CN103382088B - 玻璃陶瓷接合材料及其用途 - Google Patents

玻璃陶瓷接合材料及其用途 Download PDF

Info

Publication number
CN103382088B
CN103382088B CN201310155830.7A CN201310155830A CN103382088B CN 103382088 B CN103382088 B CN 103382088B CN 201310155830 A CN201310155830 A CN 201310155830A CN 103382088 B CN103382088 B CN 103382088B
Authority
CN
China
Prior art keywords
grafting material
glass ceramics
bonding
glass
goods
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201310155830.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103382088A (zh
Inventor
迪特尔·格德克
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schott AG
Original Assignee
Schott AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schott AG filed Critical Schott AG
Publication of CN103382088A publication Critical patent/CN103382088A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103382088B publication Critical patent/CN103382088B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03C—PHOTOSENSITIVE MATERIALS FOR PHOTOGRAPHIC PURPOSES; PHOTOGRAPHIC PROCESSES, e.g. CINE, X-RAY, COLOUR, STEREO-PHOTOGRAPHIC PROCESSES; AUXILIARY PROCESSES IN PHOTOGRAPHY
    • G03C8/00—Diffusion transfer processes or agents therefor; Photosensitive materials for such processes
    • G03C8/24—Photosensitive materials characterised by the image-receiving section
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C3/00—Glass compositions
    • C03C3/04—Glass compositions containing silica
    • C03C3/062—Glass compositions containing silica with less than 40% silica by weight
    • C03C3/064—Glass compositions containing silica with less than 40% silica by weight containing boron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C10/00—Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition
    • C03C10/0036—Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition containing SiO2, Al2O3 and a divalent metal oxide as main constituents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C3/00—Glass compositions
    • C03C3/04—Glass compositions containing silica
    • C03C3/062—Glass compositions containing silica with less than 40% silica by weight
    • C03C3/064—Glass compositions containing silica with less than 40% silica by weight containing boron
    • C03C3/068—Glass compositions containing silica with less than 40% silica by weight containing boron containing rare earths
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C8/00—Enamels; Glazes; Fusion seal compositions being frit compositions having non-frit additions
    • C03C8/24—Fusion seal compositions being frit compositions having non-frit additions, i.e. for use as seals between dissimilar materials, e.g. glass and metal; Glass solders
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/028—Sealing means characterised by their material
    • H01M8/0282—Inorganic material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T403/00—Joints and connections
    • Y10T403/47—Molded joint
    • Y10T403/477—Fusion bond, e.g., weld, etc.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

本发明涉及一种玻璃陶瓷接合材料及其用途。所述玻璃陶瓷接合材料由BaO?SiO2?CaO?B2O3?Al2O3体系构成，所述玻璃陶瓷接合材料的热膨胀系数为α(20?300)≥9.5×10?6K?1，其适合于在低处理温度下特别是低于800℃的温度下产生粘结。

Description

玻璃陶瓷接合材料及其用途
技术领域
本发明涉及如下的玻璃陶瓷接合材料，该玻璃陶瓷接合材料能够在低温下进行加工，并且适合用于在低接合温度下进行密封，特别是密封燃料电池或电解池，以及其它应用。
背景技术
在本发明的意义中，玻璃陶瓷接合材料被理解为是指来源于非晶玻璃材料、至少部分结晶然后处于玻璃陶瓷形式的材料。这些玻璃陶瓷接合材料能够用作玻璃焊料，还能够以预成型体等的形式使用。
为了以电绝缘方式特别是将陶瓷组件彼此粘结或将它们与金属组件粘结，玻璃陶瓷接合材料特别是用于产生粘结。在玻璃陶瓷接合材料的研发中，通常选择接合材料的组成以使得接合材料的热膨胀系数与待彼此粘结组件的热膨胀系数近似地一致，以便获得持久稳定的粘结。与其它接合材料例如塑料接合材料相比，玻璃陶瓷接合材料具有如下优点，即它们能够被配置以产生气密密封，能够承受更高的温度，并且，即使在更长的使用寿命期间，如果发生劣化，则劣化程度也更低。
玻璃焊料形式的接合材料通常由玻璃粉末制得，其在又被称为焊接操作的接合操作中在热作用下熔化并与待粘结组件产生粘结。通常在被称为玻璃的球形温度（sphericaltemperature）的大约水平处选择接合温度。球形温度测量是本领域普通技术人员已知的标准测量方法，并且可使用热台显微镜来实施该测量。如果熔化玻璃粉末形式的非结晶玻璃作为接合材料，并又冷却以使其凝固，则它通常也可在相同的熔化温度下再度熔化。对于处于非晶状态的接合材料的粘结，这意味着该粘结能够长时间经受的工作温度不得高于接合温度。事实上，在许多应用中，工作温度必须显著低于接合温度，因为接合材料的粘度随温度升高而降低，并且在一定程度上自由流动的玻璃在高温和/或高压下可能被从粘结处挤出，并因此可能导致该粘结失效。
通过使用如下的玻璃陶瓷接合材料能够解决这个问题，其中非晶基体玻璃在接合操作期间至少部分结晶或也可完全结晶。在本发明的意义上，部分或完全结晶的接合材料被称为玻璃陶瓷接合材料，或被简称为玻璃陶瓷。结晶相或陶瓷的性质通常显著不同于非晶基体玻璃的性质，所述性质差异例如在热膨胀或玻璃化转变温度方面，从而使得由非晶玻璃相和结晶相构成的总体系即所述玻璃陶瓷接合材料总体的性质可能同样不同于单独非晶基体玻璃的性质。更特别地，在玻璃陶瓷接合材料的情况下，再熔化所需温度可大大超过非晶基体玻璃熔化所需温度。
在接合操作期间是从非晶基体玻璃形成非晶玻璃还是形成玻璃陶瓷，在基体玻璃组成合适的情况下，高度取决于在接合操作中的工艺条件，更特别地是取决于加热和冷却曲线。
使用接合材料的一个领域例如为燃料电池中的粘结，该电池能够例如用作机动车辆中的能量来源或用于本地的能源供应。重要的燃料电池类型例如为所谓的固体氧化物燃料电池（SOFC）。具有该接合材料的粘结通常用于制造燃料电池堆，即，用于将几个单独的燃料电池粘结以形成堆。这样的燃料电池是已知的，并且正持续改进中。高温燃料电池得到了推广，这些电池包含难以制造的特别昂贵的材料，更特别地是特定的金属和/或合金。因此，在燃料电池的发展现状中，希望较低的工作温度，其原因尤其在于可因此使用较易于生产的比较便宜的铁素体不锈钢（例如AISI 410、AISI 430），并且因此不再需要使用特性合金例如Crofer22APU（Thyssen Krupp）或ZMG32（Hitachi），否则必须使用该特性合金。然而，在由此导致的工作温度下，也需要使用不同的电池材料和电解质，否则不能确保氧离子电导率。在燃料电池中用于低工作温度的材料需要可在低接合温度下加工的密封材料。
除了已知的玻璃焊料密封外，还有其它密封材料，但是这些密封材料会导致相当大的弊端。云母密封例如由于碱金属含量而可能导致金属氧化增加，并且仅在高压条件下提供密封。以这种方式不能实现气密粘结。
迄今已知的硅酸钡玻璃由于具有过高的软化温度和接合温度而因此不能在低接合温度下产生粘结。
US 6,532,769描述了SiO2和B2O3含量为至少35摩尔%的接合玻璃。如此高比例的SiO2降低了该接合玻璃的热膨胀系数并导致熔化温度的不希望的升高。
WO 0294727 A1同样公开了SOFC接合玻璃。在此处，该玻璃组合物的SiO2含量为33至35重量%。不希望添加PbO、MnO、V2O5，因为它们基本上是氧化还原稳定的。特别是形成的元素铅能够与金属互连物形成合金，并且因此具有促进腐蚀的作用。MnO和V2O5同样是多价元素。来自铁素体钢的Mn和Cr同样能够进入大量粘结中，其在工作条件下的稳定性是成问题的。所提及玻璃被设计为用于高于800℃的接合温度；它们不能用于实现800℃或更低的接合温度。
US 6,124,224公开了其SiO2含量在18至60重量%之间变化的含钡玻璃。所述玻璃的接合温度高于900℃，该热膨胀系数为5.0至7.4ppm/K。由于SiO2和Al2O3含量中的一者非常高，或两者都非常高，因此它们对于燃料电池应用是不合适的；更特别地，该热膨胀值与金属和电池组件不匹配。
在DE 19857057 C1中公开的玻璃具有高MgO含量，其SiO2含量为35至55摩尔%。MgO含量高的玻璃显示出非常明显的结晶，并且高SiO2含量不允许在低于800℃的温度下接合。
SU 802220 A1描述了适合用于焊接钛的含钡玻璃。同样，在这篇文献中，SiO2含量高于32重量%，并且使用了添加的氧化物TiO2和TeO2。TeO2是助粘剂，并且据称能提高化学稳定性。指定的接合温度为1100℃。
EP 2135316 B1描述了在固体氧化物燃料电池中的含钡的半结晶密封玻璃，其含有至少10摩尔%的SiO2。
发明内容
这些玻璃均不适合于在不超过800℃的接合温度下产生粘结。基于这种背景，本发明的目的是提供如下的玻璃陶瓷接合材料和其应用，所述玻璃陶瓷接合材料能够在不超过800℃的温度下接合，并且在20℃至300℃的温度范围内具有至少9.5×10-6K-1的线性热膨胀系数α(20-300)。
通过根据独立权利要求的接合材料和/或应用，实现了所述目的。从属权利要求给出了优选的实施方式。
除非另外指明，下文中显示的所有百分数均为基于氧化物以摩尔%计量的数字。
本发明玻璃陶瓷接合材料的热膨胀系数α(20-300)为至少9.5×10-6K-1，优选至少10.5×10-6K-1，并且优选不超过12.5×10-6K-1。
非晶起始玻璃的球形温度特别是不超过800℃。
本发明玻璃陶瓷接合材料含有从3%一直到<10%的SiO2。在含量更高的情况下，α(20-300)可能下降至低于9.5×10-6K-1的值，并且加工温度可能升高。在其它可行的实施方式中，SiO2含量为3%至4.7%。同样有利的上限是9.5%、9%、8.5%和/或8%。
根据本发明，所述B2O3含量为16%至34%。该含量确保了充分宽的用于熔化所述接合材料的加工窗口。然而，不应超过该上限，否则会降低该接合材料的化学稳定性。此外，在接合材料的硼浓度高的情况下，在从玻璃熔体制造接合材料期间和/或在该接合过程的熔化期间和/或在借助于接合材料接合的组件的工作期间，硼都可能会蒸发。因此不能排除如下现象，即，材料将随时间逐渐变化，并且挥发性的硼将对例如燃料电池或电解池的运行施加不利影响。在所述范围内，所述接合材料具有非常好的化学稳定性，这种非常好的化学稳定性使得也可在例如高温电解设备（SOEC）中使用所述接合材料。
在本发明的玻璃陶瓷接合材料中，SiO2和B2O3的总含量优选总计不超过40%。
Al2O3在本发明接合材料中以7%至15%存在。更高的含量同样可能导致不希望地低的α(20-300)值并且过度增加了所述接合材料的粘度。
本发明的玻璃陶瓷接合材料含有8%至40%的CaO。该CaO含量能够用于控制结晶性质。优选范围9%至15%。更高的含量常导致更加显著的结晶。在一个实施方式中，CaO含量为8%至12%。BaO在本发明玻璃陶瓷接合材料中以25%至38%存在。优选范围30%至38%。该BaO含量确保了低的熔化温度，还确保优选形成BaAl2Si2O8作为主晶相。因此可以调节玻璃的膨胀系数。
MgO在本发明接合材料中是任选的并且以最高达10%的量存在。MgO同样有助于控制所述接合材料的结晶性质。此外，能够降低熔化温度和玻璃化转变温度Tg。该MgO含量还增大了热膨胀系数，并且因此构成了使接合材料与待接合组件匹配的简单方法。这种效果也基于如下事实，即，添加MgO能够导致已知是热膨胀高（α(20-300)最高达11×10-6K-1）的晶相的顽辉石（MgSiO3）和/或Mg2SiO4结晶。MgO同样降低玻璃化转变温度Tg。与CaO结合，能够形成高膨胀晶相CaMgSi2O6和/或Ca3MgSi2O8。
此外，在本发明接合材料中存在任选的添加剂，例如含量最高达5%的ZrO2和含量最高达10%的Y2O3。这些氧化物特别是能够用作结晶的成核剂。该结晶温度特别是能够用这些添加剂进行控制。
发明人已经意识到，小比例的Y2O3同样导致玻璃网络的稳定化，从而提高Tg。不应超过10%的上限，否则过度显著地妨碍了接合材料的流动。Y2O3还抑制了不希望的堇青石结晶（Mg2Al4Si5O18）。这种晶相是不希望的，因为它的在约0×10-6至2×10-6K-1范围内的非常低的热膨胀α(20-750)。
优选地，本发明的玻璃陶瓷接合材料除了最多由于杂质之外不含ZnO和/或PbO和/或Bi2O3和/或TiO2和/或TeO2。“除了最多由于杂质之外不含”是指，没有故意向原料添加所提及的物质。然而，完全避免由于这些组分在所希望组分中的自然分布或在玻璃生产中进行处理而沾染有这些组分，由于经费和加工努力的原因，有时候是不可避免的或难以实施的。因此，可出现如下的情况，即，由于这些杂质，在本发明接合材料中存在少量所提及的这些物质。然而，这些单独组分在本发明接合材料中的含量优选每种不超过0.2摩尔%。当然，本发明包括完全不含这些物质的情况。
已经发现，氧化物TeO2和Bi2O3虽然原则上会适合于降低玻璃的软化温度，但是它们在还原-氧化反应方面是不稳定的，并且能够容易地与燃料电池的金属互连物形成合金。ZnO是电化学不稳定的，因为它通过降低粘结的比电阻而促进劣化。在燃料电池工作期间，显著的ZnO含量导致其中形成含ZnO的尖晶石的界面结晶，而这些又降低了该接合的电阻。
同样优选本发明的玻璃陶瓷接合材料除了最多由于杂质之外不含碱金属和/或其氧化物和/或SrO。已经发现，与铬含量高的材料接触时，SrO可同样显示出不希望的界面反应，这导致不希望的界面相。同样形成的铬酸锶的热膨胀系数与玻璃质或玻璃陶瓷接合材料的热膨胀系数显著不同，并且这是在所述机制的基础上可导致不稳定粘结的原因。如已经描述的，杂质可能是难以避免的。因此，SrO杂质可以以最高达0.2摩尔%的最高含量包含于本发明的接合材料中。
碱金属是不希望的，因为已知它们会有害地影响电绝缘性质。随着碱金属含量的增加，化学稳定性也下降。
起始玻璃的结晶优选产生BaAl2Si2O8作为主晶相。本发明的玻璃陶瓷接合材料因此优选具有BaAl2Si2O8作为主晶相。
在本发明的玻璃陶瓷接合材料中当然可以加入其它添加剂，这种情况同样包括于本发明中。例如，由原料或由澄清剂导致的每种最高达0.2%的杂质，例如As2O3和/或Sb2O3和/或SrCl，可以存在于本发明的接合材料中。
本发明接合材料的结晶性质以及上述组分的平衡也可以由接合操作中的温度控制所决定。与通过熔化原料来生产玻璃相比，所述接合操作是随后的热处理。在随后热处理中进行的结晶能够将软化转移至较高的温度，并且所述结晶控制能够使本发明接合材料与各自的最终用途匹配。
所述SiO2和CaO含量能够防止在热膨胀曲线中的所谓白石英突变（jump），其中低温型白石英转化成高温型白石英。
因为本发明接合材料优选至少基本上不含SrO，因此同样没有形成SrSi2O5和/或SrSiO3和/或Sr2SiO4和/或Sr2Si3O8和/或Sr2MgSi2O7作为晶相。通过本发明的CaO含量，同样能够避免形成鳞石英。
在优选的实施方式中，本发明的玻璃陶瓷接合材料处于复合物的形式，这意味着它在所提及范围内除了所提及组分之外还含有最高达30重量%的填料。优选的填料是MgO和/或YSZ和/或硅灰石粉和/或氧化锆纤维。
本发明接合材料的球形温度能够非常精确地测得，并且优选不超过800℃。取决于接合方法的温度和时间参数，在大多数情况下这与接合温度近似地一致，而接合温度不能精确地测定。
本发明的接合材料通常通过如下方法来生产，即，在本领域普通技术人员已知的常规玻璃熔体中熔化配料以得到玻璃，随后将玻璃磨成玻璃粉。可将该玻璃粉以例如可分散糊剂或预烧结成形体的形式引入所述粘结中。
本发明的接合材料可在其生产后被磨碎以作为可能的应用，并且用作其它材料特别是其它接合材料或玻璃中的填料。
本发明的特别的优点在于，起始玻璃不需要任何导致接合材料结晶的另外的成核剂和/或添加剂。因此，可以进行材料的快速处理。
在本发明玻璃陶瓷接合材料的情况下，可以产生包含本发明玻璃陶瓷接合材料的粘结。优选地，因此可以在至少两个金属组件之间产生粘结，所述金属组件特别是由铁素体或含铬钢和/或铬合金制成，其中所述至少两个金属组件使用本发明接合材料进行粘结。同样可行并且优选的是在至少两个陶瓷组件之间的粘结，所述陶瓷组件特别是由钇和/或钪稳定的氧化锆制成，其中所述至少两个陶瓷组件使用本发明接合材料进行粘结。另外可行并且优选的是在至少一个金属组件和陶瓷组件之间的粘结，所述组件特别是由上文在每种情况下提及的材料所制成，其中所述至少一个金属组件和至少一个陶瓷组件使用本发明接合材料进行粘结。优选产生所述粘结的堆叠。
当将所述接合材料的热膨胀优化至待粘结材料时，能够实现最佳粘结强度。此外，在结晶过程期间，热膨胀系数的任何变化也不得导致材料中的任何过高的应力。特别是通过避免不希望的晶相，本发明的接合材料确保了这点。
基于它的物理性质，本发明的接合材料特别适合用于产生不得在生产过程中暴露于过高温度下的粘结。这特别是涉及低于800℃的温度范围。特别适合于产生热膨胀α(20-300)至少9.5×10-6K-1的材料的气密的、电绝缘的粘结。这样的材料例如是分布广并且能可行地进行生产的铁素体不锈钢（例如AISI 410、AISI 430）。
在高温部分的这样的粘结能够特别有利地用于燃料电池中，特别是SOFC（固体氧化物燃料电池）中。在燃料电池中应用的一个实例是粘结单个SOFC以产生SOFC堆叠。另外的实例是高温电解装置（SOEC）。其电解质通常对于围绕它们的材料的化学稳定性具有特殊要求，并且因此也对接合材料具有特殊要求。因此，本发明更特别地还涉及如下的燃料电池或电解装置，其包括使用了本发明玻璃陶瓷接合材料的粘结。
其它应用领域是燃烧装置中的传感器，例如机动车应用、船舰引擎、发电站、飞行器和/或航天技术中的传感器。优选的应用是本发明玻璃陶瓷接合材料用于制造例如在能量产生设备的排气管中和/或在燃烧室中的传感器和/或致动器的用途，该能量产生设备例如为具有内燃机的机动车辆、燃气轮机、飞行器涡轮机、热电联供站等。电气执行装置（electrical execution），特别是核电站、聚变电站、热电站、日光炉和/或化学反应器等中的电气执行装置，同样是可行的。
然而，本发明玻璃陶瓷接合材料还能够用于制造热稳定性高的烧结体。用于制造烧结体的方法是公知的。通常，该方法包括，将本发明接合材料的原料以粉末形式混合在一起，任选与通常有机的粘结剂掺混，并将其压制成希望的形状。还可将已熔化的本发明材料而非原料粉末磨碎，并与粘结剂混合。然后将压制的接合材料体或接合材料-粘结剂体调至烧结温度，在该烧结温度下并且在使用粘结剂并能够将该粘结剂烧尽的情况下，所述组分能够在该温度下烧结在一起。然后可将以这种方式获得的烧结体与待粘结的组件接触，并借助于焊接操作粘结这些组件和/或与这些组件粘结。
烧结体在焊接中的用途具有如下的优点，即，所述烧结体是成形组件并且能够转化成几乎任何几何结构。常用形状的实例是中空的圆柱体，其通过焊接而可与电接触销一起引入金属组件中的导管用开口中，以便获得优选气密密封的具有电绝缘接触销的玻璃/金属导管或玻璃陶瓷/金属导管。这样的导管用于许多电气组件中并且是本领域普通技术人员所已知的。
本发明玻璃陶瓷接合材料的其它优选应用是制造包含所述接合材料的膜。这种膜以与上述烧结体相似的方法进行构造，但是可以非常灵活地构造。能够从它们切割出形状并有利地使用，以便将扁平组件彼此粘结。
具体实施方式
下文借助于本发明接合材料的性质来详细地描述本发明。
本发明接合材料的示例性非晶基体玻璃的组合物及其物理性质总结于表1中。所述组分的比例以摩尔%计，基于氧化物。在表1中的符号具有如下含义：
α(20-300)20℃至300℃的线性热膨胀系数
Tg玻璃化转变温度
PR加工温度，logη对应于4，η以[dPas]计量
T烧结烧结温度
T球形球形温度
T半球形半球形温度
T流动流动温度
为制造实施例，首先在玻璃熔体中熔化原料。随后借助于粉碎法使用熔化的原料以制得通常为粉状的玻璃质接合材料。在该实施例中，使用熔化的接合材料以获得粒度分布D(50)为约10μm并且D(99)<63μm的粉末。
然后借助于热台显微镜（HM）对所述接合材料进行热表征。为此目的，从待表征的粉末形式的接合材料中压制出圆柱形测试样品，并在陶瓷底板上以每分钟10K的速度加热该样品。观察到测试样品的形状变化。以这种方式能够确定球形温度。
尽管SiO2浓度低并且所有网络形成体的总数小，但这些实施例作为接合材料是合适的，并且在玻璃软化前不结晶。表1的本发明材料显示出远低于800℃的T球形值。在本发明的接合材料的情况下，所述组件通常在T球形接合，因此T球形在非常大的程度上对应于所应用的接合温度。
在该接合过程中，引发了所述接合材料的结晶。于是与原料相比，所述结晶的接合材料，即玻璃陶瓷接合材料，具有升高的熔化温度，其对应于完全结晶时主晶相的熔化温度。借助于该温度突变，使用玻璃陶瓷接合材料粘结的组件能够暴露于比其制造过程中所需温度更高的温度。这使得可以首先实际上制造一些组件。在表2中总结了热处理后表1实施例基体玻璃的物理数据，在该处理中特别是引发了结晶。
在两个阶段中实现所述热处理。首先，对1号对比例和本发明2号实施例的非晶基体玻璃进行预处理，其中将1号对比例和本发明2号实施例的非晶基体玻璃以每分钟5K的加热速度分别加热至800℃和730℃。将该温度保持30分钟，然后以每分钟2K的速度冷却至室温。在热后处理中，进行实际的结晶步骤。再次进行加热操作，在空气中在每种情况下以每分钟5K的加热速度加热至表2中指明的时效硬化温度，并且将此保持在每种情况下指明的保持时间。然后以每分钟2K的速度冷却至室温。对于在每种情况下在后处理中三个不同的保持时间，对于这些经过后处理的接合材料测量软化温度T软化和球形温度T球形。该软化温度量度了在本发明接合材料情况下粘结能够长时间承受的温度。它在非常大的程度上对应于最高工作温度。
可概括地说，在所示实施例中的非晶基体玻璃不是在0.5小时的保持时间而是在长得多的保持时间结晶。所述至少部分结晶的材料比所述非晶基体玻璃和/或准非晶后处理材料在更高的温度下熔化。在本发明实施例中的主晶相是BaAl2Si2O8。
1号实施例是如下结晶玻璃焊料的对比例，如借助于HT-XRD分析所显示的，其在725℃的温度下开始结晶。在低于700℃的加工温度下，
它基本上保持为非晶的。
在700℃的时效硬化温度下保持时间为500小时的情况下，α(20-300)值产生突变。对于1000小时的保持时间，也获得相同的α(20-300)值。该结晶也导致高膨胀的结晶相作为主晶相，主要为六方钡长石，这特别是应用所需的，尤其是当高膨胀钢是接合配对物时情况如此。α(20-300)值对两个保持时间的一致性证实了所述接合材料的稳定性。
在本发明2号实施例中，几乎没有观察到α(20-300)值随保持时间的任何变化，最多是随软化温度升高而呈现出下降的趋势。这种特性是如下一些应用所希望的，其中接合配对物具有相对低的热膨胀。
本发明玻璃陶瓷接合材料由于所提及的在粘结产生过程中的低接合温度而具有如下的优势，即它们防止所使用钢发生腐蚀反应，或至少减少了这种腐蚀反应；例如，通过较低的温度，抑制了显著的氧化物生长、铬挥发等。因此可以使用可更合适地生产的并且可更容易购买的钢。此外，较低的接合温度能够节省能量。
由于在加工和/或操作温度下存在的热应力较低，本发明的粘结在热循环方面同样更有耐性。因此，看来能够实现燃料电池的超过40,000工作小时的目标寿命。由于本发明接合材料的粘度比较低，因此本发明玻璃陶瓷接合材料同样能够有利地补偿燃料电池或电解装置在工作过程中产生的机械应力，该机械应力例如经由偏离组件（例如互连板）的平面性而产生。然而，如果所使用接合材料的粘度过高，则产生的弯曲应力可能导致泄漏，并因此导致工作性能下降。
令人惊讶地，通过如下的本发明接合材料实现了这些优点，本发明接合材料具有低比例的SiO2，并且还含有相对低含量的网络形成体，但是通过增加B2O3的比例而能够控制该接合材料的结晶。在优选650℃至750℃的目标工作温度范围内，有利地不存在会导致粘结劣化的B(OH)3挥发。
表1：非晶基体玻璃的性质
1号（对比例） 2号
SiO2 21.6 4.7
Al2O3 11.9 14.5
B2O3 17.5 33.6
CaO 13.0 9.8
BaO 36.0 37.5
α(20-300)[10-6K-1] 9.8 10.0
Tg[℃] 567 530
PR[℃] 871 744
T烧结[℃] 619 557
T球形[℃] 768 649
T半球形[℃] 823 674
T流动[℃] 872 844
表2：热处理的基体玻璃的性质

Claims (8)

1.一种制品，该制品包含在至少两个金属组件之间的粘结，
其中所述粘结包括玻璃陶瓷接合材料，所述玻璃陶瓷接合材料是在接合过程中引发接合材料的结晶而形成的，并且所述金属组件由所述接合材料接合；
其中所述玻璃陶瓷接合材料的热膨胀系数为α(20-300)≥9.5×10-6K-1；和
其中所述玻璃陶瓷接合材料除了最多由于杂质之外不含ZnO并且不含PbO，并且基于氧化物含量以摩尔％计包含：
2.一种制品，该制品包含在至少两个金属组件之间的粘结，
其中所述粘结包括玻璃陶瓷接合材料，所述玻璃陶瓷接合材料是在接合过程中引发接合材料的结晶而形成的，并且所述金属组件由所述接合材料接合；
其中所述金属组件由铁素体不锈钢组成；
其中所述玻璃陶瓷接合材料的热膨胀系数为α(20-300)≥9.5×10-6K-1；和
其中所述玻璃陶瓷接合材料除了最多由于杂质之外不含ZnO并且不含PbO，并且基于氧化物含量以摩尔％计包含：
3.一种制品，该制品包含在至少两个陶瓷组件之间的粘结，
其中所述粘结包括玻璃陶瓷接合材料，所述玻璃陶瓷接合材料是在接合过程中引发接合材料的结晶而形成的，并且所述陶瓷组件由所述接合材料接合；
其中所述玻璃陶瓷接合材料的热膨胀系数为α(20-300)≥9.5×10-6K-1；和
其中所述玻璃陶瓷接合材料除了最多由于杂质之外不含ZnO并且不含PbO，并且基于氧化物含量以摩尔％计包含：
4.一种制品，该制品包含在至少两个陶瓷组件之间的粘结，
其中所述粘结包括玻璃陶瓷接合材料，所述玻璃陶瓷接合材料是在接合过程中引发接合材料的结晶而形成的，并且所述陶瓷组件由所述接合材料接合；
其中所述陶瓷组件由钇和/或钪稳定的氧化锆组成；
其中所述玻璃陶瓷接合材料的热膨胀系数为α(20-300)≥9.5×10-6K-1；和
其中所述玻璃陶瓷接合材料除了最多由于杂质之外不含ZnO并且不含PbO，并且基于氧化物含量以摩尔％计包含：
5.一种制品，该制品包含在至少一个金属组件和至少一个陶瓷组件之间的粘结，
其中所述粘结包括玻璃陶瓷接合材料，所述玻璃陶瓷接合材料是在接合过程中引发接合材料的结晶而形成的，并且所述至少一个金属组件和所述至少一个陶瓷组件由所述粘结接合；
其中所述玻璃陶瓷接合材料的热膨胀系数为α(20-300)≥9.5×10-6K-1；和
其中所述玻璃陶瓷接合材料除了最多由于杂质之外不含ZnO并且不含PbO，并且基于氧化物含量以摩尔％计包含：
6.一种制品，该制品包含在至少一个金属组件和至少一个陶瓷组件之间的粘结，
其中所述粘结包括玻璃陶瓷接合材料，所述玻璃陶瓷接合材料是在接合过程中引发接合材料的结晶而形成的，并且所述至少一个金属组件和所述至少一个陶瓷组件由所述粘结接合；
其中所述至少一个金属组件由铁素体不锈钢组成，和所述至少一个陶瓷组件由钇和/或钪稳定的氧化锆组成
其中所述玻璃陶瓷接合材料的热膨胀系数为α(20-300)≥9.5×10-6K-1；和
其中所述玻璃陶瓷接合材料除了最多由于杂质之外不含ZnO并且不含PbO，并且基于氧化物含量以摩尔％计包含：
7.一种燃料电池，其包含玻璃陶瓷接合材料，所述玻璃陶瓷接合材料是在接合过程中引发接合材料的结晶而形成的，该玻璃陶瓷接合材料的热膨胀系数为α(20-300)≥9.5×10-6K-1，所述玻璃陶瓷接合材料基于氧化物含量以摩尔％计包含：
8.一种制造在燃料电池、电解池、传感器或致动器中产生粘结的方法，所述方法包括用玻璃陶瓷接合材料制备所述粘结，所述玻璃陶瓷接合材料是在接合过程中引发接合材料的结晶而形成的；
其中所述玻璃陶瓷接合材料的热膨胀系数为α(20-300)≥9.5×10-6K-1；和
其中所述玻璃陶瓷接合材料除了最多由于杂质之外不含ZnO并且不含PbO，并且基于氧化物含量以摩尔％计包含：
CN201310155830.7A 2012-05-04 2013-04-28 玻璃陶瓷接合材料及其用途 Active CN103382088B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012207405.8 2012-05-04
DE201210207405 DE102012207405B3 (de) 2012-05-04 2012-05-04 Glaskeramisches Fügematerial und dessen Verwendung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103382088A CN103382088A (zh) 2013-11-06
CN103382088B true CN103382088B (zh) 2016-08-03

Family

ID=48868494

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310155830.7A Active CN103382088B (zh) 2012-05-04 2013-04-28 玻璃陶瓷接合材料及其用途

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8999869B2 (zh)
JP (1) JP5542992B2 (zh)
CN (1) CN103382088B (zh)
DE (1) DE102012207405B3 (zh)
DK (1) DK178886B1 (zh)
FI (1) FI125996B (zh)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101580303B1 (ko) * 2014-06-16 2015-12-28 한국세라믹기술원 알파 알루미나와 베타 알루미나의 접합방법
CN105060716A (zh) * 2015-07-28 2015-11-18 张家港保税区佰昂特种玻璃有限公司 一种掺稀土的磷酸盐微晶玻璃及其制备方法
JP6636814B2 (ja) * 2016-02-09 2020-01-29 株式会社ノリタケカンパニーリミテド ガラス組成物およびその利用
WO2017142606A1 (en) * 2016-02-19 2017-08-24 Ferro Corporation Sintering aid glasses for machinable phyllosilicate based structures
CN107235628B (zh) * 2016-03-29 2020-03-10 中国科学院过程工程研究所 一种玻璃组合物及其制备方法和应用
WO2017181191A1 (en) * 2016-04-15 2017-10-19 The Penn State Research Foundation Advanced ceramics to glass joints
JP6414566B2 (ja) * 2016-05-26 2018-10-31 株式会社村田製作所 ガラス−セラミック−フェライト組成物および電子部品
CN107021774B (zh) * 2017-04-14 2020-06-30 常州联德电子有限公司 平板式氧传感器使用的玻璃基复合密封材料及其密封方法
GB201721319D0 (en) * 2017-12-19 2018-01-31 Coorstek Membrane Sciences As Sealing Compositions
GB201721341D0 (en) 2017-12-19 2018-01-31 Coorstek Membrane Sciences As Sealing compositions
JP7016028B2 (ja) * 2018-04-03 2022-02-04 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池
EP3650415B1 (de) * 2018-11-07 2024-02-07 Schott Ag Fügeverbindung umfassend ein kristalliesiertes glas, deren verwendung sowie kristallisierbares sowie zumindest teilweise kristallissiertes glas und dessen verwendung
TWI703109B (zh) * 2019-03-20 2020-09-01 法藍瓷股份有限公司 陶瓷件之接合方法
KR20230004730A (ko) * 2020-05-26 2023-01-06 헤레우스 코나믹 노스 아메리카 엘엘씨 다수의 조각으로 형성된 플라즈마 저항성 세라믹체
KR102308652B1 (ko) * 2020-05-27 2021-10-05 코닝 인코포레이티드 높은 탄성 계수 및 경도를 가지는 유리-세라믹

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6362119B1 (en) * 1999-06-09 2002-03-26 Asahi Glass Company, Limited Barium borosilicate glass and glass ceramic composition

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU802220A1 (ru) 1979-03-11 1981-02-07 Предприятие П/Я А-7438 Стекло дл спаев
US5112777A (en) * 1991-01-09 1992-05-12 Corning Incorporated Glass-ceramic-bonded ceramic composites
US6124224A (en) * 1998-09-02 2000-09-26 Ferro Corporation High temperature sealing glass
DE19857057C1 (de) * 1998-12-10 2000-04-13 Fraunhofer Ges Forschung Verwendung von alkalifreien Glaskeramiken als Fügematerial für den Hochtemperatureinsatz
US6430966B1 (en) * 1999-07-30 2002-08-13 Battelle Memorial Institute Glass-ceramic material and method of making
DE10122327A1 (de) * 2001-05-08 2002-11-28 Forschungszentrum Juelich Gmbh Glaslot als Fügematerial für den Hochtemperatureinsatz sowie Herstellung und Verwendung
JP5307795B2 (ja) * 2007-04-12 2013-10-02 コーニング インコーポレイテッド 封止材料、そのような材料を用いたデバイス、およびそのようなデバイスの製造方法
JP5171569B2 (ja) * 2008-11-19 2013-03-27 浜松ホトニクス株式会社 ファイバオプティックプレート及びその製造方法
JP5486612B2 (ja) * 2009-03-04 2014-05-07 ショット アクチエンゲゼルシャフト 結晶化ガラスはんだおよびその使用

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6362119B1 (en) * 1999-06-09 2002-03-26 Asahi Glass Company, Limited Barium borosilicate glass and glass ceramic composition

Also Published As

Publication number Publication date
US20130294818A1 (en) 2013-11-07
JP5542992B2 (ja) 2014-07-09
JP2013234117A (ja) 2013-11-21
DK178886B1 (en) 2017-04-24
US8999869B2 (en) 2015-04-07
FI20135335A (fi) 2013-11-05
DK201300154A (en) 2013-11-05
DE102012207405B3 (de) 2013-08-14
FI125996B (en) 2016-05-13
CN103382088A (zh) 2013-11-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103382088B (zh) 玻璃陶瓷接合材料及其用途
CN103373813B (zh) 不含钡和锶的玻璃质或玻璃陶瓷接合材料及其用途
JP5818454B2 (ja) 高温ガラスソルダー及びその使用
JP6456458B2 (ja) ガラス質の又は少なくとも部分的に結晶化した融着材料、接合結合部、遮断層及びこの融着材料を含む層系及びこの部材への組み込み
CN104176936B (zh) 玻璃质或至少部分结晶的接合材料及其用途
US9133053B2 (en) Crystallizing glass solders and uses thereof
JP5928777B2 (ja) 高膨張結晶性ガラス組成物
CN103987673A (zh) 结晶性玻璃组合物
CN103748050A (zh) 结晶性玻璃组合物和使用其的粘接材料
US9296644B2 (en) High-temperature glass solder and its uses
Schwickert et al. Glass-ceramic materials as sealants for SOFC applications
US8664134B2 (en) Crystallizing glass solders and uses thereof
KR101182379B1 (ko) 고체 산화물 연료 전지용 밀봉재 조성물, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 스택
CN107735894A (zh) 固体氧化物燃料电池密封剂用组合物、使用其的密封剂及其制备方法
KR20200064819A (ko) 실링 유리 조성물 및 이를 이용한 고체산화물 연료 전지
KR101554567B1 (ko) 고체산화물셀용 밀봉재 및 이를 포함하는 고체산화물셀
Lawita et al. Influence of Bi2O3 on Crystalline Phase Content and Thermal Properties of Åkermanite and Diopside Based Glass-Ceramic Sealant for SOFCs
KR20190045024A (ko) 글래스 프릿 조성물

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant