真空集熱管金屬— 玻璃封接方法研究

陜西寶光真空電器股份有限公司 ■ 馬小斌 寧曉陽(yáng) 孫鈺崶

0 引言

太陽(yáng)能因具備無(wú)污染且“取之不盡、用之不竭”的優(yōu)勢(shì)而成為世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)。太陽(yáng)能真空集熱管是一種高效太陽(yáng)集熱元件，是接收太陽(yáng)光能并將其轉(zhuǎn)化為熱能的關(guān)鍵部件，由于其外玻璃管和內(nèi)鍍膜管之間保持真空，使得兩管間的熱對(duì)流損失大幅降低，提高了熱利用率。尤其是金屬-玻璃封接技術(shù)和高溫選擇性涂層技術(shù)的研究和應(yīng)用，使得太陽(yáng)能真空集熱管在中、高溫領(lǐng)域有了廣闊的工業(yè)化應(yīng)用前景。但金屬-玻璃封接是生產(chǎn)技術(shù)中的大難題，其封接質(zhì)量直接決定了集熱管的壽命和性能[1]。

在太陽(yáng)能集熱管封接中，主要采用火焰熔封技術(shù)完成金屬-玻璃的封接，即用火焰對(duì)金屬和玻璃需要封接的部分進(jìn)行局部加熱，使玻璃封接部分軟化并在金屬封接部分的表面流動(dòng)，在冷卻的過(guò)程中和金屬表面牢固結(jié)合。在室溫至玻璃軟化點(diǎn)的溫度范圍內(nèi)，匹配封接的金屬和玻璃材料的膨脹系數(shù)α應(yīng)相近，二者差值Δα不超過(guò)l0%，則應(yīng)力可控制在安全范圍內(nèi)。玻璃的加工溫度在玻璃的軟化點(diǎn)以上，金屬與玻璃的封接應(yīng)力可通過(guò)粘滯流動(dòng)迅速消除；而玻璃的加工溫度在軟化點(diǎn)以下時(shí)，由于金屬與玻璃的膨脹系數(shù)存在差值Δα，兩者之間封接應(yīng)力未被消除而存在于封接件中[2]。目前使用的金屬-玻璃封接方法有可伐合金與DM308玻璃直接封接、可伐合金與3.3硼硅酸鹽玻璃過(guò)渡封接、不銹鋼與3.3硼硅酸鹽玻璃直接封接等。

1 可伐合金與DM308玻璃直接封接

可伐合金是三元合金材料，主要成分為Fe、Co和Ni，膨脹系數(shù)在4.8×10-6/℃～5.0×10-6/℃之間。它可與鉬組玻璃封接，常用的是DM308等硬質(zhì)玻璃。DM308玻璃的膨脹系數(shù)也是在4.8×10-6/℃～5.0×10-6/℃范圍內(nèi)?？煞ズ辖鹋cDM308玻璃是很好的匹配封接材料，圖1為二者直接封接的端頭。

但是，DM308玻璃透光性差，容易失透發(fā)毛，化學(xué)性能也不穩(wěn)定，而集熱管的使用環(huán)境比較惡劣，需要適應(yīng)各種氣候的變化。因此，集熱管的外玻璃管不能使用DM308玻璃，而是一般將封接好的可伐合金和DM308玻璃端頭與4 m長(zhǎng)的5.0高硼硅酸鹽玻璃長(zhǎng)管封接成整管。5.0高硼硅酸鹽玻璃具有透光率好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，其膨脹系數(shù)約為5.0×10-6/℃，可以與DM308直接封接；但若直接將可伐合金與5.0高硼硅酸鹽玻璃封接，封接端頭應(yīng)力太大，玻璃容易炸裂。另外，國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟的5.0高硼硅酸鹽玻璃生產(chǎn)廠家，國(guó)外也只有德國(guó)肖特等個(gè)別的生產(chǎn)廠家能夠生產(chǎn)，因此，整體的封接成本較高。

圖1 可伐合金與DM308玻璃直接封接的端頭

2 可伐合金與3.3硼硅酸鹽玻璃過(guò)渡封接

相比DM308玻璃，3.3硼硅酸鹽玻璃具有耐高溫、強(qiáng)度高、透光率高和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；相比5.0高硼硅酸鹽玻璃，3.3硼硅酸鹽玻璃具有成本低、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

若用3.3硼硅酸鹽玻璃代替4 m長(zhǎng)的5.0高硼硅酸鹽玻璃做集熱管的外玻璃管，既可以保證使用性能，又降低了成本。但是，3.3硼硅酸鹽玻璃的膨脹系數(shù)為(3.3±0.1)×10-6/℃，和可伐合金的膨脹系數(shù)相差過(guò)大，兩者屬于非匹配封接，也叫應(yīng)力封接，應(yīng)力過(guò)大會(huì)直接影響封接件的密封性能。

避免非匹配封接影響密封性能的一種方式是采用中間玻璃遞級(jí)封接，也叫過(guò)渡封接。即用幾種不同膨脹系數(shù)的玻璃，以膨脹系數(shù)每段約降低10%的比率一段一段的封接，最后達(dá)到過(guò)渡玻璃分別與可伐合金和4 m長(zhǎng)的3.3硼硅酸鹽玻璃的膨脹系數(shù)接近的準(zhǔn)匹配封接。圖2為可伐合金與3.3硼硅酸鹽玻璃過(guò)渡封接的端頭。

圖2 可伐合金與3.3硼硅酸鹽玻璃過(guò)渡封接端頭

3 不銹鋼與3.3硼硅酸鹽玻璃直接封接

相比可伐合金，不銹鋼具有耐高溫、耐腐蝕、防銹、成本低等優(yōu)點(diǎn)，其膨脹系數(shù)為16.0×10-6/℃～19.0×10-6/℃。在封接過(guò)程中，由于兩者的膨脹系數(shù)相差太大，會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力，從而使封接件出現(xiàn)炸裂。為了避免這種情況，通過(guò)利用薄邊金屬的彈性變形來(lái)抵消封接中存在于玻璃中的應(yīng)力，從而避免由于熱應(yīng)力引起的封接處的炸裂。以色列的Solel公司在不改變材料的前提下，通過(guò)薄邊金屬與玻璃直接封接，也很好地解決了殘余應(yīng)力的問題[3-5]。

因此，在封接環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要確定合適厚度的薄邊，薄邊太厚，封接件容易炸裂；薄邊太薄，封接件耐久性差，封接強(qiáng)度欠佳。

封接過(guò)程首先是通過(guò)熱處理預(yù)先在不銹鋼表面形成一個(gè)氧化層，這個(gè)氧化層相當(dāng)于一個(gè)過(guò)渡層，而該過(guò)渡層的質(zhì)量會(huì)直接影響金屬-玻璃封接的氣密性。

圖3為不銹鋼與3.3硼硅酸鹽玻璃直接封接的端頭。

圖3 不銹鋼與3.3硼硅酸鹽玻璃直接封接的端頭

4 3種封接方式的性能對(duì)比

由于集熱管在使用時(shí)內(nèi)管里是傳熱流體，流體溫度可達(dá)300 ℃以上，而金屬比玻璃的導(dǎo)熱性能好，兩者受熱后會(huì)因?yàn)閭鳠崴俣群团蛎洺潭鹊牟煌瑢?dǎo)致端頭受過(guò)大熱應(yīng)力而炸裂。根據(jù)ISO-3585的要求，金屬-玻璃封接端頭的抗熱沖擊能力要達(dá)到210 ℃+ Ta(Ta為環(huán)境溫度)。因此，為了驗(yàn)證封接端頭的抗熱沖擊性能，需要進(jìn)行抗熱沖擊試驗(yàn)。

試驗(yàn)過(guò)程為：將封接端頭放入馬弗爐或烘箱加熱，初次加熱到210 ℃，保溫20 min后取出，放入溫度為室溫的水中；若未炸裂，從水中取出放入馬弗爐或烘箱繼續(xù)加熱到220 ℃，保溫20 min后再次拿出放入溫度為室溫的水中，看是否炸裂；若還未炸裂，可繼續(xù)升溫10 ℃加熱，重復(fù)前面的過(guò)程，直到炸裂為止。

事實(shí)上，抗熱沖擊試驗(yàn)是個(gè)破壞性試驗(yàn)。3種封接端頭各選1件，1#樣品為可伐合金與DM308玻璃直接封接的端頭，2#樣品為可伐合金與3.3硼硅酸鹽玻璃過(guò)渡封接的端頭，3#樣品為不銹鋼與3.3硼硅酸鹽玻璃直接封接的端頭。表1為3種樣品的抗熱沖擊試驗(yàn)結(jié)果，圖4為不同樣品抗熱沖擊試驗(yàn)炸裂后的狀態(tài)圖。

由表1及圖4可知，1#和2#樣品的抗熱沖擊能力為240 ℃，3#樣品的抗熱沖擊能力為250 ℃。根據(jù)ISO-3585的要求，在室溫為15℃時(shí)，金屬-玻璃封接端頭的抗熱沖擊能力應(yīng)達(dá)到225 ℃。由此可見，3個(gè)樣品均滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 抗熱沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)(室溫15 ℃、保溫20 min)

圖4 3種樣品抗熱沖擊試驗(yàn)炸裂后的狀態(tài)

5 小結(jié)

目前使用的3種金屬-玻璃封接方法中：

1)可伐合金與DM308玻璃的封接屬于匹配封接，能保證其良好的密封性；但由于DM308玻璃透光性差，容易失透發(fā)毛，化學(xué)性能也不穩(wěn)定，用其做長(zhǎng)外玻璃管不能滿足集熱管的使用條件。若將其和可伐合金封接好的端頭與5.0高硼硅酸鹽玻璃長(zhǎng)管封接做整管，又會(huì)因5.0高硼硅酸鹽玻璃的成本過(guò)高而增加集熱管的生產(chǎn)成本。

2)可伐合金與3.3硼硅酸鹽玻璃過(guò)渡封接屬于一級(jí)一級(jí)的準(zhǔn)匹配封接，氣密性良好，但工序較繁瑣，對(duì)過(guò)渡材料的性能要求較高，而且從外觀上看也不是很美觀；并且由于過(guò)渡料封接處較多，對(duì)可靠性有一定的影響。

3)不銹鋼與3.3硼硅酸鹽玻璃直接封接屬于非匹配封接，因此需利用薄邊金屬，以避免炸裂。這種封接方法的封接端頭美觀大方，但由于是利用薄邊金屬和玻璃進(jìn)行封接，對(duì)薄邊的加工和處理有很嚴(yán)格的要求。而且由于這種技術(shù)近兩年才在國(guó)內(nèi)研發(fā)成功，對(duì)其耐久性還未有科學(xué)的測(cè)試方法，因此人們難免對(duì)這種封接方法持懷疑態(tài)度。

總之，金屬和玻璃的封接會(huì)直接影響集熱管的性能，本文介紹的3種封接方法各有千秋，都能達(dá)到抗熱沖擊試驗(yàn)的要求。在國(guó)外，德國(guó)Schott公司改變了封接玻璃和金屬的材料，使得新的金屬和玻璃的膨脹系數(shù)接近，然后采用熔封技術(shù)實(shí)現(xiàn)了金屬與玻璃的匹配封接，既保證了性能要求，又美觀大方。在國(guó)內(nèi)，由于5.0高硼硅酸鹽玻璃長(zhǎng)管成本過(guò)高，一般采用可伐合金與3.3硼硅酸鹽玻璃過(guò)渡封接、不銹鋼與3.3硼硅酸鹽玻璃直接封接這兩種封接方法。