JP4957249B2 - TiO2を含有するシリカガラスおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
前記ガラス化工程の後に、1200℃以上の高透過率ガラス体を500℃まで50℃/hr以下の平均降温速度で降温する、または、高透過率ガラス体を600〜1200℃の温度にて5時間以上保持した後に500℃まで150℃/hr以下の平均降温速度で降温する、工程(アニール工程)を備えていることを特徴とするTiO 2 を含有するシリカガラスの製造方法を提供する。
周波数 :9.44GHz付近(X−band)
出力 :4mW
変調磁場 :100KHz、0.2mT
測定温度 :室温
ESR種積分範囲:332〜368mT
感度校正 :一定量のMn2+/MgOのピーク高さにて実施。
(a)多孔質ガラス体形成工程
ガラス形成原料であるSi前駆体およびTi前駆体を火炎加水分解させて得られるTiO2−SiO2ガラス微粒子を基材に堆積、成長させて多孔質TiO2−SiO2ガラス体を形成させる。ガラス形成原料としては、ガス化可能な原料であれば特に限定されない。Si前駆体としては、SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Clなどの塩化物、SiF4、SiHF3、SiH2F2などのフッ化物、SiBr4、SiHBr3などの臭化物、SiI4などのヨウ化物といったハロゲン化ケイ素化合物、またRnSi(OR)4−n(ここにRは炭素数1〜4のアルキル基、nは0〜3の整数)で示されるアルコキシシランが挙げられる。また、Ti前駆体としては、TiCl4、TiBr4などのハロゲン化チタン化合物、またRnTi(OR)4−n(ここにRは炭素数1〜4のアルキル基、nは0〜3の整数)で示されるアルコキシチタンが挙げられる。また、Si前駆体およびTi前駆体として、シリコン-チタニウムアルコキシドなどのSiとTiの化合物を使用することもできる。
多孔質ガラス体形成工程で得られた多孔質TiO2−SiO2ガラス体を酸素およびFを含む雰囲気下にて保持し、Fを含有した多孔質TiO2−SiO2ガラス体を得る。酸素およびFを含む雰囲気としては、含Fガス(例えばSiF4、SF6、CHF3、CF4、C2F6、C3F8、F2)を0.1〜50体積%含有し、かつ酸素を50〜99.9体積%含有するガス雰囲気が好ましい。
多孔質ガラス体形成工程で得られた多孔質TiO2−SiO2ガラス体はそのままではハンドリングしにくいので、15体積%以上の酸素を含有する雰囲気下にて保持し、酸素処理を施した多孔質TiO2−SiO2ガラス体とすることが好ましい。また、F含有工程で得られたFを含有した多孔質TiO2−SiO2ガラス体は、15体積%以上の酸素を含有する雰囲気下にて保持し、酸素処理を施した多孔質TiO2−SiO2ガラス体とされる。Fを含有した多孔質TiO2−SiO2ガラス体に酸素処理を施す場合には、得られるTiO2を含有するシリカガラスの透過率を改善させるためには酸素濃度が高い方が好ましく、50%以上が好ましく、70%以上がより好ましく、90%以上が特に好ましい。これらの雰囲気下、1気圧程度の圧力で数十分〜数十時間の酸素処理を、高温で行うことが好ましい。
多孔質ガラス体形成工程で得られた多孔質TiO2−SiO2ガラス体、または酸素処理工程で得られた酸素処理を施した多孔質TiO2−SiO2ガラス体を緻密化温度まで昇温して、実質的に泡や気泡を含有しないTiO2−SiO2緻密体を得る。本明細書では、緻密化温度とは、光学顕微鏡で空隙が確認できなくなるまで多孔質ガラス体を緻密化できる温度をいう。緻密化温度は、1100〜1750℃であることが好ましく、より好ましくは1200〜1550℃である。
緻密化工程で得られたTiO2−SiO2緻密体をガラス化温度まで昇温して、実質的に結晶成分を含有しない高透過率ガラス体を得る。ガラス化温度は、1400〜1750℃であることが好ましく、より好ましくは1500〜1700℃である。
ガラス化工程で得られた高透過率ガラス体を成形温度まで昇温して、所望の形状に成形された成形ガラス体を得る。成形温度は、1500〜1750℃であることが好ましい。1500℃以下では、ガラスの粘度が高いため、実質的に自重変形が起こらず、またSiO2の結晶相であるクリストバライト(cristobalite)の成長またはTiO2の結晶相であるルチル(rutile)もしくはアナターゼ(anatase)の成長が起こり、いわゆる失透が生じる。1750℃以上では、SiO2の昇華やTiO2の還元が生じる可能性がある。SiO2の昇華やTiO2の還元による着色を防ぐためには、1740℃以下とすることがより好ましい。
ガラス化工程で得られた高透過率ガラス体、あるいは成形工程で得られた成形ガラス体を、600〜1200℃の温度にて5時間以上保持した後、150℃/hr以下の平均降温速度で500℃以下の温度まで降温するアニール処理を行い、ガラスの仮想温度を制御する。あるいは、ガラス化工程や成形工程における1200℃以上の温度からの降温過程において、得られる高透過率ガラス体や成形ガラス体を1200℃から500℃まで50℃/hr以下の平均降温速度で降温するアニール処理を行い、ガラスの仮想温度を制御する。これらの場合における平均降温速度は100℃/hr以下であることがより好ましく、さらに好ましくは50℃/hr以下である。特に好ましくは10℃/hr以下である。また、500℃以下の温度まで降温した後は放冷できる。なお、雰囲気は特に限定されない。
[例1]
TiO2−SiO2ガラスのガラス形成原料であるTiCl4とSiCl4を、それぞれガス化させた後に混合し、酸水素火炎中で加熱加水分解(火炎加水分解)させることで得られるTiO2−SiO2ガラス微粒子を基材に堆積・成長させて、直径約80mm、長さ約100mmの多孔質TiO2−SiO2ガラス体を形成した(多孔質ガラス体形成工程)。
TiO2−SiO2ガラスのガラス形成原料であるTiCl4とSiCl4を、それぞれガス化させた後に混合し、酸水素火炎中で加熱加水分解(火炎加水分解)させることで得られるTiO2−SiO2ガラス微粒子を基材に堆積・成長させて、直径約250mm、長さ約1000mmの多孔質TiO2−SiO2ガラス体を形成した(多孔質ガラス体形成工程)。
TiO2−SiO2ガラスのガラス形成原料であるTiCl4とSiCl4を、それぞれガス化させた後に混合し、酸水素火炎中で加熱加水分解(火炎加水分解)させることで得られるTiO2−SiO2ガラス微粒子を基材に堆積・成長させて、直径約80mm、長さ約100mmの多孔質TiO2−SiO2ガラス体を形成した(多孔質ガラス体形成工程)。
得られた成形ガラス体を900℃にて100時間保持した後、500℃まで5℃/hrで降温し、その後室温まで放冷した(アニール工程)。
TiO2−SiO2ガラスのガラス形成原料であるTiCl4とSiCl4を、それぞれガス化させた後に混合し、酸水素火炎中で加熱加水分解(火炎加水分解)させることで得られるTiO2−SiO2ガラス微粒子を基材に堆積・成長させて、直径約80mm、長さ約100mmの多孔質TiO2−SiO2ガラス体を形成した(多孔質ガラス体形成工程)。
ゼロ膨張TiO2−SiO2ガラスとして知られるCorning社ULE#7972を900℃にて100時間保持した後、急冷して仮想温度を制御した(成形工程)。
例1におけるアニール工程において、得られた成形ガラス体を電気炉内に設置し、1300℃にて2時間保持した後、急冷して仮想温度を制御した。これ以外は例1と全く同様の方法により、TiO2−SiO2ガラスを得た。
例1における成形工程において、得られた高透過率ガラス体を、1750℃で加熱してブロック形状に成形し、さらにアニール工程において、得られた成形ガラス体を電気炉内に設置し、1200℃にて20時間保持した後、500℃まで5℃/hrで降温し、その後室温まで放冷した。これ以外は例1と全く同様の方法により、TiO2−SiO2ガラスを得た。
TiO2−SiO2ガラスのガラス形成原料であるTiCl4とSiCl4を、それぞれガス化させた後に混合し、酸水素火炎中で加熱加水分解(火炎加水分解)させることで得られるTiO2−SiO2ガラス微粒子を基材に堆積・成長させて、直径約80mm、長さ約100mmの多孔質TiO2−SiO2ガラス体を形成した(多孔質ガラス体形成工程)。
[例9]
TiO2−SiO2ガラスのガラス形成原料であるTiCl4とSiCl4を、それぞれガス化させた後に混合し、酸水素火炎中で加熱加水分解(火炎加水分解)させることで得られるTiO2−SiO2ガラス微粒子を、例1と同様に、基材に堆積・成長させて、直径約80mm、長さ約100mmの多孔質TiO2−SiO2ガラス体を形成し(多孔質ガラス体形成工程)、基材に堆積させたままの状態で、大気中1200℃にて4時間保持した後、基材から外した。多孔質TiO2−SiO2ガラス体の組成は、ガラス化工程後のガラス換算で、TiO2濃度を7.0質量%、SiO2濃度を93.0質量%とした。
その後、成形工程において、得られた高透過率ガラス体を、1740℃で加熱した以外は、例1と同様に、緻密化工程、ガラス化工程、成形工程、アニール工程を行って、ブロック形状のTiO2−SiO2ガラスを得た。
得られたTiO2−SiO2ガラスのTi3+濃度は40ppmであり、内部透過率はT400〜700>93.0%、T300〜700>85.0%、T300〜3000>85.0%といずれも80%以上であり、CTE0〜100は−60〜140ppb/℃で、0±150ppb/℃の範囲内であった。
[例10]
例9において、多孔質TiO2−SiO2ガラス体の、ガラス化工程後のガラス換算の組成を、TiO2濃度は2.0質量%、SiO2濃度は98.0質量%とした以外は、例9と同様にしてTiO2−SiO2ガラスを得た。得られたTiO2−SiO2ガラスのCTE0〜100は+240〜+460ppb/℃であった。
[例11]
例9と同様に、ガラス化工程後のガラス換算の組成が、TiO2濃度は7.0質量%、SiO2濃度は93.0質量%である多孔質TiO2−SiO2ガラス体を形成し(多孔質ガラス体形成工程)、大気中1200℃にて4時間保持した後、基材から外した。
その後、成形工程における降温過程において、成形ガラス体を1200℃から500℃まで130℃/hrで降温し、その後室温まで冷却した(アニール工程)以外は、例2と同様に、緻密化工程、ガラス化工程および成形工程、アニール工程を行って、ブロック形状のTiO2−SiO2ガラスを得た。
得られたTiO2−SiO2ガラスの仮想温度は1190℃で、Ti3+濃度は7ppであって、内部透過率はT400〜700>93.5%、T300〜700>88.3%、T300〜3000>88.3%でいずれも80%以上であり、CTE0〜100は−65〜140ppb/℃で、0±150ppb/℃の範囲内であった。
[例12]
例9と同様に、ガラス化工程後のガラス換算の組成が、TiO2濃度は7.0質量%、SiO2濃度は93.0質量%である多孔質TiO2−SiO2ガラス体を形成し(多孔質ガラス体形成工程)、大気中1200℃にて4時間保持した後、基材から外した。
その後、アニール工程において、成形ガラス体を1000℃にて20時間保持し、500℃まで130℃/hrで降温した以外は、例4と同様に、F含有工程、酸素処理工程、緻密化工程、ガラス化工程および成形工程、アニール工程を行って、ブロック形状のFを含有させたTiO2−SiO2ガラスを得た。
得られた、Fを含有させたTiO2−SiO2ガラスの仮想温度は920℃で、F濃度は6300ppm、Ti3+濃度12ppmであって、内部透過率はT400〜700>92.3%、T300〜700>84.2%、T300〜3000>84.2%でいずれも80%以上であり、CTE0〜100は−45〜55ppb/℃で、0±150ppb/℃の範囲内であった。
Claims (6)
- TiO2濃度が3〜10質量%、OH基濃度が600質量ppm以下、Ti3+濃度が70質量ppm以下のシリカガラスであって、仮想温度が1000℃以下、0〜100℃での熱膨張係数CTE0〜100が0±150ppb/℃であり、熱膨張係数が0±5ppb/℃となる温度幅が4.0℃以上であり、かつ400〜700nmの波長域で厚さ1mmあたりの内部透過率T400〜700が80%以上であることを特徴とするTiO2を含有するシリカガラス。
- F濃度が100質量ppm以上である請求項1に記載のTiO2を含有するシリカガラス。
- 300〜3000nmの波長域で厚さ1mmあたりの内部透過率T300〜3000が70%以上である請求項1または2に記載のTiO2を含有するシリカガラス。
- TiO2を含有するシリカガラスの製造方法であって、
前記製造方法は、
ガラス形成原料を火炎加水分解して得られるTiO2−SiO2ガラス微粒子を基材に堆積、成長させて多孔質TiO2−SiO2ガラス体を形成する工程(多孔質ガラス体形成工程)と、
多孔質TiO2−SiO2ガラス体を、緻密化温度まで昇温して、TiO2−SiO2緻密体を得る工程(緻密化工程)と、
TiO2−SiO2緻密体をガラス化温度まで昇温して、高透過率ガラス体を得る工程(ガラス化工程)と、を備えていて、ガラス化工程の後に、1200℃以上の高透過率ガラス体を500℃まで150℃/hr以下の平均降温速度で降温する、または、高透過率ガラス体を600〜1200℃の温度にて5時間以上保持した後に500℃まで150℃/hr以下の平均降温速度で降温する、工程(アニール工程)をさらに備えていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載のTiO2を含有するシリカガラスの製造方法。 - TiO2を含有するシリカガラスの製造方法であって、
前記製造方法は、
ガラス形成原料を火炎加水分解して得られるTiO2−SiO2ガラス微粒子を基材に堆積、成長して多孔質TiO2−SiO2ガラス体を形成する工程(多孔質ガラス体形成工程)と、
多孔質TiO2−SiO2ガラス体を、緻密化温度まで昇温して、TiO2−SiO2緻密体を得る工程(緻密化工程)と、
TiO2−SiO2緻密体をガラス化温度まで昇温して、高透過率ガラス体を得る工程(ガラス化工程)と、を備えていて、多孔質ガラス体形成工程と緻密化工程との間に、
多孔質TiO2−SiO2ガラス体を酸素およびF含有雰囲気下にて保持し、Fを含有した多孔質ガラス体を得る工程(F含有工程)と、
Fを含有した多孔質ガラス体を15%以上の酸素を含有する雰囲気下にて保持して酸素処理を施した多孔質TiO2−SiO2ガラス体を得る工程(酸素処理工程)と、をさらに備えていて、
さらに、前記ガラス化工程の後に、1200℃以上の高透過率ガラス体を500℃まで150℃/hr以下の平均降温速度で降温する、または、高透過率ガラス体を600〜1200℃の温度にて5時間以上保持した後に500℃まで150℃/hr以下の平均降温速度で降温する、工程(アニール工程)を備えていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載のTiO2を含有するシリカガラスの製造方法。 - ガラス化工程とアニール工程の間に
高透過率ガラス体を、軟化点以上の温度に加熱して所望の形状に成形し、成形ガラス体を得る工程(成形工程)を備えている請求項4または5に記載のTiO2を含有するシリカガラスの製造方法。
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