CN102515522A - 一种硼硅玻璃、玻璃-金属匹配封接件及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硼硅玻璃，其特征是包括下列重量百分比的成分：B₂O₃10.0%，Al₂O₃6.5%，Na₂O6.5%，K₂O1.5%，CaO0.5%，Li₂O0.5%，其余为SiO₂。本发明还公开了由该玻璃和可伐合金匹配熔接所得的玻璃-金属匹配封接件及该封接件的制备方法和应用。本发明玻璃耐候性强，抗机械冲击能力强度，太阳透射比高，平均线膨胀系数与可伐合金的线膨胀系数十分接近，与可伐金属进行匹配封接极大降低了玻璃、金属匹配熔封的技术难度，制备过程条件温和，易于实施，所得的玻璃-金属匹配封接件耐候性强，可在室温~300℃度范围内长期稳定工作，满足高温真空太阳集热管领域的要求。

Description

一种硼硅玻璃、玻璃-金属匹配封接件及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种新的硼硅玻璃及该玻璃与金属封接所得的玻璃-金属匹配封接件，还涉及该封接件的制备方法和在高温真空太阳集热管中的应用，属于玻璃和高温真空太阳集热管技术领域。

背景技术

槽式太阳能热发电系统是近期在世界范围内推进太阳能热发电系统商业化应用的突破口和重点，美国曾组织大量的经验丰富的专家组成工作组对槽式太阳能热发电系统进行评价，其结果是槽式太阳能热发电系统发电成本低、具有很好的技术发展潜力和市场潜力。槽式太阳能热发电系统的核心部件是高温太阳能真空集热管，集热管一般由不锈钢管和玻璃套管组成，他们之间通过玻璃-金属封接件进行气密连接。

金属与玻璃之间的封接分为匹配封接和不匹配封接两种，匹配封接为玻璃和金属具有相近的膨胀系数，一般要求膨胀系数差在10％以内，封接难度相对较小；非匹配封接为玻璃和金属膨胀系数相差较大，封接难度较高。前者的封接技术难度要小的多，但需要找到膨胀系数相近的金属和玻璃。由于金属的平均线膨胀系数一般在6～16×10^-6/K之间，而太阳能用玻璃的平均线膨胀系数为化（3.3士0.1）× 10^-6K^-1（20℃~300℃），两者之间膨胀系数差大于10％，只能形成非匹配封接。在早期研究当中，为降低封接难度，采用钼组玻璃和可伐合金进行匹配封接，但是钼组玻璃透光率、耐候性较差，难以满足高温真空太阳集热管长期室外工作的要求。一直以来，没有其他匹配的金属与玻璃有大量的工业化应用。除此以外，非匹配封接技术也有大量研究，SOLEL公司采用硼硅3.3玻璃和带尖劈的不锈钢金属环进行非匹配封接，由于硼硅3.3玻璃平均线膨胀系数（3.3士0.1）× 10^-6K^-1（20℃~300℃）与不锈钢膨胀系数（6～16×10^-6/℃）相差过大，对金属封接件的机械加工和玻璃-金属的封接技术要求极高，且封接件气密性较差，耐冷热冲击能力差。专利200820124787.2还公开了一种玻璃-金属气密封接件，通过非匹配熔接技术熔接，虽然在高温下能够使用，但玻璃与金属的膨胀系数相差较大，且润湿性不好，在熔接时需要对金属合金进行处理，且所用的玻璃耐候性、透光率难以进一步提高。因此，找到一种能够和封接合金进行良好匹配，能够在高温下进行长期使用、熔接技术简单且透光率、耐候性强的玻璃是玻璃-金属封接工艺急需解决的问题，也是高温太阳能集热管进一步发展的关键。

发明内容

本发明针对现有玻璃-金属封接件领域缺少效果好、匹配性好的玻璃的不足，提供了一种新型硼硅玻璃，该玻璃的太阳透射比≥0.92（AM1.5），20℃～300℃其平均线膨胀系数为（5.5±0.1）×10^-6K^-1，与可伐合金的线膨胀系数十分接近，可与可伐金属进行匹配封接，极大降低了玻璃金属熔封的技术难度。

本发明还提供了本硼硅玻璃与可伐合金熔接而成的玻璃-金属匹配封接件，该封接件制备简单，气密性高、抗拉强度高、耐候性较强，可在室温~300℃度范围内长期稳定工作。

本发明还提供了本玻璃-金属匹配封接件的制备方法和该封接件在高温真空太阳集热管中的应用。

现今一般以3.3的硼硅玻璃作为与金属封接的玻璃，但该玻璃的膨胀系数为（3.3士0.1）×10^-6K^-1（20℃~300℃），与可伐合金的膨胀系数（20℃~300℃）5.3士0.1×10^－6/℃）还有一定的差距，在熔接时存在一定的技术难点，发明人经大量实验和总结，得到了一种新型的硼硅玻璃，该玻璃在20℃~300℃其平均线膨胀系数为（5.5士0.1）× 10^-6K^-1，与可伐合金的线膨胀系数十分接近，他们之间可以进行匹配熔接，降低了技术难点，且该玻璃相对于电子封装用钼组玻璃来说，具有高透过率、高抗机械冲击强度、化学稳定性性能优良，在使用时效果显著。通过进一步的研究，本发明提出了以下技术方案： 

一种硼硅玻璃，其特征是包括下列重量百分比的成分：B₂O₃ 10.0%，Al₂O₃ 6.5%，Na₂O 6.5%，K₂O 1.5%，CaO 0.5%，Li₂O 0.5%，其余为SiO₂。

上述所得的玻璃中，除了玻璃主要成分为，还包括从原料中带入的杂质铁，铁含量≤150ppm。

上述所得玻璃的性能为：在20~300℃下的平均线膨胀系数为5.4×10^-6～5.6×10^-6 K^-1，在25℃下玻璃密度为2.40±0.02 g .cm^-3。太阳透射比≥0.92（AM1.5），玻璃环切等级不低于B级。抗机械冲击强度临界值≥8J。

一种玻璃-金属匹配封接件，其特征是：由上述硼硅玻璃制成的硼硅玻璃管和可伐合金环匹配熔封而成。

上述玻璃-金属匹配封接件中，所述可伐合金环为环状结构，外径为125mm，内径为118mm，壁厚为0.8mm，长度为25mm，合金环的一端翻边，翻边长度为3.5mm，其中，未翻边的一端与硼硅玻璃管进行匹配熔封，封接长度为5mm。

上述玻璃-金属匹配封接件中，所述硼硅玻璃管的外径为123.2～126.8mm，壁厚为2.7～3.3mm。

一种玻璃-金属匹配封接件的制备方法，其特征是：

（1）    制备玻璃管：将玻璃的各原料按配比混合，加热熔化成玻璃液，然后经维洛法或垂拉法拉制出玻璃管；

（2）    将可伐合金经冲压、车削制成可伐合金环，将制得的可伐合金环进行清洗，然后在湿氢中进行热处理，再采用高温火焰将玻璃管与可伐合金环进行熔接，熔接后退火，得玻璃-金属匹配封接件。

上述步骤（1）中，将各原料在1500~1550℃下熔化为玻璃液，在1100~1200℃下制成玻璃管，步骤（2）中，热处理温度为1000℃，时间为30min，退火温度为560℃，时间为1h。

上述制备方法中，所用原料包括石英砂、氢氧化铝、无水硼砂、硼酸、纯碱、碳酸钾、碳酸锂、方解石、萤石和食盐。

本发明的玻璃-金属匹配封接件可用于高温真空太阳集热管领域，满足相关要求，质量稳定，耐候性强。

本发明进行大量创造性劳动，提供了一种新型的硼硅玻璃，该玻璃耐候性强，抗机械冲击能力强度，太阳透射比高，平均线膨胀系数与可伐合金的线膨胀系数十分接近，可与可伐金属进行匹配封接，极大降低了玻璃、金属匹配熔封的技术难度，制备过程条件温和，易于实施，所得的玻璃-金属匹配封接件耐候性强，可在室温~300℃度范围内长期稳定工作，满足高温真空太阳集热管领域的要求。 

附图说明

图1为本发明所述玻璃-金属匹配封接件的结构示意图。

图中，1、可伐合金环，2、硼硅玻璃管。

具体实施方法

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的阐述，应该明白的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

本发明下列实施例采用牌号：4J29(Kovar)可伐合金（Fe54％、Ni29％和Co17％），

其膨胀系数为5.2×10^－6/℃（20~400℃）。

实施例1

本发明的硼硅玻璃具有良好的性能，其膨胀系数与可伐合金接近，可以与可伐合金进行匹配封接，其组成为: B₂O₃ 10.0wt%，Al₂O₃ 6.5 wt%，Na₂O 6.5 wt%，K₂O 1.5 wt%，CaO 0.5 wt%，Li₂O 0.5wt%，SiO₂ 其余，除了上述成分外，在玻璃中还不可避免的掺有铁杂质，在制备时控制铁含量≤150ppm。根据上述玻璃成分的组成，选择石英砂、氢氧化铝、无水硼砂、硼酸、纯碱、碳酸钾、碳酸锂、方解石、萤石、食盐为原料制备玻璃，在选择原料时，各原料的用量要求按照玻璃成分中的含量进行确定，各矿物原料铁含量≤50ppm。

根据玻璃的用途，在此将玻璃制成管状，制备过程是：按原料配比要求选取各原料，混合均匀，投入全电熔玻璃窑炉，熔化温度1500~1550℃（玻璃液最高温度），成型温度1100~1200℃，经维洛法或垂拉法拉制出外径125mm±1.8mm，壁厚3.0mm±0.3mm的玻璃管，直线度≤5.0‰。

经检测，本发明配方的玻璃在20~300℃下的平均线膨胀系数为5.4×10^-6～5.6×10^-6 K^-1，与4J29(Kovar)可伐合金十分接近。此外，在25℃下玻璃密度为2.40±0.02 g .cm^-3，太阳透射比≥0.92（AM1.5），玻璃环切等级不低于B级，抗机械冲击强度临界值≥8J。

实施例2

上述制备的玻璃管可与可伐合金进行匹配封接得到玻璃-金属匹配封接件，如图1所示。具体步骤为：将4J29材质可伐合金经冲压、车削得到可伐合金环，合金环外径为125mm，内径118mm，一端翻边长度为3.5mm，长度为25mm，壁厚为0.8mm。将可伐合金环进行清洗，清洗后在湿氢中1000℃下处理30min，然后采用高温火焰进行硼硅玻璃管与可伐合金的匹配封接，其中，合金环未翻边的一端与硼硅玻璃管进行封接，封接长度为5mm，封接后560℃条件下退火1小时，消除玻璃-金属的封接应力，得到玻璃-金属匹配封接件。所得封接件可用于与槽式高温真空太阳集热管罩玻璃管，耐候性强，可在室温~300℃度范围内长期稳定工作。

Claims (10)

1.一种硼硅玻璃，其特征是包括下列重量百分比的成分：B₂O₃ 10.0%，Al₂O₃ 6.5%，Na₂O 6.5%，K₂O 1.5%，CaO 0.5%，Li₂O 0.5%，其余为SiO₂。

2.根据权利要求1所述的硼硅玻璃，其特征是：在20~300℃下的平均线膨胀系数为5.4×10^-6～5.6×10^-6 K^-1。

3.一种玻璃-金属匹配封接件，其特征是：由权利要求1所述的硼硅玻璃制成的硼硅玻璃管和可伐合金环匹配熔封而成。

4.根据权利要求3所述的玻璃-金属匹配封接件，其特征是：所述可伐合金环为环状结构，外径为125mm，内径为118mm，壁厚为0.8mm，其中，可伐合金环的一端翻边，未翻边的一端与硼硅玻璃管进行匹配熔封，封接长度为5mm。

5.根据权利要求3所述的玻璃-金属匹配封接件，其特征是：所述硼硅玻璃管的外径为123.2～126.8mm，壁厚为2.7～3.3mm。

6.一种权利要求3所述的玻璃-金属匹配封接件的制备方法，其特征是：

（1）制备玻璃管：将玻璃的各原料按配比混合，加热熔化成玻璃液，然后经维洛法或垂拉法拉制出玻璃管；

（2）将可伐合金经冲压、车削制成可伐合金环，将制得的可伐合金环进行清洗，然后在湿氢中进行热处理，再采用高温火焰将玻璃管与可伐合金环进行熔接，熔接后退火，得玻璃-金属匹配封接件。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征是：步骤（1）中，将各原料在1500~1550℃下熔化为玻璃液，在1100~1200℃下制成玻璃管。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征是：步骤（2）中，热处理温度为1000℃，时间为30min，退火温度为560℃，时间为1h。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征是：所用原料包括石英砂、氢氧化铝、无水硼砂、硼酸、纯碱、碳酸钾、方解石、萤石和食盐。

10.一种权利要求3所述的玻璃-金属匹配封接件在高温真空太阳集热管中的应用。

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