CN103936293B - 一种使用等离子体技术进行玻璃表面金属化的方法 - Google Patents

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Abstract

一种使用等离子体技术进行玻璃表面金属化的方法。采用Ar+N2作为工作气体的直流电弧层流等离子体束作为热源，先后将两层过渡中间涂层高速喷涂到玻璃基体表面与玻璃形成牢固结合。采用本发明的玻璃表面金属化工艺可以在大气环境下实现规模化量产，生产效率高，粉料利用率高，其生成的金属化涂层大幅调节了封接接头的线膨胀系数，使之能与线膨胀系数不匹配的金属进行金属焊料钎焊，接头牢固可靠，气密性良好。

Description

一种使用等离子体技术进行玻璃表面金属化的方法
技术领域
本发明专利涉及一种玻璃-金属封接技术用玻璃表面金属化工艺，具体指一种使用等离子体技术进行玻璃表面金属化的方法。属于真空器件材料连接技术领域，尤其是高温太阳能真空集热管制作领域。
背景技术
太阳能是一种取之不尽的绿色能源，可采用真空集热管将太阳能有效的收集起来。目前，真空集热管通常采用玻璃管，内设有金属吸热体，利用真空技术使玻璃管内呈真空状态，从而最大限度地减少热能损失，但是金属吸热体至少有一端伸出于玻璃管的外端，并连接于热能所需的装置，如水箱、连接管等。因此，玻璃管与金属吸热体伸出端的封接技术成了维持玻璃管内真空状态的关键技术之一。
传统真空集热管的玻璃-金属封接一般采用火焰封接方法，将被封接的玻璃与金属熔接在一起。该方法要求被封接玻璃与金属之间的膨胀系数具有非常好的匹配，其差值小于6%，同时在封接时需对玻璃进行1000℃以上的高温加热，然后再对玻璃进行退火，以消除熔接时造成的热应力。其次，封接用可伐合金需要预氧化，氧化膜的厚度要控制在一定的范围内，氧化膜过薄则氧化物完全溶于玻璃，造成玻璃与金属基体表面的直接封接，使封接强度下降；氧化膜过厚则造成金属表面氧化物粗糙疏松，封接件容易漏气，其工艺难度较大。另外，由于该封接技术需采用高温，因此，熔接温度很难调节，能耗较大，工艺重复性较差，且金属件容易高温氧化。为解决上述问题，通常采用对玻璃表面进行金属化，然后将金属焊料放置在玻璃金属化部位及封接金属之间加热熔化，将玻璃与金属牢固的封接在一起，由于玻璃表面金属化后接头部位的线膨胀系数得到了调节，避免了非匹配封接的热应力问题，同时金属不需要进行预氧化处理，只需表面电镀Ni以改善焊料润湿，因此，工艺简单可靠，但传统的玻璃金属化采用的是低温蒸发溅射法，该方法的缺点是效率很低，且对设备及环境要求较高，需在真空环境下实施。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于太阳能光热应用中真空集热管制造的关键工艺：玻璃-金属封接过渡层，该工艺可大幅调节封接接头膨胀系数，同时使玻璃表面金属化，具有能与金属焊料润湿并牢固结合的特性，从而提高其工艺重复性、产品可靠性及成品率，并降低真空集热管的制造成本。
本发明的技术方案是：采用直流电弧层流等离子体射流束喷涂金属化工艺，它是以直流电弧层流等离子体束发生器产生的稳定非转移层流等离子体长射流束为喷涂热源，在发生器电弧通道结构的机械压缩、冷壁气体收缩和等离子电弧本身的电磁自收缩等效应作用下，使电弧的截面缩小，功率密度增大而集中，温度升高，成为一种超高温(20000K以上)、高速率的直流层流等离子体长射流束。将金属化粉末送入射流束，使其迅速熔化并随射流束高速率喷射到玻璃表面，形成金属化涂层。
其具体的实例见示意图1：
本发明的有益效果是：1、采用直流电弧层流等离子体束喷涂法金属化，由于层流等离子体束长轴向温度均匀性高，粉体熔化程度一致，涂层组织均匀性好，而且直流电弧层流等离子体束不卷入大气，能防止熔化后的金属氧化，同时达到较高的粉料利用率。
2、采用Ar和N2混合气体，一方面利用Ar气具有良好的引弧性，所需引弧电压低，且金属化的沉积率高，涂层不易氧化，喷涂均匀，致密度高；另一方面利用N2热焓高、整体热效率高的特性，充分改善金属化粉末的熔化状态，提高金属化粉末的结合强度，同时N2成本低。
3、采用Al2O3+TiO2复合粉末直流电弧层流等离子体束喷涂打底，高温下形成孔隙率低的涂层，保障了整个金属化过渡层与基体结合的紧密性。高熔点Al2O3(2040℃)形成多孔涂层骨架，熔点低TiO2(1830℃)发生熔融，牢固地粘附在Al2O3孔隙中。此外，两种氧化物还能形成固溶体，使涂层的致密性更加完整。
4、采用TiO2使得Mo-Ti系金属化层与打底层不仅润湿性良好而且层间结合强度较高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中过渡金属化涂层②的结构示意图。
图1中：①送粉器，②过渡金属化涂层，③工作气体，④等离子体束发生器，⑤直流电弧层流等离子体束，⑥玻璃基体。
图2中：(1)玻璃基体，(2)Al2O3+TiO2层，(3)Mo-Ti系金属层
具体实施方式
如图所示，本发明采用Ar+N2作为工作气体③，通过等离子体束发生器④形成直流电弧层流等离子体束⑤，先将玻璃基体⑥表面分步预热到接近软化温度，然后开启送粉器①，喷涂一层Al2O3+TiO2复合组份（2）打底，而后再喷涂Mo-Ti系金属化粉末（3）完成过渡金属化涂层②的制备，最后退火冷却，去应力。

Claims (1)

1.一种玻璃-金属封接技术用玻璃表面金属化工艺，其特征是：采用Ar+N2作为工作气体的直流电弧层流等离子体束作为热源，将熔化粉末高速喷涂到玻璃基体表面与玻璃形成牢固结合，从而改变玻璃表面金属化焊接接头热膨胀系数和可焊性，包括如下步骤：
（1）利用直流电弧层流等离子体束将玻璃基体表面分步预热到接近软化温度；
（2）首先采用Ar+N2作为工作气体的直流电弧层流等离子体束喷涂一层Al2O3+TiO2复合组分打底；
（3）再喷涂Mo-Ti系金属化粉末完成过渡金属化涂层的制备；
（4）最后退火冷却，去应力。
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陶瓷金属化及其与金属封接的一种新方法--直流溅射金属化及封接工艺;柯春和等;《真空电子技术》;19800229;第53页摘要、第55页右栏第3-6行、第57页左栏结语部分 *

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