（化工过程机械专业论文）dsg系统板翅式太阳能接收器玻璃与金属封接研究.pdf

硕士学位论文 摘要 抛物面槽式太阳能真空集热管使用的吸热介质通常是导热油。然而导热油容易渗 漏，在高温下将引起火灾；同时，导热油还需要在换热子系统将热量传递给水，这会 大大降低系统效率。采用直接用水作吸热介质的d s g ( d i r e c ts t e a mg e n e r a t i o n ) 技 术，省去了中间换热子系统中的换热设备，不仅能提高抛物面槽式太阳能热发电系统 效率，且能降低成本，提供系统的安全性。 针对采用d s g 技术的抛物面槽式太阳能热发电系统，本文设计了一种新型板翅 式高温真空太阳能接收器，该接收器工作在高温、高压下的聚光环境中，玻璃和金属 的封接处承受着较大拉应力和交变载荷。为了优化新型接收器结构，有效降低玻璃和 金属封接接头残余应力，本文主要的研究工作和结论如下： ( 1 ) 分析了玻璃、金属、钎料厚度，钎焊压力和钎焊温度等因素对玻璃与金属 真空钎焊平板接头残余应力的影响，还分析了新型接收器三维模型抽真空后，焊缝和 玻璃板上的残余应力分布。分析结果表明：金属厚度增加会增大残余应力，并且其对 残余应力影响最显著；钎焊压力和钎焊温度的增加可以降低残余应力；玻璃和钎料厚 度对残余应力的影响不大；钎缝的最大残余应力存于在路径p 2 上，其最大应力值盯1 l 为1 3 4 m p a ，a 2 2 为1 2 8 8 m p a ，而a 3 3 的应力值很小；硼硅玻璃板在三个主方向均受到 压应力作用，不会破裂。 ( 2 ) 设计并优化了新型接收器的结构和尺寸，同时，为了提高钎料对母材的润 湿性，改进了玻璃和金属真空钎焊前处理工艺：在可伐合金待焊接面镀铜；采用碱性 镀液在硼硅玻璃待焊接面镀镍，镍镀层的磷含量在0 1 3 范围内，然后再镀一层铜。 ( 3 ) 通过对接收器模型抽真空试验发现，当钎料厚度为1 2 5 x n 时，钎焊接头气 密性能最好，接收器真空度可达到4 2 10 p a 。 ( 4 ) 利用金相显微镜、扫描电子显微镜、x 射线能谱仪等仪器，观察和分析了 钎料厚度为1 2 5 t x m 的钎缝微观组织结构和组成，研究了母材与钎缝之间元素扩散规 律，结果表明：钎缝中主要生成物是固溶体和化合物；若p 元素向母材扩散不充分， 则易在钎缝富集形成脆性化合物c u 3 p 和n i 2 p 。 关键词：真空钎焊玻璃与金属封接非晶态钎料残余应力 显微组织 i a b s t r a c t a b s t r a c t h e a t c o n d u c t i n go i li su s u a l l yu s e di nt h ep a r a b o l i ct r o u g hs o l a rv a c u u mt u b ea s h e a t a b s o r b i n gm e d i u m h o w e v e r , w h e nh e a t - c o n d u c t i n g o i ll e a k sf r o mt h et u b e ，i ti se a s y t oc a u s ef i r ee s p e c i a l l ya th i g ht e m p e r a t u r e ；m e a n w h i l e ，i tg r e a t l yr e d u c e st h ee f f i c i e n c yo f t h es y s t e m ，w h i l eh e a ti st r a n s f e r e df r o mh e a t c o n d u c t i n go i lt ow a t e ri nt h eh e a te x c h a n g e r s u b s y s t e m i fd s gt e c h n o l o g y , u s i n gw a t e ra sh e a t - a b s o r b i n gm e d i u m ，i se m p l o y e d ，t h e h e a tt r a n s f e re q u i p m e n to ft h eh e a te x c h a n g e rs u b s y s t e mc a nb es p a r e d ，s oi tn o to n l y i m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo ft h ep a r a b o l i ct r o u g hs o l a rt h e r m a lp o w e rs y s t e m ，b u ta l s o r e d u c e sc o s t i nt h i sp a p e r , an e wt y p eo fh i g ht e m p e r a t u r ev a c u u mr e c e i v e ri sd e s i g n e df o rt h e p a r a b o l i ct r o u g hs o l a rt h e r m a lp o w e rs y s t e m ，u s i n gd s gt e c h n o l o g y t h er e c e i v e rw o r k s i nt h es p o t l i g h t i n ge n v i r o n m e n t 晰ml l i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r e ，s ow e l d i n gj o i n t o fg l a s sa n dm e t a lb e a r sh i g ht e n s i l es t r e s sa n da l t e r n a t i n gl o a d i no r d e rt oo p t i m i z et h e n e wr e c e i v e rs t r u c t u r ea n dr e d u c et h er e s i d u a ls t r e s so ft h eg l a s sa n dm e t a ls e a l i n gj o i n t ， t h em a i nc o n t e n t sa n dm a j o rc o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee f f e c t so ft h et h i c k n e s so fg l a s s ，m e t a la n db r a z i n gf i l l e rm e t a l ，t h eb r a z i n g p r e s s u r ea n dt h eb r a z i n gt e m p e r a t u r eo nr e s i d u a ls t r e s si ng l a s s - t o 。m e t a lv a c u u mb r a z i n g f l a tj o i n tw e r ea n a l y z e d ，t h er e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o no fw e l d i n gj o i n ta n dg l a s s p l a t ew a s a l s oa n a l y z e da f t e rt h e3 dm o d e lo ft h er e c e i v e rw a sv a c u u m i z e d t h er e s u l t ss ，h o wt h a tt h e r e s i d u a ls t r e s si n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h et h i c k n e s so fm e t a l ，a n dt h et h i c k n e s so f m e t a lh a st h eg r e a t e s ti m p a c to nt h er e s i d u a ls t r e s s ；t h er e s i d u a ls t r e s sr e d u c e sw i t ht h e i n c r e a s eo fb r a z i n gp r e s s u r ea n db r a z i n gt e m p e r a t u r e ；t h et h i c k n e s so fg l a s sa n db r a z i n g f i l l e rm e t a lh a sl i t t l ee f f e c to nt h er e s i d u a ls t r e s s ；t h em a x i m u mr e s i d u a ls t r e s s e so ft h e b r a z i n gs e a me x i s ti nt h ep a t hp 2 ，t h em a x i m u m r e s i d u a ls t r e s so lli s13 4m _ p aa n dt h e m a x i m u mr e s i d u a ls t r e s so 2 2i s12 8 8m p a , t h es t r e s so 3 3i sv e r ys m a l l ；t h ec o m p r e s s i v e s t r e s se x i s t si nt h r e ep r i n c i p a ld i r e c t i o n so ft h eb o r o s i l i c a t eg l a s s ，w h i c hw i l ln o tr u p t u r e ( 2 ) t h es t r u c t u r ea n do v e r a l ld i m e n s i o n sw e r eo p t i m i z e d ，a tt h es a m et i m e ，i no r d e r t oi m p r o v et h ew e t t a b i l i t yo fb r a z i n gf i l l e rm e t a lt ob a s em a t e r i a l ，t h ep r e t r e a t m e n to f i i 硕士学位论文 g l a s s - t o - m e t a lv a c u u mb r a z i n gw a si m p r o v e d ：t h es o l d e rs i d eo ft h ek o v a ra l l o yw a s c o p p e r e d ；t h es o l d e rs i d eo ft h eb o r o s i l i c a t eg l a s sw a sn i c k e l e d ，u s i n ga l k a l i n es o l u t i o n ， a n dt h ep h o s p h o r u sc o n t e n to ft h en i c k e l p l a t e dl a y e rw a si nt h er a n g eo f0 1 - 3 t h e na l a y e ro fc o p p e rw a sp l a t e da g a i n ( 3 ) t h r o u g ht h ev a c u u mt e s to ft h er e c e i v e r , i tw a sf o u n dt h a tw h e nt h es o l d e r t h i c k n e s sw a s12 5 1 m a ，t h ea i r t i g h tp e r f o r m a n c eo ft h eb r a z i n gj o i n tw a st h eb e s t ，谢t ht h e v a c u u mu pt o4 2x1 0 p a ( 4 ) m e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p y , s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ya n dx r a ye n e r g y d i s p e r s i v es p e c t r o m e t e rw e r ec a r r i e do u tt oe x a m i n et h em i c r o s t r u c t u r ea n dc o m p o s i t i o no f t h eb r a z i n gs e a m ，丽mt h es o l d e rt h i c k n e s sb e i n g12 5 i t m ，t h ed i f f u s i o nr u l eo fe l e m e n t s b e t w e e nt h eb a s em a t e r i a la n dt h eb r a z i n gs e a mw a sa n a l y z e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e m a j o rr e s u l t a n ta r es o s o l o i da n dc o m p o u n d s ；i ft h ep h o s p h o r u sd i f f u s i o ni si n a d e q u a t e f r o mb r a z i n gf i l l e rm e t a lt ob a s em a t e r i a l ，t h eb r i t t l ec o m p o u n d s ，s u c ha sc u 3 pa n dn i 2 p , a r ee a s yt ob ef o r m e di nt h eb r a z i n gs e a m k e y w o r s ：v a c u u mb r a z i n gw e l d i n g ；g l a s s t o m e t a ls e a l ；a m o r p h o u sa l l o y s ；r e s i d u a l s t r e s s ；m i c r o s t r u c t u r e i l l 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2不同类型太阳能真空接收器的结构及特点2 1 3 玻璃和金属常用焊接方法及面临的问题5 1 3 1玻璃和金属的钎焊连接5 1 3 2 玻璃和金属的扩散焊连接6 1 3 3 玻璃和金属连接存在的问题6 1 4 玻璃与金属封接技术的国内外研究现状7 1 4 1国外研究现状7 1 4 2 国内研究现状8 1 5 本文主要研究内容10 1 6 本文课题来源1 1 参考文献1 1 第二章玻璃与金属真空钎焊影响参数及板翅式接受器的有限元分 析1 5 2 1引言15 2 2玻璃与金属真空钎焊残余应力热弹塑性有限元法l5 2 2 1 钎焊热弹塑性分析基本假设1 5 2 2 2 钎焊热弹塑性分析基本理论1 6 2 3玻璃与金属真空钎焊残余应力的影响参数分析1 7 2 3 1材料参数。17 2 3 2网格划分。1 8 目录 2 3 3边界条件19 2 4 计算结果与讨论1 9 2 4 1玻璃和金属厚度对钎焊接头残余应力的影响1 9 2 4 2 钎焊压力对钎焊接头残余应力的影响2 1 2 4 3 钎焊温度对钎焊接头残余应力的影响2 3 2 4 4 钎料厚度对钎焊接头残余应力的影响2 4 2 5d s g 系统板翅式太阳能接收器钎焊残余应力的数值模拟2 6 2 5 1 网格的划分2 6 2 5 2 边界条件2 7 2 6 计算结果与讨论2 7 2 7 本章小结3 0 参考文献3 0 第三章d s g 系统板翅式接收器结构设计及母材真空钎焊前处理工艺的 改进3 2 3 1引言3 2 3 2d s g 系统板翅式太阳能接收器结构设计。3 2 3 2 1封接玻璃材料的选择3 2 3 2 2 封接金属材料的选择3 4 3 2 3d s g 系统板翅式太阳能接收器结构尺寸设计3 4 3 3 玻璃和金属真空钎焊实验前处理工艺的改进3 7 3 3 1 可伐合金4 j 2 9 的真空热处理3 7 3 3 2 玻璃表面的粗化处理一3 8 3 3 3 玻璃表面的化学镀镍处理。3 9 3 3 4 玻璃和金属表面的化学镀铜处理4 1 3 4 本章小结4 3 参考文献4 4 第四章d s g 系统板翅式接收器真空钎焊及其接头实验研究4 5 硕士学位论文 4 1 引言4 5 4 2 真空钎焊形成机理4 5 4 2 1 钎料对母材的润湿性能4 5 4 2 2 毛细作用一4 6 4 2 3 钎料与母材的相互作用4 6 4 3 d s g 系统板翅式太阳能接收器玻璃和金属真空钎焊试验4 7 4 3 1试验用钎料的选取4 7 4 3 2 真空钎焊试验4 8 4 。4d s g 系统板翅式太阳能接收器玻璃和金属钎焊接头的实验研究4 9 4 4 1 钎焊接头气密性能实验研究5 0 4 4 2 钎焊接头的金相分析51 4 4 3 钎焊接头界面微观形态和元素扩散情况分析5 3 4 5 本章小结5 9 参考文献5 9 第五章结论与展望6 1 5 1 结1 沧6 1 5 2 展望61 在读期间参与的科研项目及发表的论文6 3 致谢6 4 硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 目前，地球上使用的燃料大多是化石燃料，它们正日趋减少，而且污染严重。因 此，开发新能源成为全球焦点。太阳能洁净无污染、来源广泛，开发太阳能对解决能 源危机具有重大意义。随着太阳能等可再生能源利用在全世界的蓬勃发展，以太阳能 热发电为代表的太阳能工业热利用技术逐步为人们所认识，要实现太阳能中高温集 热，达到工业用热要求，就不能离开抛物面槽式线聚焦装置，特别是抛物面槽式太阳 能热发电，抛物面槽式太阳能热发电( s o l a rt h e r m a lp o w e r ，s t p ) 系统代表了最成 熟的太阳能热发电技术，现在国外已实现了商业化【l 】，其它2 种主要的热发电技术： 太阳能塔式和碟式( 盘式) 还不成熟，尚处于示范阶段。抛物面槽式太阳能热发电主 要利用槽式抛物面聚光器聚光，通过线聚焦太阳能真空集热管集热，获取近4 0 0 。c 左 右的热量，然后借助高温导热油导热，通过常规换热技术获得蒸汽，或直接获取饱和 蒸汽推动汽轮发电机组发电。由于该电站所要求的集热器工况温度和压力相对较低， 可以利用较为成熟的换热设备和发电技术。与目前仅能用于小规模电力补充的太阳能 光伏发电技术相比，太阳能热发电可以适应于大规模工业化应用。因此，太阳能热发 电单位投资成本低，要比目前利用光伏技术发电成本低5 1 0 倍，受到国内外广泛关 注和重视，该技术被认为最有可能跟风力发电一样产生能与化石燃料发电经济上相竞 争的电能，是除风电之外最有前途的可再生能源规模利用发电技术【2 j 。 图1 1 是抛物面槽式太阳能热发电流程图，系统包括四个主要单元：聚焦器( 抛 物面槽式反射镜) 、接收器、热量的传输和存储、能量转换系统【3 j 。其中抛物面槽式 反射器和太阳光接收器与太阳位置传感器、机械跟踪机构、及输配管路一起组成抛物 槽太阳能集热器，如图1 2 所示。抛物反射镜将阳光聚焦在一条直线上，安置在焦点 线上的接受器吸收被聚焦的太阳能辐射，接受器金属管内导热油的被加热。通过热交 换器，高温导热油将水加热变成蒸汽，最后蒸汽到汽轮机驱动发电机发电。 第一章绪论图1 1 抛物面槽式太阳热发电流程图f i g 1 一ls o l a rp a r a b o l i ct r o u g hs y s t e ms c h e m a t i c图1 - 2 抛物面槽式集热器f 逸1 - 2s o l a rp a r a b o l i ct r o u g hr e c e i v e r1 2 不同类型太阳能真空接收器的结构及特点线聚焦太阳能真空接收器 4 1 是实现和建立抛物面槽式中高温太阳能集热装置的关键部件，代表着太阳能真空集热管和太阳能热利用的发展方向。线聚焦太阳能真空接收器涉及多学科的高科技产品，其吸收太阳光效率和运行可靠性直接影响到抛物面槽式太阳能热发电的成本。受到国内技术发展水平和现状的制约，目前存在的主要问2 硕士学位论天 题是接收器使用寿命短和真空度保持时间不长( 仅两年左右) ，这些问题直接与接收 器的玻璃与金属封装接头的力学性能相关，因此，真正实现线聚焦太阳能接收器的工 程化和产业化，还需要不断探索。 目前用于抛物面槽式太阳能热发电的真空接受器的结构如图1 3 所示，同心玻璃 管内的金属圆管表面通过磁溅射涂有光谱选择性涂层，夹层内抽成真空以最大限度地 减少对流热损失。导热油循环通过接收器的吸收管时，被反射器会聚的太阳光加热到 3 5 0 0 c 以上，若采用合成油则可被加热到4 0 0 0 c ；因此4 m 长的金属管热膨胀很大， 需通过两个端部的膨胀节来吸收。两个膨胀节由科瓦铁镍钴合金( k o v a r ) 过渡与玻 璃扩散封接，因此接受器的玻璃与金属扩散焊封装接头将受到较大拉应力和交变载荷 的作用( 白天与黑夜) 5 1 。 图1 - 3 太阳能接收器的结构 f i g 1 - 3s t r u c t u r eo f t h es o l a rr e c e i v e r 国外已经投产的太阳能热发电站大多采用如图卜4 所示的双回路系统t 6 1 ：一回路 为吸热回路，工质为导热油；二回路为水一蒸汽回路，工质为水。工作过程为：高温 真空接收器将槽型抛物面聚光器收集到的太阳光由光能转化为热能，加热真空接收器 内流动的工质导热油；导热油一水蒸汽换热子系统，有三台换热器组成，即预热器、 蒸汽发生器和过热器，导热油在该系统中将热量传递给水，产生过热蒸汽；过热蒸汽 汽轮发电子系统中将热能转化为动能，并产生电能，从汽轮发电机组出来的蒸汽经处 理后，重新回到换热子系统的换热器内循环使用。这种双回路系统结构复杂、效率低、 成本也较高，因此，世界许多科研机构致力于开发单回路槽新型式太阳能热发电系统， 即直接用水作吸热介质的d s g ( d i r e c ts t e a mg e n e r a t i o n ) 系统，如图卜5 所示。与 双回路系统相比，d s g 系统省去了换热环节。目前过热蒸汽的工作参数已经达到4 0 0 3 第一章绪论 、1 0 m p a t 7 1 。其中：1 、真空接收器部分；2 、蓄热部分；3 、辅助能源部分；4 、汽 轮发电部分；5 、导热油水蒸汽换热部分。 图1 4 双回路系统 f i g 1 - 4d o u b l e l o o ps y s t e m 图1 - 5d s g 系统 f i g 1 - 5d s gs y s t e m d s g 系统的优点：( 1 ) 效率高：效率提高的原因是减少了系统在产生蒸汽的过 程中的热损失。d s g 系统较双回路系统少了中间换热环节，从而提高了系统的转换 效率。( 2 ) 费用低：直接由水产生蒸汽发电所需要的费用相对用油作为介质的电站来 讲费用大为降低，因为在用油作为介质的电站中为了在降低油水转换环节产生的热 损失需要大量费用，还需要建立火灾防御系统、储油罐等都需要花费大量的资金。另 外省去了许多换热设备，节省了资金。 d s g 系统的缺点：( 1 ) 为了应对d s g 系统所产生的高压以及低流速问题，需要 对系统作出很大的调整。( 2 ) 控制系统会比较复杂，且在电站布置以及集热器倾斜角 度方面也会很复杂，而且储存热能会很困难。( 3 ) 当沸水流入接收器时，或者接收器 的倾斜率达到边界状态时两相流产生的层流现象发生的机率便会增加，接收器会由于 压力问题发生变形并会引起永久性变形或者会造成玻璃和金属的焊缝破裂。 为了能开发出适用于d s g 系统的线聚焦太阳能真空接收器，本课题根据d s g 系 4 硕士学位论文 统的特点，研究了一种新型太阳能真空接收器，其结构示意图如图1 - 6 ( a ) 和( b ) 所示。与直通管式太阳能真空接收器类似，这种应用于d s g 系统的新型太阳能接收 器在工作过程中同样由于受到较大拉应力和交变的变载荷作用，并且要保持较高的真 空度，这对接受器的玻璃与金属间的封装提出了很高的要求【8 】。目前，有关其制造工 艺以及使用后真空度保持时间以及疲劳寿命评价文献报道几乎是空白。因此，接受器 的关键技术就是玻璃与金属高质量封装。 可 阳光入射方向 ( b ) 图1 - 6d s g 系统板翅式太阳能接收器 f i g 1 6t h ep l a t e f i ts t r u c t u r es o l a rr e c e i v e ro fd s gs y s t e m 1 3 玻璃和金属常用焊接方法及面临的问题 料层 1 3 1 玻璃和金属的钎焊连接 ( 1 ) 间接钎焊法 间接钎焊法又称为两步法【9 1 ，首先需要实现玻璃表面的金属化，本文主要是通过 化学镀的方法来实现玻璃表面的金属化，金属化的目的是为了改善非活性钎料对非金 5 第一章绪论 属的润湿性，另外预金属化还可以用于高温钎焊时保护非金属不发生分解而产生空 洞，然后再进行常规的钎焊，通过玻璃表面的化学镀层、钎料来完成玻璃和金属的钎 焊连接。玻璃表面金属化是其中较为关键的技术。 ( 2 ) 直接钎焊法 直接钎焊法是指在钎料粉中加入一些活性元素，利用活性元素与玻璃的反应将金 属与玻璃直接钎焊起来，这一方法也称为活性钎焊法。国内外诸多学者的研究结果表 明：利用活性钎料直接钎焊非金属与金属可以获得良好的接头。这种方法是在钎料中 加入过渡元素如t i 、z r 、h f , n b 、t a 等，这些化学活泼性很强的过渡元素，很容易 与非金属产生反应表现出与金属相同的结构，因此可以被融化的金属润湿。活性钎料 可分为低温、中温、高温活性钎料【1 0 1 。 1 3 2 玻璃和金属的扩散焊连接 扩散焊连接是一种对同种或异种金属、合金和非全属材料进行连接的工艺过程， 它是在一定的时间范围内，通过加压和加热使接触面之间的原子处于高度激活状态并 相互扩散，在界面处形成金属键或化学键来实现连接的【l l 】。需要连接的表面应该十分 平整和清洁。 高硼硅玻璃和k o v a r 合金( f e c o - n i 合金) 是近年来玻璃和金属焊接的常用材料， 其中k o v a r 合金与硼硅玻璃有较为接近的膨胀系数。在玻璃和金属扩散焊连接时，只 有在金属表面上有一层氧化膜与其表面牢固结合，才能形成牢固的接头。在此情况下， 在焊接过程中形成金属原子过渡层，过渡层含有金属离子共价键以及氧原子，它们部 分地与玻璃的组织相连。因此，金属合金预氧化处理并在其表面形成一定厚度的氧化 膜对于整个焊接过程显得尤为关键。 1 3 3 玻璃和金属连接存在的问题 由于玻璃材料和金属原子之间存在本质上的差异，加上玻璃本身特殊的物理化学 性能，因此，玻璃和金属连接还存在不少问题： ( 1 ) 玻璃和金属由于热膨胀系数差异很大和钎焊接头界面组织结构的不均匀性， 焊后在接头玻璃侧的边缘处会产生很大的残余应力，严重影响了接头的强度1 3 】。如何 准确地测量和计算残余应力的大小和分布是玻璃和金属连接中的一个重要问题。 ( 2 ) 在玻璃和金属的焊接界面处，由于玻璃与金属在焊接结合界面间存在着原 6 硕士学位论文 子结构能级的差异，玻璃与金属之间是通过过渡层( 扩散层或反应层) 焊合的。两种 材料间的界面焊合反应对接头的形成和性能影响极大1 4 】。 ( 3 ) 玻璃材料主要由离子键和共价键结合，表现出非常稳定的电子配对，通过 熔焊使金属与玻璃产生接触通常是不可能，也很难被熔化的钎料所润湿【1 5 】，这就需要 根据母材属性和焊接工艺，选择合适的钎料和适当的钎料厚度来提高钎料对玻璃的润 湿性和钎焊接头的强度。 1 4 玻璃与金属封接技术的国内外研究现状 早在十九世纪二十年代，人们就利用铂和软玻璃进行了封接试验【1 6 】。随着近代科 学技术的进展，玻璃的封接已经成为电子、仪器仪表、家电、医疗、照明、军工等行 业必不可少的技术，直到今天，玻璃与金属封接技术在太阳能热力发电中也得到广泛 应用【1 7 】。同时，对封接制品的强度、可靠性、气密性要求也日益提高。 1 4 1 国外研究现状 二十世纪六十年代n o t i s 用以铁、钴、镍为主要成分的金属合金与玻璃进行封接， 并进行了脱碳试验研究【1 8 】。a b e n d r o t hp 等人也用以铁、钴、镍成分的合金与玻 璃进行封接，并通过氧化手段在金属表面形成氧化膜，然后与玻璃形成粘接性的熔焊 封接。前苏联学者p i s a r e n k o 等人对玻璃与金属强度进行了初步的设计研究口0 1 。同 期问，对主要用在i c 集成电路、电子晶体管等电子封装部件的玻璃金属封接工艺方 法，意大利人j o h n 和l o u i s 通过金相试验观察了c o m i n g7 0 5 2 玻璃与a s t mf 15 合 金的匹配封接接头微观区域，提出了在金属表面进行预氧化的建议【2 l 】。 八十年代初期y e x t 等人通过系统性的研究，提出通过控制炉内气体成分组成的 方法可以提高玻璃与金属的封接性能2 2 1 。b u c k 、e l l i s o n 和k i n g 等人提出在氮气环境 中实现玻璃与金属的封接【2 3 1 。美国康奈提格州联合碳化物公司( u n i o nc a r b i d e c o r p o r a t i o n ) 的两位工作人员s c h m i d t ，j e r o m e ，c a r t e r ，j e r r y 成功地在氮气氛围对硼 硅玻璃与可发合金进行了封接，主要应用于电子微电路的封装1 2 4 1 。t h o m a si i 等人通 过控制气体成分来实现金属表面氧化成膜，进而完成玻璃与金属的封接工艺2 5 1 。 k o k i n i 和k l o d 对应用在微电子产品条件下的玻璃与金属封装经受瞬间热应力，分别 在有盖和无盖两种情况下进行热力冲击试验，针对两种情况进行评价和比较口6 1 。 7 第一章绪论 g o n t a r o v s k i i 等人对玻璃与金属焊接接头低温下的强度进行了理论模型分析2 7 1 。到了 九十年代末期，前苏联学者s e l c uka 、a t k i n s o na 、s e n e r v e ra n 姬d 等人对 玻璃与金属焊接强度又做了进一步研究，并对焊接接头进行了强度试验测试【2 8 1 。等离 子喷涂的方法对玻璃和3 0 4 不锈钢进行焊接，中间层为a 1 2 0 3 t i 0 2 n i c r - a 1 y ，焊接 温度为1 0 0 0 。c 并在空气氛围中进行焊接【2 9 】。l e i c h t f r i e d 等人在钼合金对玻璃与金属封 接中的作用作了深入研究，分别讨论了钼丝与硬玻璃匹配封接、钼丝带与石英玻璃进 行软金属封接，分析了含钼氧化物在不同比例下对封接质量的影响3 0 1 。p h u s s a i n 【3 1 】 等对s i a l o n 陶瓷与铁素体和奥氏体不锈钢进行直接扩散焊接。由于材料之间的相互反 应和扩散，测试分析表明：s i a l o n 与铁素体钢之间形成了韧性很好的界面，从而缓和 了s i a l o n 与铁素体钢之间的热性能不匹配。而s i a l o n 陶瓷与奥氏体不锈钢之间没有形 成韧性层，因而s i a l o n 与铁素体不锈钢的连接比奥氏体不锈钢成功得多。为了提高玻 璃与金属封接在电子封装工艺中的密封性能，美国新墨西哥州s a n d i a 国家实验室的 s u s a n 等针对玻璃与金属封接进行了有限元分析，并对材料的模型和设计进行了评估 1 3 2 。最后采用3 0 4 不锈钢与s c h o t ts - 8 0 6 1 玻璃以及5 2 型合金烧针进行焊接，针对在 焊接过程中材料的机械性能发生变化，提出了一些材料和设计方面的优化建议。并且 通过金相显微镜、电子扫面电镜，电子探测微量分析( e p m a ) 等手段对玻璃预氧化 面、金属断面、焊接界面等方面进行微观分析 3 3 1 。 近年来，德国的s c h o t t 和以色列的s o l e l 两大公司制造了应用于太阳能热力发电 中的太阳能真空吸收管，已经批量投入实际生产当中。两公司的玻璃与金属的焊接技 术也满足太阳能发电中太阳光真空吸收管的工作性能要求，但是其核心技术并没有对 外公开，文献中也鲜有相关报道【3 4 1 。 1 4 2 国内研究现状 上个世纪的九十年代初期，中国科学院上海硅酸盐研究所的马英仁先生对封接玻 璃的要求及适于封接的金属、玻璃封接的条件及金属的氧化、影响玻璃封接的因素等 方面做了多方面的阐述【3 5 】。汪建华等阳采用三维热弹塑性有限元法对焊接过程中的 动态应力应变及焊后残余应力和变形进行了数值模拟，探讨了影响三维焊接热弹塑性 有限元分析精度和收敛性的因素，同时对三维瞬态焊接温度场进行了有限元模拟与计 算，认为焊接温度场均属于典型的非线性瞬态热传导问题。 r 硕士学位论父 胡忠武等人发表学术论文介绍氧化膜对玻璃一k o v a r 合金封接的影响3 7 1 。他们认 为常规的玻璃与金属封接的机理就是依靠金属表面生成的金属氧化物在牢固地附着 在金属表面的同时，又能溶解到熔化的玻璃中，在金属氧化层与玻璃之间形成一个成 分渐变的过渡层，该过渡层把玻璃和金属氧化层紧紧地粘结在一起，实现玻璃和金属 的封接。对可发合金待焊接表面进行预氧化处理后，其表面氧化膜主要由铁的氧化物 组成3 引，从内到外依次是f e o 、f e 3 0 4 、f e 2 0 3 ，其中f e 3 0 4 和f e o 结构致密且与玻 璃和金属结合紧密，能使封接致密，而f e 2 0 3 的结构疏松，粘附性差，封接后容易 漏气【3 9 1 ，故而认为氧化膜的厚度、氧化膜中不同氧化物的比率h 0 1 等均对封接件质量 产生影响，特别是氧化膜的厚度对封接件的透气率、强度等有着至关重要的作用。当 氧化膜过薄时，封接时氧化层完全熔于玻璃，造成玻璃与金属基体表面的直接封接， 使封接强度下降；氧化膜过厚，造成金属表面残留较厚的氧化膜，封接件易发生漏气 现象，影响其气密性1 4 。 孟庆森教授在玻璃与金属阳极键合技术做了相关研究，主要方向是金属与硼硅玻 璃场致扩散连接形成机理研究。利用金属导电性好，强度高等特点，通过阳极键合方 法对玻璃与金属进行连接己广泛应用于传感器的装配、密封及包装4 2 1 。陈铮和董师润 在玻璃与k o v a r 合金电场辅助阳极连接时紧密接触面积扩大过程的动力学方面作了 一定的研究【4 3 1 。他们的研究与孟庆森教授的研究皆属于同一类型，即场致扩散连接 ( f i e l d a s s i s t e dd i f f u s i o nb o n d i n g ) 。f d b 作为金属陶瓷在静电场中固相热扩散连接 的一种特殊方法，具有温度低、压力低、快速和简便等工艺特点。沈卓身教授等人发 表文献，阐述了高温湿氢脱碳对玻璃金属封接质量的影响、可伐合金在模拟现场n 2 和h 2 0 二元气氛下的氧化行为，他们在金属玻璃封接中可伐合金4 j 2 9 的氧化研究等 方面也做了初步的研究和探讨【4 4 1 。 中国科学院电工研究所的雷东强等人发表文献，阐述了利用解析法和有限元软件 a n a s y s 分别计算和模拟分析了玻璃和金属搭接长度、玻璃和金属焊接接头形式、 母材厚度等影响因素对玻璃和金属焊接残余应力的影响。并运用光弹性法测量了焊接 试件内部的残余应力，其结果与解析法计算得到和有限元软件a n a s y s 数值模拟得 到的残余应力结果相吻合4 5 棚1 。 总结国内外研究现状和发表的相关文献报道可知，目前玻璃与金属封装研究是针 9 第一章绪论 对电子封装的，对接头抗拉强度和疲劳性能要求比太阳光真空接受器低。而且封接工 艺大多并没有在真空中进行，而是在空气和氮气中。在空气中，仅是对可伐合金铁镍 钴采用预氧化或等离子喷涂，在扩散界面上形成过渡层，这种界面含有金属化合物的 封接接头的抗拉强度比较低。因此，现有已报道的玻璃与金属封装技术无法满足抛物 面槽式太阳能热发电中太阳能接受器的要求。 总之，在真空中实现玻璃与金属焊接封装的相关技术文献鲜有报道，对封装接头 的抗拉强度、疲劳强度、寿命评价、真空度保持时间的研究几乎是空白，对焊接冷却 后接头残余应力的有限元模拟和测量研究也不深入，对焊接接头微观组织与焊接接头 宏观力学性能之间的联系研究也比较少。 1 5 本文主要研究内容 本文设计一种新型高温真空接收器模型，其能够应用于采用了d s g 技术的槽式 热发电系统。与直通式高温真空集热管一样，这种新型接收器工作在聚光环境中，在 高温、高压下，玻璃和金属的封接处承受着较大拉应力和交变的变载荷作用，为了优 化新型接收器结构，有效降低玻璃和金属封接接头的残余应力，本文的具体研究工作 如下： ( 1 ) 玻璃与金属真空钎焊影响参数及d s g 系统板翅式太阳能接受器钎焊残余应 力的有限元分析 运用有限元软件a b a q u s ，以热弹塑性理论为基础，采用二维简化模型分析平 板玻璃和金属在真空钎焊条件下的残余应力分布，讨论玻璃、金属、钎料厚度，钎焊 压力和钎焊温度等因素对应力集中区域残余应力的影响。通过建立d s g 系统板翅式 太阳能接收器三维模型，进一步分析对模型抽真空处理后，焊缝和玻璃板上的残余应 力分布情况。 ( 2 ) d s g 系统板翅式太阳能接收器结构设计及母材真空钎焊前处理工艺的改进 根据d s g 系统太阳能真空接收器的结构形式，优化设计接收器的结构尺寸，特 别是在接收器内部增加翅片结构，可以提高接收器的吸热效率。对比以前的钎焊材料 前处理工艺，对钎焊材料前处理工艺进行适当的改进。 ( 3 ) d s g 系统板翅式太阳能接收器真空钎焊及接头实验研究 1 0 硕士学位论文 进行d s g 系统板翅式太阳能接收器真空钎焊实验，通过对接收器模型抽真空试 验，检测不同钎料厚度所焊接形成的硼硅玻璃和可伐合金钎焊接头