专利名称：新的玻璃组合物及生产玻璃/金属接头的方法
技术领域：
新的玻璃组合物，其热膨胀系数可以选择，从而它们可以用作玻璃/金属接头的焊接玻璃，例如太阳能集热器管的玻璃/金属接头。
背景技术：
目前玻璃/金属接头应用在广泛的、各种技术领域中，例如电子、电和医药工业等。尤其是这些接头应用于不得不在真空条件下操作的装置，这是由于这些在玻璃和金属间形成的接头是相当稳固的和密封的。这些玻璃/金属接头的性能在于形成接头的材料的良好的结构特征，接头的高的绝缘能力，接头的化学不可改变性以及接头对固体、液体和气体的不可渗透性。
最近，这些类型的接头已经被研发用于太阳能集热器管的零件，这要求长时间的耐久性以支持险恶的天气(白天与夜晚之间、季节之间在温度方面变化)，机械和热应力，高达400°C的工作温度以及完全密封。有数种类型的玻璃/金属接头I.热膨胀系数匹配的接头接头的金属和玻璃的收缩和热膨胀系数是类似的，从而所得接头在接头加工期间和整个装置使用期限期间，具有在安全限度内的拉伸应力。2.热膨胀系数不匹配的接头接头的金属和玻璃的收缩和热膨胀系数大不相同，从而从该接头产生的拉伸应力通过使用如下材料减小-小直径金属，形成所谓的压缩接头。-延性金属，其抑制产生的部分拉伸应力。-中间玻璃，从而调整热膨胀系数，以使玻璃和金属间的最终接头成为第一种类型。3.焊接接头，其中金属零件焊接到金属层上，该金属层采用现有任一种方法预先沉积形成在玻璃表面上。4.玻璃和金属间的机械接头。目前，大多数玻璃/金属接头通过前两种方法得到。生产玻璃/金属接头最重要的条件如下在用于连接的材料间有良好的粘合，热膨胀系数适合，以及所用的玻璃的软化温度相对低且其工作温度不会影响用于连接的材料。基于抛物柱面收集器(PCC)的太阳能电站的一个重要要素是吸收体管，且尽管目前吸收体管正在发展，且改进了上述太阳能电站的运行，致使更有效的产生能量且更尊重环境，但由于装置组成尤其是吸收体管的高成本，使用期限需要尽可能延长(10-20年)。吸收体管包括以同轴方式排列的两根管，玻璃管排列在外部，另一根是金属管排列在内部，通过它们循环通常是合成油的液体，液体通过太阳射线的作用加热直到大约400°C。该液体在多个工艺过程后，产生最终会转变成电能的过热蒸汽。形成部分吸收体管的该两根管，通过真空腔隔离，且按顺序，它们通过玻璃/金属接头连接。由于吸收体管大的尺寸和重量(长度大约4米和100毫米的直径)以及外管的玻璃性质，且由于这些装置放置在户外并经受险恶的天气(冰雹，下雨和灰尘颗粒的腐蚀等)，使得玻璃/金属接头成为抛物柱面收集器的最重要和最脆弱的零件之一。进一步地，两根管之间的封闭必须是密封的和保持真空的，以最小化热损失且优化能量产生。第一目的是得到位于太阳能收集器中的该类型的玻璃/金属接头，用近似管家(HouseKeeper)方法制成,其中使用热膨胀系数大不相同的铜的薄层和玻璃。使金属变薄，以有利于玻璃/金属接头的形成，接着加热玻璃使得金属能够引入到内部。由于金属的厚度薄和铜的延展性质，减小了由热膨胀系数不同导致产生的拉伸应力，且得到了满意的玻璃/金属接头。由于使用的金属的性质和厚度，能够抵抗在冷却加工件期间和装置使用期限期间产生的拉伸应力。然而，由于该类型的玻璃/金属接头是所述系统最脆弱的零件，不能完全符合这些体系的要求，因此也是需要改进的零件之一。 接着，该类型系统引入了新的进展，例如包括使用热膨胀系数非常相似的金属和玻璃的系统，使得该接头比通过管家方法获得的接头更稳固，因此体系的使用期限也将较长。目前，在商业水平使用的玻璃和金属合金，其热膨胀系数为大约5X10_6°C\玻璃具有多种使它们适用于真空工业的特性，这些优点主要是-它们几乎不渗透空气的性质。-根据它们的化学组成，它们能够在数个波长上选择性传送。-它们具有良好的电绝缘性。-它们用火焰容易塑模。-通过选择特殊的化学组成，玻璃的性质能够改变，使得得到具有与期望金属匹配的性质的玻璃。正是按照这样的思路，研发了下面提出的发明。
发明内容
本发明的目的是描述一种新的玻璃组合物的族，能够用于得到玻璃/金属接头。设计该玻璃的特征，从而能够得到具有诸如热膨胀系数和耐化学性的特征的玻璃，这使得能得到两个零件的热膨胀系数尽可能接近的玻璃/金属接头。已经尝试去改变现有方案，扩大已知的能用在焊接上的金属或金属合金的选择，但是由于热膨胀系数大不相同，没有发现允许以更好的条件进行所述焊接的金属或合金。另一方面，可以使用具有更大热膨胀系数的另一类型的玻璃，但是通常玻璃中热膨胀系数的增加与性能的损害有关，至少与耐化学性有关。用于具有其它材料的接头的玻璃，通常依据热膨胀系数α分为“硬”和“软”玻璃。硬玻璃具有低的热膨胀系数，α〈δΧΙΟ—6!-1，而软玻璃具有较高的热膨胀系数α >SXlO-6oC ―1。通常具有高热膨胀系数的玻璃具有较低的工作和软化温度，但是通常这引起所述玻璃的化学性能的损害。因此，本发明另一目的是设计的玻璃具有的热膨胀系数α为5 X IO^6oC '且该热膨胀系数一直< 8X10_6°C ―1。本发明的另一目的是，设计新的玻璃，其热膨胀系数调整到尽可能接近金属合金或金属零件，以下述方式是不必要的采用使得工艺过程更昂贵且限制其工业化的中间玻璃。另外，这些中间玻璃通常具有有限的耐化学性，因此限制随时间流逝得到的装置的耐久性，且还限制其在特定机械应力或工作条件下的使用。当金属零件或合金连接到设计的玻璃上，选择铁-基的合金。该合金除铁外含有镍和钴，这使得该合金能理想地用在采用具有如本专利中描述的热膨胀系数的玻璃的玻璃/金属接头中。开发该类型的合金主要用于连接硬玻璃，这是由于使用钥和钨工作的问题，钥和钨是传统上使用的金属，热膨胀系数与该类型玻璃最接近。目前，这些合金广泛的应用于玻璃/金属接头的制造，以得到需要真空或高真空条件下应用的坚固的接头，例如制造X-射线管。在这些合金中，选择称为Nile-K(具有多个其它名字，例如Kovar，Nicoseal,Nicosel, Rodar, Telcoseal, Sealvar,Dilver,Pernifer 29-18,合金 29-17, ASTM F 15,DIN17745，法国标准化协会(AFNOR)NF A54-301和SEW 385)的合金，其是三元合金，具有29%镍，17%钴，<0.2%娃，<0.3%猛，<0.2%碳以及余量铁。该合金的热膨胀系数α为约 ( )5Χ1(Γ6。。'本发明提出了一种新的玻璃族组合物，其热膨胀系数可以设计，使得玻璃族组合物的热膨胀系数接近期望与它们连接的金属零件或合金的热膨胀系数。依据形成所述部分玻璃的氧化物的组成设计热膨胀系数。大部分用于与玻璃施用于接头中的金属或合金的热膨胀系数曲线，与玻璃的热膨胀系数曲线特性相当不同。为了得到安全的接头且没有拉伸应力，玻璃和金属间的热膨胀系数必须仅在低于玻璃转变区域的温度区域中匹配，事实上，通常在较高的温度下，两个零件的热膨胀总是不同的。从根本上本发明包括玻璃的族，主要由如下氧化物按比例形成Si02，B2O3, Al2O3,Na2O, K2O, CaO, MgO, ZnO以及少量的< I %的如下物质在原料中作为杂质存在的其它氧化物(Ti02，Fe2O3, Cr2O3等)，或其它类型的在制作玻璃过程中可以用作化学精炼元素的化合物。本发明的玻璃的族由如下所示的比例的氧化物形成
氧化物 (％)
B2O38-13. 5
Al2O3 5-9 Na2O^9
K2O
CaO2~1
MgO
权利要求
1.用于形成玻璃/金属接头的新的玻璃组合物，其特征在于，该玻璃组合物包括 氧化物 (％)B2O38-13. 5Al2O3 5-9Na2O^9K2O CaO MgO ZnOSiO2至多 100 允许调节性能，诸如热膨胀系数，使得其热膨胀系数尽可能接近其将要连接的金属的热膨胀系数。
2.根据权利要求I所述的用于形成玻璃/金属接头的新的玻璃组合物，其特征在于，优选的玻璃的组成如下74. 2% SiO2,8. 56% B2O3, 5. 72% Al2O3, 5. 63% Na2O, 2. 13% K2O,3. 57% CaO，其具有应用于形成太阳能吸收体管用接头的最佳性能。
3.完成玻璃/金属接头的方法，其中玻璃属于权利要求I中描述的组合物族，其特征在于，该方法包括如下阶段 -将金属清洗和去油； -将所述金属零件进行表面氧化，以促进其在玻璃/金属接头中与玻璃的良好粘合；该氧化必须在空气气氛下、在850-900°C之间进行，直到所述金属零件可见微红色； -加热玻璃零件，直到温度达到高于玻璃零件的软化温度； -将两个零件靠近直至接触，连接所述玻璃和金属，形成玻璃/金属接头，其具有适当性能并足够用于所求应用； -热处理得到的玻璃/金属接头，以除去所述玻璃和所述玻璃/金属接头中存在的拉伸应力；在热处理的结束时，所述金属会具有浅灰色。
全文摘要
新的玻璃组合物及生产玻璃/金属接头的方法，依据必要的要求，最重要的，由于热膨胀系数的重要性，使得所述热膨胀系数调整为匹配实现玻璃/金属接头的金属或合金零件的热膨胀系数，从而有可能满意地生产所述接头，得到没有拉伸应力且长期耐用的稳固的玻璃/金属接头，尤其是可以用于得到零件，以形成太阳能收集器的零件。
文档编号C03C3/093GK102656124SQ201080049464
公开日2012年9月5日 申请日期2010年8月12日 优先权日2009年10月28日
发明者菲尔兰德斯 A·梅奥, 阿隆索 F·卢比奥, 梅左 J·L·奥托, 阿隆索 J·卢比奥, N·马丁内斯·桑斯索 申请人:阿文戈亚太阳能新技术公司