更穩(wěn)定、更高效的玻璃-金屬密封新技術(shù)

在國防和航空航天工業(yè)中不銹鋼的組件在極端環(huán)境下可以起到保護(hù)作用；這些組件需要可以使電流通過并與其發(fā)生作用的軌道。這些軌道需要一個絕對的密封防止他們和金屬外殼接觸，這樣的話就可能會阻止電流的通過。良好的密封連接技術(shù)至關(guān)重要，美國桑迪亞國家實驗室SteveDai團(tuán)隊就一直在改進(jìn)這一技術(shù)。
　　
　　一般來說，用于隔離電氣軌道的材料不是玻璃就是微晶玻璃復(fù)合材料。Dai是做微晶玻璃與不銹鋼連接項目的研究員，一直致力于研究性能更為可靠的微晶玻璃與不銹鋼密封技術(shù)。
　　
　　對于比較耐用的密封件來說，需要微晶玻璃和金屬之間有很強的化學(xué)鍵，并且材料之間要有良好的熱膨脹系數(shù)匹配。晶態(tài)的微晶玻璃中的玻璃成分可以增加熱膨脹系數(shù)，這樣可以和金屬外殼形成良好的配合，并能減少熱應(yīng)力。
　　
　　Dai表示，因為連接在一起的微晶玻璃必須經(jīng)過高溫處理，所以要小心處理材料之間的失配問題，因為在封裝的任何階段玻璃上都不會被施加拉伸應(yīng)力，否則可能會出現(xiàn)裂紋。
　　
　　可預(yù)見的潛在工業(yè)用途
　　
　　在高溫高壓下的強密封是有良好的潛在工業(yè)用途的，比如在極端環(huán)境中的燃料電池和航空航天領(lǐng)域與國防上的應(yīng)用。
　　
　　純凈的玻璃在高溫條件下要比金屬的收縮率小，這種不匹配在壓縮密封時會使金屬卷曲。如此一來有利也有弊。優(yōu)點是不需要有特別強的連接，因為密封的過程中會有許多壓縮；缺點是太多的壓縮在長時間使用過程中會壓碎玻璃。Dai的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)如果金屬和微晶玻璃之間能形成化學(xué)鍵就不用在封接過程中增加步驟，中間材料就可以連接金屬和玻璃。而這是十分困難的，因為金屬和玻璃是截然不同的兩種材料。
　　
　　金屬和玻璃的密封是在無氧的惰性氣體保護(hù)的條件下完成的，如若不然金屬可能會和空氣接觸，導(dǎo)致氧化生銹。但是這里存在一對矛盾：金屬和微晶玻璃的連接需要氧氣，所以界面的連接處還是存在氧化層的。
　　
　　這的確是一個問題，該如何解決呢？有人對金屬做預(yù)氧化處理，但是Steve Dai說：“我們不打算這么干！”
　　
　　微晶玻璃與氧化劑的改性方法
　　
　　SteveDai的改性方法是在微晶玻璃密封材料上涂氧化劑，氧化劑的作用是代替金屬氧化物，這樣氧化劑在高溫條件下分解擴(kuò)散，為不銹鋼中的金屬鉻供氧。氧化鉻在微晶玻璃和金屬的界面就會形成良好的密封效果。他們已經(jīng)研究出了24種可改性的微晶玻璃組成物，而且它們無毒易處理。
　　
　　研究人員確認(rèn)了兩種涂在微晶玻璃上效果最好的的改性劑。Dai說它們雖然不是最好的，但是也已經(jīng)是一個偉大的進(jìn)步。他們發(fā)現(xiàn)在微晶玻璃和金屬之間的化學(xué)鍵非常牢固，如果我們把它破壞，一定是從玻璃處斷開的。研究人員們還研究了界面之間的鍵合是牢固的，否則就不會在玻璃處破壞了。
　　
　　其他因素的影響
　　
　　在密封過程中如果不小心，玻璃有可能粘到金屬外殼，為了防止這種情況發(fā)生，在密封的時候我們使用石墨固定。
　　
　　但是有一個問題，和不銹鋼一樣，石墨也會和氧氣發(fā)生反應(yīng)。
　　
　　從本質(zhì)上來說，這是一個熱力學(xué)平衡過程，如果金屬外殼和氧氣反應(yīng)，這是我們愿見的結(jié)果。倘若石墨反應(yīng)了，那就不好了。這真是一個微妙的反應(yīng)平衡！
　　
　　在密封過程中，微晶玻璃會變成結(jié)晶相，這是一個高膨脹系數(shù)的晶相，增加的熱膨脹系數(shù)可以和高膨脹系數(shù)的金屬更好的配合。但是，由于這種晶態(tài)相的體積突變，在密封過程中微晶玻璃的膨脹不會隨溫度線性變化。這樣，金屬和微晶玻璃之間的熱應(yīng)力變化率也不會有良好的配合。
　　
　　控制結(jié)晶相困難但很重要
　　
　　因為每一種相在幾百攝氏度范圍內(nèi)會有體積突變，研究人員想知道在什么溫度下可以控制結(jié)晶過程，使其分解出兩到三種高膨脹率的結(jié)晶相。
　　
　　SteveDai說：“我們試圖做出兩種或者更多的多結(jié)晶相來消除微晶玻璃的熱應(yīng)力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，并沒有出現(xiàn)非線性變化的應(yīng)力變化狀態(tài)，而是一種更接近線性變化的應(yīng)力曲線，和金屬也能形成良好的配合�！�
　　
　　在高溫條件下控制多結(jié)晶相是很有難度的，我們要確保密封時所有相達(dá)到一個良好的平衡，并讓它們按照理想的順序和組分全部結(jié)晶，這些都會持續(xù)提高密封效果。
　　
　　下一步，科研人員將驗證該方法是否適合于工業(yè)生產(chǎn)，并將測試是否能夠達(dá)到預(yù)期結(jié)果。