[发明专利]一种玻璃与金属的封接结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及一种玻璃与金属的封接结构，及其制备方法和应用。

背景技术

金属环或金属管与玻璃管封接的制作已经是现有的技术。这种封接的难点在于金属与玻璃的热膨胀系数的差异。要制作这样的封接，首先需要将金属在湿氢炉里进行氧化处理，温度在800～1200℃之间。在这个温度下，湿氢使金属环表面形成一层氧化层，这样的氧化层有利于玻璃和金属之间的结合。

封接是在很高的温度下进行，此时玻璃的粘度低，可以与金属环上已经制备好的氧化层浸润和熔合。当封接件冷却下来，玻璃达到其退火温度，在这个温度下，因变形造成的应力还留在玻璃里。当封接件进一步冷却，玻璃和金属之间热膨胀系数的不匹配导致应力累积，应力的大小程度取决于热膨胀系数不匹配的程度、封接件的大小、以及所用材料的形状和厚度。

目前，硼硅玻璃与金属可以采用三种不同的封接方式：

第一种方法是用匹配的金属和玻璃，比如可伐金属和与其相匹配的玻璃，如Fiolax或8250玻璃。这些材料的热膨胀系数是互相匹配的，Fiolax玻璃和可伐金属膨胀系数都在5.5×10^-6m/(m.K)。这种通过消除不匹配来实现封接的办法很直接，也容易实现，然而，这些特殊的玻璃和可伐金属价格昂贵。

第二种方法是过渡封接，可以降低成本。这种封接和前述的第一种方式类似，但采用数种不同的玻璃，逐渐过渡到3.3硼硅玻璃的膨胀系数。3.3硼硅玻璃是一种常用材料，价格不高。这种方法的缺点是：制作工艺复杂，人工成本高。

第三种方法是豪斯基伯封接(house keeper seal)。这种封接的不锈钢环一端壁厚减到0.1mm以下。通过削弱不锈钢，使其对封接的作用力降低，控制在可以接受的范围内。到目前为止，豪斯基伯封接都采用奥氏体不锈钢。但奥氏体不锈钢的膨胀系数较高，与玻璃的膨胀系数相差较大，一则其对壁厚的减薄程度要求较高，提高了工艺成本。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种玻璃与金属的封接结构，以及实现这种封接的方法。与现有的豪斯基伯封接方法相比，本发明能够有效降低玻璃与金属热膨胀系数不匹配的程度，提高封装结构的稳定性、抗氧化能力，降低工艺、人力成本，降低残余应力。

本发明采用的技术方案如下：

一种玻璃与金属的封接结构，其包含膨胀系数在3.1×10^-6m/(m.K)至3.4×10^-6m/(m.K)的玻璃管，以及与所述玻璃管封接的膨胀系数在10×10^-6m/(m.K)至12×10^-6m/(m.K)的铁素体不锈钢。

进一步地，所述玻璃管的化学成分是(均为质量分数)：75％～85％的氧化硅，10％-15％的氧化硼，2％-5％的氧化钠和1％-5％氧化铝；所述铁素体不锈钢的化学成分是(均为质量分数)：15％-22％的铬，低于0.5％的镍和超过70％的铁。但本发明不以此为限制，也可以采用现有的其它成分的玻璃管材料。

进一步地，所述玻璃与金属的封接结构的封接类型属于豪斯基伯封接(house keeper seal)。

进一步地，所述铁素体不锈钢呈环状或管状，环或管的边缘是带锥度的(减薄的)，锥度为0.5～5°。

一种制备上述玻璃与金属的封接结构的方法，其步骤包括：

1)对呈环状或管状的铁素体不锈钢的一端进行减薄，

2)将减薄后的铁素体不锈钢与玻璃进行封接。

进一步地，通过带锥度的涨口胎具对铁素体不锈钢进行所述减薄。

进一步地，通过CNC加工的方法对铁素体不锈钢进行所述减薄。

本发明的玻璃与金属的封接结构可以用于太阳能线性聚光集热器，进一步可用于太阳能光热发电电站。。

本发明通过研究发现铁素体不锈钢在所有耐久性试验里，性能都超过奥氏体不锈钢制作的封接件。铁素体不锈钢的膨胀系数比奥氏体不锈钢低得多，因此，采用豪斯基伯封接方式时可以使用边缘厚度稍厚的。这种封接工艺简单，设备和人力消耗低；稳定性提高；这种封装结构极大地降低了玻璃与金属的热膨胀系数不匹配程度，使冷热交替循环对材料造成的损害降低，而耐热冲击性能也得到极大提高。另外，铁素体不锈钢可以避免发生奥氏体不锈钢可能出现的剥离腐蚀(剥离腐蚀是指奥氏体不锈钢表面形成氧化物后，与基材的结合力较差，使得氧化层和基材剥离开来)。

附图说明

图1是实施例中铁素体不锈钢环与涨口胎具安装的示意图。