更穩(wěn)定、更高效的玻璃-金屬密封新技術

在國防和航空航天工業(yè)中不銹鋼的組件在極端環(huán)境下可以起到保護作用；這些組件需要可以使電流通過并與其發(fā)生作用的軌道。這些軌道需要一個絕對的密封防止他們和金屬外殼接觸，這樣的話就可能會阻止電流的通過。良好的密封連接技術至關重要，美國桑迪亞國家實驗室SteveDai團隊就一直在改進這一技術。
　　
　　一般來說，用于隔離電氣軌道的材料不是玻璃就是微晶玻璃復合材料。Dai是做微晶玻璃與不銹鋼連接項目的研究員，一直致力于研究性能更為可靠的微晶玻璃與不銹鋼密封技術。
　　
　　對于比較耐用的密封件來說，需要微晶玻璃和金屬之間有很強的化學鍵，并且材料之間要有良好的熱膨脹系數(shù)匹配。晶態(tài)的微晶玻璃中的玻璃成分可以增加熱膨脹系數(shù)，這樣可以和金屬外殼形成良好的配合，并能減少熱應力。
　　
　　Dai表示，因為連接在一起的微晶玻璃必須經(jīng)過高溫處理，所以要小心處理材料之間的失配問題，因為在封裝的任何階段玻璃上都不會被施加拉伸應力，否則可能會出現(xiàn)裂紋。
　　
　　可預見的潛在工業(yè)用途
　　
　　在高溫高壓下的強密封是有良好的潛在工業(yè)用途的，比如在極端環(huán)境中的燃料電池和航空航天領域與國防上的應用。
　　
　　純凈的玻璃在高溫條件下要比金屬的收縮率小，這種不匹配在壓縮密封時會使金屬卷曲。如此一來有利也有弊。優(yōu)點是不需要有特別強的連接，因為密封的過程中會有許多壓縮；缺點是太多的壓縮在長時間使用過程中會壓碎玻璃。Dai的團隊發(fā)現(xiàn)如果金屬和微晶玻璃之間能形成化學鍵就不用在封接過程中增加步驟，中間材料就可以連接金屬和玻璃。而這是十分困難的，因為金屬和玻璃是截然不同的兩種材料。
　　
　　金屬和玻璃的密封是在無氧的惰性氣體保護的條件下完成的，如若不然金屬可能會和空氣接觸，導致氧化生銹。但是這里存在一對矛盾：金屬和微晶玻璃的連接需要氧氣，所以界面的連接處還是存在氧化層的。
　　
　　這的確是一個問題，該如何解決呢？有人對金屬做預氧化處理，但是Steve Dai說：“我們不打算這么干！”
　　
　　微晶玻璃與氧化劑的改性方法
　　
　　SteveDai的改性方法是在微晶玻璃密封材料上涂氧化劑，氧化劑的作用是代替金屬氧化物，這樣氧化劑在高溫條件下分解擴散，為不銹鋼中的金屬鉻供氧。氧化鉻在微晶玻璃和金屬的界面就會形成良好的密封效果。他們已經(jīng)研究出了24種可改性的微晶玻璃組成物，而且它們無毒易處理。
　　
　　研究人員確認了兩種涂在微晶玻璃上效果最好的的改性劑。Dai說它們雖然不是最好的，但是也已經(jīng)是一個偉大的進步。他們發(fā)現(xiàn)在微晶玻璃和金屬之間的化學鍵非常牢固，如果我們把它破壞，一定是從玻璃處斷開的。研究人員們還研究了界面之間的鍵合是牢固的，否則就不會在玻璃處破壞了。
　　
　　其他因素的影響
　　
　　在密封過程中如果不小心，玻璃有可能粘到金屬外殼，為了防止這種情況發(fā)生，在密封的時候我們使用石墨固定。
　　
　　但是有一個問題，和不銹鋼一樣，石墨也會和氧氣發(fā)生反應。
　　
　　從本質(zhì)上來說，這是一個熱力學平衡過程，如果金屬外殼和氧氣反應，這是我們愿見的結果。倘若石墨反應了，那就不好了。這真是一個微妙的反應平衡！
　　
　　在密封過程中，微晶玻璃會變成結晶相，這是一個高膨脹系數(shù)的晶相，增加的熱膨脹系數(shù)可以和高膨脹系數(shù)的金屬更好的配合。但是，由于這種晶態(tài)相的體積突變，在密封過程中微晶玻璃的膨脹不會隨溫度線性變化。這樣，金屬和微晶玻璃之間的熱應力變化率也不會有良好的配合。
　　
　　控制結晶相困難但很重要
　　
　　因為每一種相在幾百攝氏度范圍內(nèi)會有體積突變，研究人員想知道在什么溫度下可以控制結晶過程，使其分解出兩到三種高膨脹率的結晶相。
　　
　　SteveDai說：“我們試圖做出兩種或者更多的多結晶相來消除微晶玻璃的熱應力。結果發(fā)現(xiàn)，并沒有出現(xiàn)非線性變化的應力變化狀態(tài)，而是一種更接近線性變化的應力曲線，和金屬也能形成良好的配合�！�
　　
　　在高溫條件下控制多結晶相是很有難度的，我們要確保密封時所有相達到一個良好的平衡，并讓它們按照理想的順序和組分全部結晶，這些都會持續(xù)提高密封效果。
　　
　　下一步，科研人員將驗證該方法是否適合于工業(yè)生產(chǎn)，并將測試是否能夠達到預期結果。