玻璃与金属封接过程中气孔率和玻璃飞溅_罗大为

1、 第7 期 罗大为等： 玻璃与金属封接过程中气孔率和玻璃飞溅 · 861· 图9 Fig 9 氧化膜厚度对玻璃绝缘子中气孔率（ a） 和最大气泡直径（ b） 的影响 Effects of oxidesthickness on gas porosity （ a） and the biggest diameter of bubbles （ b） in the glass insulator 两个级别 （ 3 ） 当玻璃与具有 Fe3 O4 氧化膜的可伐 合金熔封时， 飞溅程度比其他三种氧化膜严重 （ 4 ） 表2 Table 2 1 熔封气氛 N2 + 2% H2 N2 + 1

2、% H2 工厂条件 N2 N2 + 1% H2 O N2 + 2% H2 O 飞溅情况 A A C E F F 2 熔封温度 / 900 930 950 980 1 000 1 030 飞溅情况 C C C C C C 氧化膜厚度对玻璃飞溅影响也很大， 随着氧化膜厚 度的增加而变得严重 玻璃与可伐合金在不同工艺条件下的玻璃飞溅 Glass sputtering on Kovar alloy in different conditions 3 熔封时间 / min 5 10 20 30 40 50 60 飞溅情况 C C D D D D D 4 氧化膜类型 FeO Fe3 O4 FeO + Fe

3、3 O4 Fe3 O4 + Fe2 O3 5 飞溅情况 氧化膜厚度 / m 飞溅情况 C D C C 0. 2 0. 5 1 2 3 B B C E F 结果表明玻璃飞溅与玻璃绝缘子中的气泡有一 定的关系 当玻璃绝缘子中气孔率较低时， 玻璃飞 溅程度较轻； 反之亦然 玻璃绝缘子中大量气泡的 存在， 引起气泡在熔融玻璃中上浮， 到表面时破裂， 导致玻璃飞溅附着在底盘表面， 形成玻璃飞溅 2. 7 减少玻璃绝缘子中气孔率以及玻璃飞溅的途径 对于一定的可伐合金和玻坯， 封接后得到的封 接件中玻璃绝缘子中的气泡既有可能来自于金属零 件本身含有的碳、 硫和气体等杂质或者吸附的潮气 和污染物， 又有可能来

4、自于玻坯中未完全排尽的有 还有可能来自于熔封过程中新产生的气体 机物， CO、 CO2 、 因而玻璃绝缘子中气泡的成分可能有 O2 、 N2 、 SO2 和水蒸气等 但是， 无论是哪种气体， 它们 最终在玻璃绝缘子中形成气泡都是因为气体没有完 全并及时地从熔融玻璃中逸出而残留在玻璃液中 研究结果表明有两个因素影响着玻璃绝缘子中 的气泡含量： 一个是熔封过程中新产生的气体 ； 另一 个是气泡在熔封过程中的长大和逸出 在可伐合金 Fe3 O4 及 Fe2 O3 三种氧化物 表面可能生成的 FeO、 FeO 与 SiO2 发生化学反应但不生成气体， Fe2 O3 中， 不能与 SiO2 发生化学反应

5、， 而 Fe3 O4 与 SiO2 发生化 学反应生成 O2 气体 因此， 可以考虑控制可伐合金 表面的氧化膜更薄或者生成不包含 Fe3 O4 的氧化 膜， 同时应采用弱还原性的熔封气氛以保证生成的 O2 能够更容易逸出 熔封温度和熔封时间对熔融 玻璃中气泡的长大和逸出也有很大影响 熔封温度 升高可以引起气泡长大， 但也导致玻璃黏度减小而 使得气泡更容易逸出 熔封时间对气泡的影响也不 是单方面的， 随着熔封时间的延长， 在导致气泡长大 的同时也可以让气泡逸出 从减少气孔率的角度考 虑， 推荐的工艺条件是在可伐合金表面得到厚度约 1 m 的 FeO 氧化膜， 然后与玻坯在 950 工厂条件 此时

6、可以使得玻璃绝缘子中 的气氛中熔封 40 min， 的气孔率仅为 3. 12% 熔封气氛和氧化膜的厚度对玻璃飞溅的影响程 度最大 事实上， 当在氧化性气氛中熔封时， 无形中 将导致氧化膜厚度增加， 即熔封气氛对可伐合金表 面氧化膜厚度产生了影响 当在还原性气氛中熔封 · 862· 北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 时， 可伐合金表面的氧化膜会逐渐被还原 ， 此时玻璃 ， 绝缘子中气泡即使破裂飞溅到底盘表面 但由于玻 璃与金属完全不能润湿， 也会使得玻璃无法附着在 底盘表面而形成玻璃飞溅物 相反， 如果底盘表面 氧化膜在玻璃从绝缘子中飞溅之前还存在 ， 玻璃会 与

7、氧化膜紧紧结合， 因而会表现出在底盘周围呈现 规则的玻璃小碎粒 如果氧化膜很厚， 在化学反应 的驱动下， 熔融玻璃会沿着底盘孔四周向外铺展形 甚至引起玻璃完全向外溢出 成类似晕圈的东西， 当采用工厂条件进行熔封时， 虽然密闭空间中 可能存在氧化性气氛， 如氧气和水蒸气， 但由于大量 石墨的存在， 将导致石墨的不完全氧化而生成还原 性气氛， 如 CO 和 H2 由于还原能力毕竟有限， 当氧 化膜相对较薄时， 可以在玻璃飞溅之前完全将氧化 因而不会在底盘表面形成玻璃飞溅物 膜完全去除， ， 但是 当氧化膜较厚时， 熔融玻璃在化学反应驱动下 甚至也可能溢出 因此， 减少熔封过程中玻璃绝缘子中气泡的产

8、 生也可减轻玻璃飞溅的程度 综合考虑气孔率和玻 璃飞溅的要求， 推荐的生产工艺条件是在可伐合金 然后与玻坯 表面得到厚度约 1 m 的 FeO 氧化膜， 在 950 980 工厂条件的气氛中熔封 30 40 min SiO2 发生化学反应产生气体是玻璃绝缘子中气泡 的一个重要来源， 应尽量减少可伐合金表面 Fe3 O4 氧化物的数量 （ 5 ） 推荐的工艺条件是在可伐合金表面生成厚 度约 1 m 的 FeO 氧 化 膜， 然 后 与 玻 坯 在 950 980 工厂条件的气氛中熔封 30 40 min 参 考 文 献 1 Chern T S，Tsai H L Wetting and seali

9、ng of interface between 7056 Glass and Kovar alloy Mater Chem Phys，2007 ，104 （ 2 / 3 ） ： 472 2 Donald I W Preparation，properties and chemistry of glass- and glassceramictometal seals and coatings J Mater Sci，1993 ，28 （ 11 ） ： 2841 3 Petrov S V，Yurasov B D Glassmetal seals： the role and conditions of

10、 metal annealing before sealing to glass Instrum Exp Tech， 2004 ， 47 （ 1 ） ： 133 4 Zhang X F Study of getting rid of carbon for sealing alloys： method of bubbles between glasssealing layer and exhausting tube on 2000 （ 3 ） ： 51 anode of the switch tube Vac Electron， （ 张新富 封接合金脱碳工艺的研究： 某调制管阳极上的排气 管与玻

11、璃封接层气泡质量问题的解决措施 真空电子技术， 2000 （ 3 ） ： 51 ） 5 Luo D W，Shen Z S，Yang H，et al Effects of decarburization at high temperature in humid hydrogen on glasstometal sealing Metal Heat Treat， 2008 ， 33 （ 9 ） ： 24 -金属封接 （ 罗大为， 沈卓身， 杨鸿， 等 高温湿氢脱碳对玻璃2008 ， 33 （ 9 ） ： 24 ） 质量的影响 金属热处理， 6 Luo D W，Shen Z S Oxidation

12、behavior of kovar alloy in controlled atmosphere Acta Metall Sin， 2008 ， 21 （ 6 ） ： 409 7 Luo D W，Shen Z S Wetting and spreading behavior of borosilicate glass on Kovar J Alloys Compd， 2009 ， 477 （ 1 /2 ） ： 407 8 Tong H L， Han L Prevention and control of bubbles in glass insu2002 ， 22 （ 3 ） ： 39 lat

13、or Electromech Compon， （ 同红莲，韩林 玻璃绝缘子气泡的预防和控制 机电元件， 2002 ， 22 （ 3 ） ： 39 ） 9 Luo D W，Shen Z S Process optimization for glass to Kovar sealing J Univ Sci Technol Beijing， 2009 ， 31 （ 1 ） ： 62 （ 罗大为，沈卓身 可伐合金与玻璃封接工艺的优化 北京科 2009 ， 31 （ 1 ） ： 62 ） 技大学学报， 3 结论 （ 1 ） 玻璃绝缘子中的气孔率与外壳底盘表面的 飞溅程度有一定的关系 玻璃绝缘子中气孔率越 高， 底盘表面的玻