預(yù)氧化對(duì)玻璃—鉬封接性能的影響

馮慶++華斯嘉++賈波++梁力

摘 要：文章主要研究了金屬鉬的預(yù)氧化對(duì)玻璃-鉬封接組件性能的影響，將一組金屬鉬極柱在550℃下預(yù)氧化15min，另一組金屬鉬極柱不做處理，隨后，在相同的條件下與玻璃進(jìn)行封接實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，預(yù)氧化的鉬極柱與玻璃封接成組件后具有良好的微觀界面形貌，其各項(xiàng)性能得到了顯著的提高。

關(guān)鍵詞：鉬極柱；預(yù)氧化；XS-04；玻璃-金屬封接

中圖分類(lèi)號(hào)：TM215.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）20-0024-02

1 概述

加熱無(wú)機(jī)玻璃，使其與預(yù)先氧化的金屬或合金表面達(dá)到良好的浸潤(rùn)而緊密的結(jié)合在一起，隨后玻璃和金屬冷卻至室溫時(shí)，玻璃和金屬仍能牢固地封接在一起，即得到玻璃-金屬封接制品[1]。玻璃-金屬封接可分為匹配封接與非匹配封接，但不論哪種封接方式，封接過(guò)程中玻璃與金屬界面的良好封接是保證封接制品具有優(yōu)異性能的關(guān)鍵[2]。因此，金屬材料的預(yù)氧化對(duì)金屬-玻璃組件的封接尤為重要。金屬材料經(jīng)合理的預(yù)氧化后在其表層形成一層致密氧化膜，可顯著的改善金屬與玻璃的浸潤(rùn)性，為玻璃-金屬的良好封接提供先決條件[3]。為了保證玻璃-金屬的良好封接，金屬預(yù)氧化時(shí)應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面[4]：（1）氧化層中氧化物的價(jià)態(tài)合理；（2）氧化層的厚度適中，且不能在反應(yīng)過(guò)程中完全溶于玻璃；（3）氧化層應(yīng)連續(xù)且致密無(wú)氣孔；（4）氧化層應(yīng)與金屬基體結(jié)合牢固且與相應(yīng)玻璃良好浸潤(rùn)。

隨著對(duì)玻璃-金屬封接制品的使用要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的可伐合金-玻璃封接組件耐化學(xué)腐蝕性差、電流輸出密度低及弱磁性等特點(diǎn)使其應(yīng)用受到了較大的限制。與可伐合金材料相比，金屬鉬兼具熱膨脹系數(shù)低、力學(xué)性能好、耐腐蝕性強(qiáng)及電流輸出密度高等特點(diǎn)[5]，是玻璃-金屬封接中一種較為優(yōu)異的可選材料，成為當(dāng)前玻璃-金屬封接領(lǐng)域研究的一大熱點(diǎn)。但金屬鉬存在難加工、與玻璃浸潤(rùn)性差等缺點(diǎn)，在一定程度上限制了其應(yīng)用。

本文采用非匹配封接方式，利用借助SEM及EDS等分析手段，研究了預(yù)氧化對(duì)玻璃-鉬封接性能的影響，以便改善金屬鉬與玻璃浸潤(rùn)性，提高玻璃-鉬封接組件破壞強(qiáng)度、氣密性以及穩(wěn)定性等。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將一組鉬極柱在550℃下預(yù)氧化15min，使其表面形成均勻連續(xù)且厚度合適的氧化物，另一組不做處理，隨后，將三者按相應(yīng)次序組裝到石墨模具中，根據(jù)玻璃坯體XS-04的熱學(xué)性質(zhì)在高溫?cái)U(kuò)散爐中將三者熔封，將所獲得封接組件清洗后烘干備用。

采用SEM分析方法觀察并對(duì)比預(yù)氧化及未預(yù)氧化鉬極柱與XS-04封接界面微觀形貌，分析兩者結(jié)合狀態(tài)；利用EDS分析未預(yù)氧化及預(yù)氧化鉬極柱與XS-04界面元素分布，探究鉬極柱與XS-04界面元素相對(duì)移動(dòng)情況。分別利用電子拉力試樣機(jī)、核質(zhì)譜檢漏儀對(duì)兩組樣品進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、氣密測(cè)試，每組取10個(gè)樣品，綜合分析兩組樣品的各項(xiàng)性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖1為未預(yù)氧化（a）及預(yù)氧化（b）鉬極柱與XS-04封接界面SEM圖。從圖1（a）中可以看出，未預(yù)氧化鉬極柱與XS-04封接界面非常疏松，經(jīng)切割拋磨后出現(xiàn)大面積脫落現(xiàn)象，表明其界面封接強(qiáng)度十分低，這是由于兩者之間較大的浸潤(rùn)角降低了封接性能而造成。從圖1（b）中可以看出，鉬極柱預(yù)氧化后形成的表面氧化層在XS-04與鉬極柱之間形成良好的過(guò)渡層，預(yù)氧化鉬極柱與XS-04封接界面非常致密，經(jīng)切割拋磨后未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，表明其界面封接強(qiáng)度較高。研究表明[1]，金屬鉬經(jīng)氧化后表面氧化層中存在大量的離子鍵，使得其與玻璃之間的浸潤(rùn)角大大降低，因而改善XS-04與鉬極柱之間封接界面，提高組件的封接性能。

圖2未預(yù)氧化（a）及預(yù)氧化（b）鉬極柱與XS-04封接界面EDS圖。從圖2（a）中可以看出，未預(yù)氧化鉬極柱與XS-04封接界面處元素分布較為雜亂，無(wú)明顯分布規(guī)律，這是由于兩者松散的結(jié)合界面經(jīng)切割拋磨后產(chǎn)生部分脫落或移動(dòng)而引起的。從圖2（b）中可以看出，預(yù)氧化鉬極柱與XS-04封接界面處元素分布比較規(guī)律，由XS-04→過(guò)渡層→Mo方向，玻璃中部分元素濃度逐漸平緩降低，而鉬元素濃度則逐漸平緩升高。預(yù)氧化后的鉬極柱表面形成具有一定厚度的均勻連續(xù)的氧化層，在封接過(guò)程中，氧化層在XS-04與XS-04之間充當(dāng)中間過(guò)渡層的作用，為XS-04中元素以及元素的相對(duì)擴(kuò)散提供了有利條件，這有助于提高XS-04與Mo結(jié)合能力。

3.2 抗壓強(qiáng)度、氣密以及化學(xué)穩(wěn)定性測(cè)試

圖3未預(yù)氧化（a）及預(yù)氧化（b）鉬極柱與XS-04封接組件抗壓強(qiáng)度測(cè)試。由圖中可以看出，與未經(jīng)預(yù)氧化的鉬極柱相比，經(jīng)預(yù)氧化的鉬極柱與XS-04封接組件具有更高抗壓能力，兩者的平均值各為1965.2N和2175.9N，抗壓能力提高10%左右。同時(shí)，兩者方差分別為110和84.8，表明預(yù)氧化鉬極柱與XS-04封接組件的抗壓強(qiáng)度穩(wěn)定性更好，可靠性更高。

表1未預(yù)氧化（a）及預(yù)氧化（b）鉬極柱與XS-04封接組件氣密測(cè)試。由表中可以看出，兩組封接組件的氣密測(cè)試都可以滿(mǎn)足n×10-10（n=1-9.9）的性能要求，但未預(yù)氧化（a）組中數(shù)值離散性較大，穩(wěn)定性低于預(yù)氧化（b）組。

上述實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，經(jīng)預(yù)氧化的鉬極柱XS-04封接組件具有更高的抗壓強(qiáng)度、氣密性能，同時(shí)，組件各項(xiàng)的穩(wěn)定性也得到了較大的提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文成功地制備出力學(xué)、熱學(xué)及化學(xué)性能優(yōu)異的玻璃-鉬封接組件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與未經(jīng)預(yù)氧化的鉬極柱相比，經(jīng)預(yù)氧化的鉬極柱表形成連續(xù)均勻致密氧化層，顯著改善了金屬鉬極柱與玻璃之間的浸潤(rùn)性，在封接過(guò)程中充當(dāng)鉬極柱與XS-04之間的過(guò)渡層，為元素之間的相互擴(kuò)散提供了有力的保障，大大改善了封接界面的微觀組織形貌。在宏觀性能方面，與未經(jīng)預(yù)氧化的鉬極柱相比，經(jīng)預(yù)氧化的鉬極柱與XS-04的封接組件具有更高的抗壓強(qiáng)度及氣密性，且各項(xiàng)性能穩(wěn)定性更高。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬英仁.封接玻璃[J].玻璃與搪瓷.

[2]玻璃和金屬的封接[M].程文森，張省德，譯.國(guó)防工業(yè)出版社.

[3]J.C. Swearengen， R.J. Eagan. Mechanical properties of molibdenum-sealing glass-ceramics[J]. Journal of Materials science，11（1976）1857-1866.

[4]I.W. Donald，Glass-To-Metals Seals[M].The Society of Glass Technology，2009.

[5]韓強(qiáng).鉬及其合金的氧化、防護(hù)與高溫應(yīng)用[J].中國(guó)鋁業(yè)，2002，26（4）：32-34.

[6]G. Leichtfried， G. Thurner， R. Weirather. Molybdenum alloys for glass-to-metal seals[J]. Internation Journal of Refractory Metals and Hard Meterials， 16（1998）13-22.