorzugsweise werden Quarzglasfaser-Fragmente mit einem mittleren Durchmesser von mehr als 1 mm eingesetzt.
Faserdurchmesser von weniger als 1 mm liegen in der Größenordnung der Durchmesser von typischer synthetischer Quarzglaskörnung. Bei größeren Durchmessern der Faserfragmente macht sich der Produktivitätsgewinn aufgrund des größeren, vorverglasten Volumens stärker bemerkbar.
Es hat sich bewährt, wenn Quarzglasfaser-Fragmente mit einer mittleren Länge von mehr als 1 mm eingesetzt werden.
Es hat sich gezeigt, dass die Länge in Bezug auf die Blasenfreiheit der herzustellenden Schicht weniger entscheidend ist als der mittlere Durchmesser. Faserlängen von mehr als 20 mm erschweren jedoch die Anordnung der Fasern in einer dichten Packung und werden daher nicht bevorzugt.
Es hat sich außerdem als günstig erwiesen, wenn Quarzglasfaser-Fragmente aus einem mit Wasserstoff dotierten Quarzglas eingesetzt werden.
Bei Wasserstoff handelt es sich um ein in Quarzglas relativ leicht diffundierendes Gas, das beim Erhitzen freigesetzt wird. Beim Sintern der Schicht verdrängt der austretende Wasserstoff andere, in Quarzglas schwerer diffundierende Gase, aus Zwischenräumen, was ein blasenfreies Sintern der Schicht erleichtert.
In dem Zusammenhang hat es sich auch bewährt, wenn das Sintern der Quarzglasfaser-Fragmente unter einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre erfolgt.
Es wird eine Verfahrensweise bevorzugt, bei der auf dem Basiskörper eine aus den Quarzglasfaser-Fragmenten bestehende SiO₂-Partikelschicht mit einer Schichtdicke erzeugt wird, die mindestens dem dreifachen des mittleren Faserfragment-Durchmessers entspricht.
Die SiO₂-Partikelschicht schrumpft beim Sintern je nach der in der Partikelschicht vorhandenen Packungsdichte der Faserfragmente. Bei einer geringeren resultierenden Schichtdicke als dem Dreifachen des mittleren Faserfragment-Durchmessers zeigen sich nach dem Sintern der SiO₂-Partikelschicht Unebenheiten und andere Inhomogenitäten, insbesondere auch Blasen. Dies wird darauf zurückgeführt, dass nur wenige Lagen zur Ausbildung des Netzwerkes auf der Oberfläche der Schicht beitragen.
Im Hinblick auf eine hohe Reinheit der Quarzglasschicht hat es sich bewährt, wenn die Quarzglasfaser-Fragmente erzeugt werden, indem aus einer Vorform eine Faser gezogen und diese zerkleinert wird.
Das Ziehen der Faser aus einer Vorform erfolgt werkzeugfrei in dem Sinne, dass es im erweichten Bereich (der Ziehzwiebel) keinen Kontakt mit Werkzeugen gibt, im Gegensatz beispielsweise zum Ziehen einer Quarzglasschmelze aus einer Ziehdüse. Durch diesen kontaktfreien Ziehvorgang werden Verunreinigungen auf der Faseroberfläche vermieden. Die gezogene Faser wird während des Ziehprozesses oder anschließend in Faserfragmente zerkleinert, die sich aus den genannten Gründen durch eine besonders hohe Reinheit auszeichnen und die im Idealfall keiner nachträglichen Reinigungsbehandlung zum Entfernen metallischer Verunreinigungen bedürfen. Auf diese Weise ergibt sich somit ein hochreines Ausgangsmaterial in Form von Quarzglas-Faserfragmenten für die Herstellung der Quarzglasschicht. Als Vorform wird dabei vorzugsweise ein Vollzylinder oder ein Hohlzylinder aus synthetischem Quarzglas eingesetzt.
Im Fall eines Hohlzylinders wird die Innenbohrung beim Faserziehprozess vollständig kollabiert, um die Ausbildung geschlossener Hohlräume beim Sintern zu vermeiden. Das Quarzglas der Vorform ist in der Regel undotiert; es kann jedoch auch Dotierstoffe enthalten, insbesondere solche, die die Viskosität des Quarzglases herabsetzen, so dass sich ein einfacheres Sintern bei niedriger Temperatur ergibt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsweise ist vorgesehen, dass ein Basiskörper aus Quarzglas aus natürlich vorkommendem Rohstoff erzeugt und mit der transparenten Quarzglasschicht versehen wird.
Die transparente Innenschicht dient dabei als Diffusionssperre gegenüber etwaigen Verunreinigungen, die im Quarzglas des Basiskörpers enthalten sind, und sie kann die Oberflächenbeschaffenheit des Basiskörpers verbessern.
Vorzugsweise wird die Quarzglasschicht als Innenbeschichtung eines tiegelförmigen Basiskörpers erzeugt, indem eine Schicht der SiO₂-Partikel unter Anlegen eines Unterdrucks gesintert wird.
Hierbei dient die Quarzglasschicht als transparente Innenschicht eines Quarzglastiegels, wie er beispielsweise zum Ziehen von Silizium-Einkristall eingesetzt wird. Dabei wird zur Herstellung der Innenschicht eine Partikelschicht aus Quarzglasfaser-Fragmenten an der Innenwandung einer evakuierbaren Schmelzform erzeugt. Beim Sintern der Schicht von innen nach außen wird von der Außenseite her ein Vakuum angelegt. Dabei spielt die faserartige Topologie der Fragmente eine besondere Rolle beim Sinter- oder Einschmelzvorgang. Solange die Partikelschicht porös ist, greift das Vakuum in den Innenraum der Schmelzform durch, so dass es seine volle Wirkung erst entfalten kann, wenn sich eine geschlossene Innenhaut auf der Partikelschicht gebildet hat. Im verbleibenden porösen Schichtbereich bilden die Quarzglasfasern dann ein von Hohlräumen durchzogenes Fasergerüst, das der Einwirkung von Unterdruck und Temperatur vergleichsweise lange standhält, was zu einem effektiven Absaugen von Gasen aus den Hohlräumen beiträgt.
Die aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugte Innenschicht auf dem Basiskörper zeichnet sich durch hohe Reinheit und geringe Blasenhaltigkeit aus und sie ist reproduzierbar und wirtschaftlich auch in großen Schichtdicken herstellbar.
Bevorzugt werden Quarzglasfaser-Fragmente eingesetzt, deren Durchmesser von einem Nominaldurchmesser um maximal 10% abweicht.
Quarzglasfaser-Fragmente mit einheitlichem Durchmesser zeigen ein ähnliches Einschmelzverhalten. Beim Einsatz der Faserfragmente zur Herstellung der Quarzglasschicht als Innenbeschichtung eines tiegelförmigen Basiskörpers werden die oben erwähnten Fasergerüst-Hohlräume länger aufrecht erhalten als dies bei einem Fasergerüst der Fall ist, bei dem Hohlräume zwischen dickeren Faserfragmenten mit dünneren Faserfragmenten teilweise aufgefüllt sind.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt im Einzelnen
1 in schematischer Darstellung eine Schmelzvorrichtung zur Herstellung eines Quarzglastiegels mit einer unter Einsatz von Quarzglasfaser-Fragmenten erzeugten, transparenten Innenschicht anhand einer ersten Verfahrensvariante, und
2 in schematischer Darstellung eine Schmelzvorrichtung zur Herstellung eines Quarzglastiegels mit einer unter Einsatz von Quarzglasfaser-Fragmenten erzeugten, transparenten Innenschicht anhand einer zweiten Verfahrensvariante.
Die Schmelzvorrichtung gemäß 1 umfasst eine Schmelzform 1 aus Metall mit einem Innendurchmesser von 75 cm, die mit einem Außenflansch auf einem Träger 3 aufliegt. Der Träger 3 ist um die Mittelachse 4 rotierbar. In den Innenraum 10 der Schmelzform 1 ragen eine Kathode 5 und eine Anode 6 (Elektroden 5; 6) aus Grafit, die – wie anhand der Richtungspfeile 7 angedeutet – innerhalb der Schmelzform 1 in allen Raumrichtungen verfahrbar sind.
Die offene Oberseite der Schmelzform 1 ist teilweise von einem Hitzeschild 11 in Form einer wassergekühlten Metallplatte mit zentraler Durchgangsbohrung abgedeckt, durch die hindurch die Elektroden 5, 6 in die Schmelzform 1 hineinragen. Der Hitzeschild 11 ist mit einem Gaseinlass 9 für Wasserstoff (alternativ auch für die Zufuhr von Helium) verbunden. Der Hitzeschild 11 ist in der Ebene oberhalb der Schmelzform 1 horizontal verfahrbar (in x- und y-Richtung), wie dies die Richtungspfeile 22 andeuten.
Der Raum zwischen dem Träger 3 und der Schmelzform 1 ist mittels einer Vakuumeinrichtung evakuierbar, die durch den Richtungspfeil 17 repräsentiert wird. Die Schmelzform 1 weist eine Vielzahl von Durchlässen 8 auf (diese sind in 1 nur symbolisch im Bodenbereich angedeutet), über die das an der Außenseite der Form 1 anliegende Vakuum 17 nach Innen durchgreifen kann.
Im Folgenden wird die Herstellung eines 28-Zoll-Quarzglastiegels mit transparenter Innenschicht anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In einem ersten Verfahrensschritt wird kristalline Körnung aus natürlichem, mittels Heißchlorierung gereinigtem Quarzsand, mit einer Korngröße im Bereich von 90 μm bis 315 μm in die um ihre Längsachse 4 rotierende Schmelzform 1 eingefüllt. Unter der Wirkung der Zentrifugalkraft und mittels einer Formschablone wird an der Innenwandung der Schmelzform 1 eine rotationssymmetrische tiegelförmige Körnungsschicht 12 aus mechanisch verfestigtem Quarzsand geformt. Die mittlere Schichtdicke der Körnungsschicht 12 beträgt etwa 12 mm.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird auf der Innenwandung der Quarzsand-Schicht 12 eine Innenkörnungsschicht 14 aus synthetisch hergestelltem Quarzglaspulver ebenfalls unter Einsatz einer Formschablone und unter anhaltender Rotation der Schmelzform 1 ausgeformt. Das synthetische Quarzglaspulver besteht aus Quarzglasfaser-Fragmenten die einen einheitlichen Durchmesser von 500 μm und eine mittlere Länge von 10 mm aufweisen. Sie werden erhalten, indem ein Zylinder aus reinem, undotiertem Quarzglas zu einer blasenfreien Faser gezogen und diese mittels eines so genannten Choppers in Faserstücke zerkleinert wird.
Die mittlere Schichtdicke der Innenkörnungsschicht 14 beträgt ebenfalls etwa 12 mm.
Zum Verglasen der SiO₂-Körnungsschichten 12, 14 wird das Hitzeschild 11 über der Öffnung der Schmelzform 1 positioniert und Wasserstoff über den Einlass 9 in den Tiegel-Innenraum 10 eingeleitet. Die Elektroden 5; 6 werden durch die zentrale Öffnung des Hitzeschildes 11 in den Innenraum 10 eingeführt und zwischen den Elektroden 5; 6 ein Lichtbogen gezündet, der in 1 durch die Plasmazone 13 (in 2, als grau hinterlegter Bereich) gekennzeichnet ist. Gleichzeitig wird an der Außenseite der Schmelzform 1 ein Vakuum angelegt.
Die Elektroden 5; 6 werden zusammen mit dem Hitzeschild 11 in die in 1 gezeigte seitliche Position gebracht und mit einer Leistung von 600 kW (300 V, 2000 A) beaufschlagt und, um die Körnungsschichten 12; 14 im Bereich der Seitenwandung zu verglasen. Die Plasmazone 13 wird langsam nach unten bewegt und dabei das Quarzglaspulver der Innenkörnungsschicht 14 kontinuierlich und bereichsweise zu einer blasenfreien Innenschicht 16 erschmolzen. Zum Verglasen der Körnungsschichten 12; 14 im Bereich des Bodens werden Hitzeschild 11 und Elektroden 5; 6 in eine zentrale Position gebracht und die Elektroden 5; 6 nach unten abgesenkt.
Beim Sintern der Schicht bildet sich zunächst eine dichte Innenhaut. Danach kann der anliegende Unterdruck (Vakuum) erhöht werden, so dass das Vakuum seine volle Wirkung entfalten kann. Die einheitliche Dicke der Faserfragmente bewirkt dabei, dass diese im verbleibenden porösen Schichtbereich ein von Hohlräumen durchzogenes Fasergerüst mit vergleichsweise großen, nicht mit anderem Fasermaterial aufgefüllten Hohlräumen bilden, die sich der Einwirkung von Unterdruck und Temperatur vergleichsweise lange widersetzen, was zu einem effektiven Absaugen von Gasen aus den Hohlräumen beiträgt.
Der Schmelzvorgang wird beendet, bevor die Schmelzfront die Innenwandung der Schmelzform 1 erreicht. Die transparente Innenschicht 16 ist glatt, blasenarm und hat eine mittlere Dicke von etwa 8 mm.
Im Folgenden wird eine Abwandlung dieser Verfahrensweise anhand der in 2 schematisch dargestellten Schmelzvorrichtung erläutert. Sofern in 2 dieselben Bezugsziffern wie in 1 verwendet sind, so sind damit baugleiche oder äquivalente Bauteile und Bestandteile bezeichnet, wie sie oben anhand Figur näher erläutert sind.
Die Schmelzvorrichtung weist hier ein in allen Raumrichtungen (Richtungspfeile 7) verfahrbares Einstreurohr 18 mit auf, das in den Innenraum der Schmelzform 1 ragt und das mit einem Vorratsbehälter 19 verbunden ist. Der Einstreurohr 18 ist mit einem Hosenstück 23 für die Zufuhr von Druckluft – symbolisiert durch den Richtungspfeil 24 – versehen.
Der Vorratsbehälter 19 ist mit Faserfragmenten 25 aus reinem, synthetisch hergestelltem, mit Wasserstoff dotiertem Quarzglas gefüllt. Die Faserfragmente haben einen einheitlichen Durchmesser von 1,5 mm und eine mittlere Länge von etwa 10 mm. Sie werden erhalten, indem ein Zylinder aus reinem, undotiertem Quarzglas zu einer blasenfreien Faser gezogen und diese mittels eines Choppers in Faserstücke zerkleinert wird. Die Faserfragmente 25 werden anschließend mit Wasserstoff beladen, indem sie während einer Dauer von 5 h bei einer Temperatur von 800°C in Wasserstoff-Atmosphäre behandelt werden.
Zur Herstellung des Quarzglastiegels wird zunächst eine Außenkörnungsschicht 1 aus kristalliner Körnung aus natürlich vorkommendem und vorab mittels Heißchlorierung gereinigtem Quarz geformt, wie anhand 1 beschrieben.
Anschließend wird auf der Innenwandung der Außenkörnungsschicht mittels des „Lichtbogen-Einstreuverfahrens” eine transparente und blasenarme Innenschicht 26 erzeugt. Hierzu werden unter anhaltender Rotation der Schmelzform 1 über das Einstreurohr 18 und unter Zufuhr von Druckluft 24 die hochreinen, Quarzglasfaser-Fragmente 25 in den Tiegel-Innenraum 10 eingeblasen. Gleichzeitig wird zwischen Kathode 5 und Anode 6 das Plasma 13 (Lichtbogen) gezündet.
Die eingestreuten Quarzglasfaser-Fragmente 25 gelangen in die Plasmazone 13, werden darin erweicht und mittels des vom Lichtbogen erzeugten Druckes gegen die Innenwandung der Außenkörnungsschicht geschleudert und darauf unter Bildung der Innenschicht 26 aus transparentem Quarzglas aufgeschmolzen. Dabei wird im Bereich der Innenwandung eine Maximaltemperatur von über 2100°C erreicht, so dass die Außenkörnungsschicht zu einer Außenschicht 27 aus opakem Quarzglas gesintert wird.
Die Innenschicht 26 des so hergestellten Quarzglastiegels hat eine mittleren Dicke von 2,5 mm. Sie ist glatt, blasenarm und mit der Außenschicht 27 aus opakem Quarzglas fest verbunden.

Claims

Verfahren für die Herstellung eines Bauteils mit einer Schicht (26) aus transparentem Quarzglas, indem Partikel (25) aus synthetisch hergestelltem Quarzglas auf einen Basiskörper aufgebracht und zu der Quarzglasschicht (26) gesintert werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der SiO₂-Partikel in Form zylinderförmiger Fragmente (25) aus Quarzglasfasern mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 3 mm und einer mittleren Länge im Bereich von 0,5 bis 20 mm vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Quarzglasfaser-Fragmente (25) mit einem mittleren Durchmesser von mehr als 1 mm eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Quarzglasfaser-Fragmente (25) mit einer mittleren Länge von mehr als 1 mm eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Quarzglasfaser-Fragmente (25) aus einem mit Wasserstoff dotierten Quarzglas eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern der Quarzglasfaser-Fragmente (25) unter einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Basiskörper eine aus den Quarzglasfaser-Fragmenten (25) bestehende SiO₂-Partikelschicht mit einer Schichtdicke erzeugt wird, die mindestens dem Dreifachen des mittleren Faserfragment-Durchmessers entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quarzglasfaser-Fragmente (25) erzeugt werden, indem aus einer Vorform eine Faser gezogen und diese zerkleinert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorform ein Vollzylinder oder ein Hohlzylinder aus synthetischem Quarzglas eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Basiskörper aus Quarzglas aus natürlich vorkommendem Rohstoff erzeugt und mit der transparenten Quarzglasschicht (26) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente Quarzglasschicht (14) als Innenbeschichtung eines tiegelförmigen Basiskörpers erzeugt wird, indem eine Schicht der SiO₂-Partikel unter Anlegen eines Unterdrucks gesintert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Quarzglasfaser-Fragmente (25) eingesetzt werden, deren Durchmesser von einem Nominaldurchmesser um maximal 10% abweicht.