外掺TiO2铁封玻璃性能研究

引言SiO2-TiO2-SrO-R2O系列铁封玻璃易于流散和润湿，封接效果较好，其中R2O含量（15%~17%）较高，封接温度相对较低，封接后玻璃沿插针爬高部分易成纺锤形，该结构不仅增加了沿面距离，而且更有利于承受外部应力的冲击，从而提高绝缘子的耐击穿电压和机械强度，但由于碱金属氧化物含量增加，玻璃的网络结构受到更大程度的破坏，使得化学键断裂加剧、网络结构松散，因而提高了玻璃中Na+、K+导电离子的迁移率，致使封接玻璃的抗热冲击性能下降。本文在一款SiO2-TiO2-SrO-R2O铁封玻璃粉基础上外加TiO2，研究外掺TiO2对铁封玻璃粉封接性能及其韧性的影响。实验（1）实验原料。制备一款SiO2-TiO2-SrO-R2O体系铁封玻璃粉，玻璃氧化物设计组成见表1。称取相应分析纯原料按比例配制并混合均匀，配得200g配合料，放置于200mL刚玉坩埚中，放入硅钼棒升降炉中进行熔制，在1500℃下保温2h。采用水淬出料，然后进行烘干、球磨，筛分，制得约100目玻璃粉备用。为研究外掺TiO2氧化物对玻璃封接性能的影响，分别在上述制备的玻璃粉中加入不同比例的TiO2，具体外掺比例见表2。

（2）样品制备。称取聚乙烯醇缩丁醛和无水乙醇，按照一定比例配置粘结剂，将配好的粘结剂与上述混合粉体一次性混合均匀，部分压制成直径为10mm、高3mm圆柱形。将压制好的胚体在600~640℃进行烧结处理，实现排胶并使坯体致密化，放置在45#低碳钢片上在900~960℃进行高温封接。结果与讨论（1）润湿性能研究。SiO2-TiO2-SrO-R2O系列铁封玻璃的特点就是润湿性能好，封接时玻璃易于流散浸润。所以外掺TiO2的同时，要保证封接时玻璃的高流散性，表3为各样品高温封接时的润湿角。表3样品封接时的润湿角从表3可以看出，样品的润湿角随着外掺TiO2比例的增加数值逐渐上升，在≤6%范围内，其润湿角的增加值很小，其封接浸润性相差不大，而当其比例为9%和12%，其润湿角上升较大，分别达到33.7°和51.7°，这样的浸润性不足以支撑其在封接时形成纺锤体，将大大降低绝缘子的耐击穿电压和机械强度，因此外掺TiO2的比例不宜＞6%。图1为测试后样品的俯视图。图1样品封接后的俯视图从图1中可以看出，随着外掺氧化物的增加，A、B、C、D四个样品边缘圆润，玻璃润湿面积整体变化不大，而E、F样品浸润摊平面积较小，边缘不是很圆润。D样品表面出现部分棕色花纹，且随着外掺TiO2的比例增加其表面棕色花纹出现增多趋势，故猜测当外掺TiO2比例≥6%时有晶体析出，且随着TiO2的比例增加晶体析出量呈上涨趋势。晶体的析出，增大了玻璃液的黏度，降低了玻璃封接润湿性。（2）XRD测试分析。对经过高温封接后的样品进行XRD分析，如图2所示。A、B、C样品没有明显的衍射峰，无晶体析出，而C、D、F析出的主晶相为金红石，且随着外掺氧化物的增加其衍射峰明显增加，与上述猜测相吻合，随着外掺TiO2的比例增加到≥6%时，析出金红石（72-1148），且随着外掺氧化物的增加其晶体析出量不断增大。（3）断裂韧性测试分析。图3为样品断裂韧性测试图。图2样品封接热处理后的XRD图图3样品断裂韧性测试图从图3可以看出，未外掺TiO2的封接样品经过断裂韧性测试后表面压痕很深，开裂条纹较长、较深，随着外掺TiO2的比例增加，测试压痕逐渐变小，开裂条纹逐渐变短、变浅。金红石晶体结构是以［TiO6］八面体为基础的晶体结构，［TiO6］八面体彼此共棱形成了沿c轴延伸的比较稳定的八面体链，链接则以［TiO6］八面体共用角顶相联结，金红石晶体的析出会大大提升封接玻璃的断裂韧性。（4）微观形貌分析。图4为对不同外掺TiO2比例的玻璃样品封接后的微观形貌测试图。图4样品的微观形貌从图4中可以看出，在外掺TiO2比例≤3%时，没有明显的晶相生成。而当外掺TiO2比例为6%时，观察到有晶体生成，呈条状排列，随着外掺TiO2比例的增加，晶体析出量增加，晶体颗粒增大。从上述测试分析可知，析出为金红石晶体，金红石晶体为四方柱状或针状晶相，同时还具有平行延长方向的解理。金红石还常见膝状双晶，集合体多为致密块状（图4F），金红石晶体的颜色多为黄色到褐色，表面呈现条痕状，具有金属光泽，和图1显示一致。结论以TiO2为外掺氧化物，添加到SiO2-TiO2-SrO-R2O系列铁封玻璃粉中，研究不同外掺氧化物比例对其封接性能的影响，得出：（1）外掺氧化物比例≤3%时，封接过程中观察不到有明显晶体析出；当外掺氧化物≥6%，封接过程中有明显晶体析出，其主晶相为金红石，且随着外掺氧化物比例的增加，析出晶体量明显增加。（2）随着封接过程中晶体析出的比例增加，样