一种添加ZnO实现玻璃与不锈钢的激光封接方法技术

本发明专利技术属于异质材料的连接技术领域，具体涉及一种添加ZnO实现玻璃与不锈钢的激光封接方法，该方法包括以下步骤：对待封接的玻璃和不锈钢进行净化预处理；将焊料均匀喷洒在待封接的不锈钢上，将待封接的玻璃放置于喷洒了焊料的待封接不锈钢上，并保证待封接的玻璃与不锈钢紧密接触，所述焊料为在玻璃中添加有ZnO的混合粉；利用激光以对待封接玻璃与不锈钢的交界处的焊料进行照射，获得玻璃与不锈钢的封接体。本发明专利技术在玻璃粉中添加ZnO形成混合粉末作为中间过渡层来实现玻璃与不锈钢的激光封接，在对金属进行氧化的同时，添加了焊料，使得玻璃和不锈钢能够进行紧密的封接。玻璃和不锈钢能够进行紧密的封接。玻璃和不锈钢能够进行紧密的封接。

【技术实现步骤摘要】
一种添加ZnO实现玻璃与不锈钢的激光封接方法


[0001]本专利技术属于异质材料的连接
，具体涉及一种添加ZnO实现玻璃与不锈钢的激光封接方法。

技术介绍

[0002]玻璃(硅酸盐玻璃)与金属的封接体，广泛的应用在复杂微小的电子电器元件、高温固体氧化燃料电池(SOFC)，生物医用钛合金的封接以及一些金属部件的防护都得到广泛应用，大尺寸的玻璃与金属封接体应用也非常广泛，如太能能集热真空管、二氧化碳激光管、真空玻璃的封接等。众所周知，玻璃与金属封接体之间的绝缘性、热膨胀系数、化学稳定性对燃料电池的长期稳定性起着至关重要的作用。传统的玻璃与金属的封接要么采用密封胶进行封接，密封胶随着服役时间的延长和环境的作用，容易老化失效。要么采用先对金属进行氧化，形成一层氧化膜，然后将玻璃和金属放在高温炉中，在高温下长时间保温，然后冷却形成玻璃与金属的封接体，这一办法主要问题就是生产周期长、而且长时间的在高温下保温，对金属与玻璃封接的功能特性会产生不利的影响，因此，急需一种高效、可靠的封接办法来解决这一困境。
[0003]二氧化硅的用途很广。自然界里比较稀少的水晶(主要成分是SiO2)可用以制造电子工业的重要部件、光学仪器和工艺品。同时二氧化硅也是制造光导纤维的重要原料。一般较纯净的石英(主要成为为SiO2)，可用来制造石英玻璃。石英玻璃膨胀系数很小，相当于普通玻璃的1/18，能经受温度的剧变，耐酸性能好(除HF外)，因此，石英玻璃常用来制造耐高温的化学仪器。玻璃由于脆性大，不耐冲击，所以在电子工业和耐高温的化学仪器中经常会使用石英玻璃与不锈钢的封接来实现。专利技术人前期申请的专利技术专利(一种玻璃和可伐合金的激光封接方法，专利号CN201310155901.3)系先将可伐合金在高温下进行氧化，然后使用激光穿透玻璃，熔化合金表面的氧化膜，该熔化的氧化膜在高温下同时反过来作用于玻璃而实现玻璃与金属的封接。此种玻璃与金属的封接体在温度波动不大、温度不高、环境较温和的日常环境下(如家庭和办公室)可以使用，而上述高含量SiO2的玻璃的特性决定了只要应用于温度波动大、热观察窗口等环境苛刻的场合。这一应用需求就决定了仅仅对不锈钢进行氧化后与玻璃焊接的封接体不能满足这种现实需求。而功能梯度材料由于在组织、成分和性质上存在梯度变化，从而在航空航天和电子等工业中呈现出独特的应用优势。尤其是在缓解应力、温度剧烈变化等方面更是具有不可替代的优势。基于这一设计理念，本专利技术主要针对高含量SiO2玻璃与不锈钢的封接，打算通过引入一个过渡层，来提高玻璃与金属封接体的服役性能。如图2所示，其中图2a表示在玻璃与金属中只有一种单一材料1作为过渡层进行封接的情形，图2b为单一过渡层封接后得到的结果；图2c为采用了梯度过渡的材料进行封接的情形，图2d则为采用梯度材料进行封接后的结果。
[0004]低熔点玻璃作为玻璃与金属或玻璃与玻璃的封接材料在微电子技术、太阳能等场合有着十分广泛的应用。常用的为铅基(即含铅)低熔点玻璃，具有较高的化学稳定性、较低的软化温度以及较好的热性能和电性能而受到极大的关注。但比较遗憾的是，铅属于有毒
物质且对环境及人体均有很大的危害，PbO的使用受到了一定的限制，欧盟早已经禁止在电子产品中使用PbO，因此不含Pb的无毒害作用的低熔点玻璃材料的研发受到了广大科研工作者的重视。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在针对上述问题，提供了一种添加ZnO实现玻璃与不锈钢的激光封接方法，在玻璃粉中添加ZnO形成混合粉末作为中间过渡层来实现玻璃与不锈钢的激光封接，在对金属进行氧化的同时，添加了焊料，使得玻璃和不锈钢能够进行紧密的封接。
[0006]按照本专利技术的技术方案，所述添加ZnO到玻璃粉末中组成混合粉末，来实现玻璃与不锈钢的激光封接方法，包括以下步骤，
[0007]S1：对玻璃洁净化处理，得到待封接的玻璃；
[0008]对不锈钢进行脱脂、去油处理后，再进行氧化处理，得到待封接的不锈钢；
[0009]S2：将焊料均匀喷洒在待封接的不锈钢上，将待封接的玻璃放置于喷洒了焊料的待封接不锈钢上，并保证待封接的玻璃与不锈钢紧密接触；
[0010]所述焊料为玻璃粉与ZnO的混合粉末，包括以下组分：(68.2
‑
X)wt％SiO2、12.5wt％B2O3、4.8wt％Al2O3、4.7wt％CaO、3.4wt％K2O、6.4wt％Na2O和Xwt％ZnO，其中，0＜X≤8；
[0011](以下简称为：(68.2
‑
X)SiO2‑
12.5B2O3‑
4.8Al2O3‑
4.7CaO
‑
3.4K2O
‑
6.4Na2O
‑
XZnO)
[0012]S3：利用激光以对待封接玻璃与不锈钢的交界处的焊料进行照射，获得玻璃与不锈钢的封接体。
[0013]本专利技术中SiO2‑
B2O3‑
Al2O3系辅助焊料的熔点仅为770℃，降低了玻璃的晶化温度和提高了工艺窗口，实现了在低于玻璃晶化温度的范围内进行烧结(封接)。另外增加了结构稳定性，同时可以降低热膨胀系数，这对同合金低膨胀系数之间的封接的自适应性非常有利。与此同时，增加了硬度和刚性，则进一步增加了结构的完整性，还使得其具有耐划痕能力。
[0014]焊料以SiO2为主，所以具备一般SiO2系玻璃的优点，同时添加了B2O3之后，B2O3是玻璃中低温网络化结构的形成组分。这一氧化物通过增加阻止晶化的玻璃稳定性能力来提高玻璃颗粒的烧结性能。另外一方面，通过减少玻璃的表面张力，B2O3作为润湿性作用组分中，在提高基体和涂层的结合力上也起到非常重要的作用，即它即可以润湿合金基体，也具备同玻璃相结合的能力。
[0015]成分中的Al2O3可以作为玻璃中网络化结构稳定性的主要组分。在这一方面，它阻止晶化和相的分离，降低热膨胀系数，增加其硬度和耐摩擦能力。
[0016]为了使得玻璃或者涂层的热膨胀系数较低(低于合金，如本专利技术中的不锈钢)基体，并且获得尽可能低的玻璃转变温度，此时就会添加CaO来实现这一目的。
[0017]对于玻璃与金属的封接，由于玻璃与金属的热膨胀系数差异较大，封接后玻璃和金属之间热膨胀系数的不匹配导致应力累积，应力的大小程度取决于热膨胀系数不匹配的程度、封接件的大小以及所用材料的形状和厚度。对于大尺寸的玻璃与金属的封接，就会经常发生封接刚刚结束或者稍后的时间内自动裂开，即使当时没有裂开的封接体，在稍后的几天内或者在稍微有外力触及或者温度变化的时候就会碎裂。因此，大尺寸玻璃与金属的
封接就面临着更大的困难与挑战。
[0018]为了进一步的提高玻璃与不锈钢合金的封接稳定性和抗环境敏感性、温度剧变等工况的影响，本专利技术基于功能梯度的概念应用到玻璃与金属的封接上，设计了一种添加ZnO与玻璃的混合粉末，该混合粉末作为不锈钢与SiO2为主要成分玻璃之间进行封接的过渡层。这是因为一来Zn同Fe可以形成反应，不锈钢中的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种添加ZnO实现玻璃与不锈钢的激光封接方法，其特征在于，包括以下步骤，S1：对玻璃洁净化处理，得到待封接的玻璃；对不锈钢进行脱脂、去油处理后，再进行氧化处理，得到待封接的不锈钢；S2：将焊料均匀喷洒在待封接的不锈钢上，将待封接的玻璃放置于喷洒了焊料的待封接不锈钢上，并保证待封接的玻璃与不锈钢紧密接触；所述焊料为玻璃粉与ZnO的混合物，包括以下组分：(68.2
‑
X)wt％SiO2、12.5wt％B2O3、4.8wt％Al2O3、4.7wt％CaO、3.4wt％K2O、6.4wt％Na2O和X wt％ZnO，其中0＜X≤8；S3：利用激光以对待封接玻璃与不锈钢的交界处的焊料进行照射，获得玻璃与不锈钢的封接体。2.如权利要求1所述的添加ZnO实现玻璃与不锈钢的激光封接方法，其特征在于，所述步骤S1中，氧化处理温度为700
‑
800℃，时间为10
‑
20min。3.如权利要求1所述的添加ZnO实现玻璃与不锈钢的激光封接方法，其特征在于，所述步骤S1中，氧化处理形成的氧化层的厚度为3
‑
7μm。4.如权利要求1所述的添加含ZnO的玻璃粉实现玻璃与不锈钢的激光封接方法，其特征在于，所述焊料的制备方法如下：在球磨机中将玻璃粉和ZnO的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈长军，张敏，沈贾佳，隋利卫，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：