預氧化對玻璃—鉬封接性能的影響

馮慶++華斯嘉++賈波++梁力

摘 要：文章主要研究了金屬鉬的預氧化對玻璃-鉬封接組件性能的影響，將一組金屬鉬極柱在550℃下預氧化15min，另一組金屬鉬極柱不做處理，隨后，在相同的條件下與玻璃進行封接實驗。結果表明，預氧化的鉬極柱與玻璃封接成組件后具有良好的微觀界面形貌，其各項性能得到了顯著的提高。

關鍵詞：鉬極柱；預氧化；XS-04；玻璃-金屬封接

中圖分類號：TM215.7 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0024-02

1 概述

加熱無機玻璃，使其與預先氧化的金屬或合金表面達到良好的浸潤而緊密的結合在一起，隨后玻璃和金屬冷卻至室溫時，玻璃和金屬仍能牢固地封接在一起，即得到玻璃-金屬封接制品[1]。玻璃-金屬封接可分為匹配封接與非匹配封接，但不論哪種封接方式，封接過程中玻璃與金屬界面的良好封接是保證封接制品具有優異性能的關鍵[2]。因此，金屬材料的預氧化對金屬-玻璃組件的封接尤為重要。金屬材料經合理的預氧化后在其表層形成一層致密氧化膜，可顯著的改善金屬與玻璃的浸潤性，為玻璃-金屬的良好封接提供先決條件[3]。為了保證玻璃-金屬的良好封接，金屬預氧化時應該注意以下幾個方面[4]：（1）氧化層中氧化物的價態合理；（2）氧化層的厚度適中，且不能在反應過程中完全溶于玻璃；（3）氧化層應連續且致密無氣孔；（4）氧化層應與金屬基體結合牢固且與相應玻璃良好浸潤。

隨著對玻璃-金屬封接制品的使用要求越來越高，傳統的可伐合金-玻璃封接組件耐化學腐蝕性差、電流輸出密度低及弱磁性等特點使其應用受到了較大的限制。與可伐合金材料相比，金屬鉬兼具熱膨脹系數低、力學性能好、耐腐蝕性強及電流輸出密度高等特點[5]，是玻璃-金屬封接中一種較為優異的可選材料，成為當前玻璃-金屬封接領域研究的一大熱點。但金屬鉬存在難加工、與玻璃浸潤性差等缺點，在一定程度上限制了其應用。

本文采用非匹配封接方式，利用借助SEM及EDS等分析手段，研究了預氧化對玻璃-鉬封接性能的影響，以便改善金屬鉬與玻璃浸潤性，提高玻璃-鉬封接組件破壞強度、氣密性以及穩定性等。

2 實驗過程

將一組鉬極柱在550℃下預氧化15min，使其表面形成均勻連續且厚度合適的氧化物，另一組不做處理，隨后，將三者按相應次序組裝到石墨模具中，根據玻璃坯體XS-04的熱學性質在高溫擴散爐中將三者熔封，將所獲得封接組件清洗后烘干備用。

采用SEM分析方法觀察并對比預氧化及未預氧化鉬極柱與XS-04封接界面微觀形貌，分析兩者結合狀態；利用EDS分析未預氧化及預氧化鉬極柱與XS-04界面元素分布，探究鉬極柱與XS-04界面元素相對移動情況。分別利用電子拉力試樣機、核質譜檢漏儀對兩組樣品進行抗壓強度、氣密測試，每組取10個樣品，綜合分析兩組樣品的各項性能。

3 結果與討論

3.1 微觀結構分析

圖1為未預氧化（a）及預氧化（b）鉬極柱與XS-04封接界面SEM圖。從圖1（a）中可以看出，未預氧化鉬極柱與XS-04封接界面非常疏松，經切割拋磨后出現大面積脫落現象，表明其界面封接強度十分低，這是由于兩者之間較大的浸潤角降低了封接性能而造成。從圖1（b）中可以看出，鉬極柱預氧化后形成的表面氧化層在XS-04與鉬極柱之間形成良好的過渡層，預氧化鉬極柱與XS-04封接界面非常致密，經切割拋磨后未出現脫落現象，表明其界面封接強度較高。研究表明[1]，金屬鉬經氧化后表面氧化層中存在大量的離子鍵，使得其與玻璃之間的浸潤角大大降低，因而改善XS-04與鉬極柱之間封接界面，提高組件的封接性能。

圖2未預氧化（a）及預氧化（b）鉬極柱與XS-04封接界面EDS圖。從圖2（a）中可以看出，未預氧化鉬極柱與XS-04封接界面處元素分布較為雜亂，無明顯分布規律，這是由于兩者松散的結合界面經切割拋磨后產生部分脫落或移動而引起的。從圖2（b）中可以看出，預氧化鉬極柱與XS-04封接界面處元素分布比較規律，由XS-04→過渡層→Mo方向，玻璃中部分元素濃度逐漸平緩降低，而鉬元素濃度則逐漸平緩升高。預氧化后的鉬極柱表面形成具有一定厚度的均勻連續的氧化層，在封接過程中，氧化層在XS-04與XS-04之間充當中間過渡層的作用，為XS-04中元素以及元素的相對擴散提供了有利條件，這有助于提高XS-04與Mo結合能力。

3.2 抗壓強度、氣密以及化學穩定性測試

圖3未預氧化（a）及預氧化（b）鉬極柱與XS-04封接組件抗壓強度測試。由圖中可以看出，與未經預氧化的鉬極柱相比，經預氧化的鉬極柱與XS-04封接組件具有更高抗壓能力，兩者的平均值各為1965.2N和2175.9N，抗壓能力提高10%左右。同時，兩者方差分別為110和84.8，表明預氧化鉬極柱與XS-04封接組件的抗壓強度穩定性更好，可靠性更高。

表1未預氧化（a）及預氧化（b）鉬極柱與XS-04封接組件氣密測試。由表中可以看出，兩組封接組件的氣密測試都可以滿足n×10-10（n=1-9.9）的性能要求，但未預氧化（a）組中數值離散性較大，穩定性低于預氧化（b）組。

上述實驗測試結果表明，經預氧化的鉬極柱XS-04封接組件具有更高的抗壓強度、氣密性能，同時，組件各項的穩定性也得到了較大的提升。

4 結束語

本文成功地制備出力學、熱學及化學性能優異的玻璃-鉬封接組件。實驗結果表明，與未經預氧化的鉬極柱相比，經預氧化的鉬極柱表形成連續均勻致密氧化層，顯著改善了金屬鉬極柱與玻璃之間的浸潤性，在封接過程中充當鉬極柱與XS-04之間的過渡層，為元素之間的相互擴散提供了有力的保障，大大改善了封接界面的微觀組織形貌。在宏觀性能方面，與未經預氧化的鉬極柱相比，經預氧化的鉬極柱與XS-04的封接組件具有更高的抗壓強度及氣密性，且各項性能穩定性更高。

參考文獻：

[1]馬英仁.封接玻璃[J].玻璃與搪瓷.

[2]玻璃和金屬的封接[M].程文森，張省德，譯.國防工業出版社.

[3]J.C. Swearengen， R.J. Eagan. Mechanical properties of molibdenum-sealing glass-ceramics[J]. Journal of Materials science，11（1976）1857-1866.

[4]I.W. Donald，Glass-To-Metals Seals[M].The Society of Glass Technology，2009.

[5]韓強.鉬及其合金的氧化、防護與高溫應用[J].中國鋁業，2002，26（4）：32-34.

[6]G. Leichtfried， G. Thurner， R. Weirather. Molybdenum alloys for glass-to-metal seals[J]. Internation Journal of Refractory Metals and Hard Meterials， 16（1998）13-22.