專利名稱：新的玻璃組合物及生產玻璃/金屬接頭的方法
技術領域：
新的玻璃組合物，其熱膨脹系數(shù)可以選擇，從而它們可以用作玻璃/金屬接頭的焊接玻璃，例如太陽能集熱器管的玻璃/金屬接頭。
背景技術：
目前玻璃/金屬接頭應用在廣泛的、各種技術領域中，例如電子、電和醫(yī)藥工業(yè)等。尤其是這些接頭應用于不得不在真空條件下操作的裝置，這是由于這些在玻璃和金屬間形成的接頭是相當穩(wěn)固的和密封的。這些玻璃/金屬接頭的性能在于形成接頭的材料的良好的結構特征，接頭的高的絕緣能力，接頭的化學不可改變性以及接頭對固體、液體和氣體的不可滲透性。
最近，這些類型的接頭已經被研發(fā)用于太陽能集熱器管的零件，這要求長時間的耐久性以支持險惡的天氣(白天與夜晚之間、季節(jié)之間在溫度方面變化)，機械和熱應力，高達400°C的工作溫度以及完全密封。有數(shù)種類型的玻璃/金屬接頭I.熱膨脹系數(shù)匹配的接頭接頭的金屬和玻璃的收縮和熱膨脹系數(shù)是類似的，從而所得接頭在接頭加工期間和整個裝置使用期限期間，具有在安全限度內的拉伸應力。2.熱膨脹系數(shù)不匹配的接頭接頭的金屬和玻璃的收縮和熱膨脹系數(shù)大不相同，從而從該接頭產生的拉伸應力通過使用如下材料減小-小直徑金屬，形成所謂的壓縮接頭。-延性金屬，其抑制產生的部分拉伸應力。-中間玻璃，從而調整熱膨脹系數(shù)，以使玻璃和金屬間的最終接頭成為第一種類型。3.焊接接頭，其中金屬零件焊接到金屬層上，該金屬層采用現(xiàn)有任一種方法預先沉積形成在玻璃表面上。4.玻璃和金屬間的機械接頭。目前，大多數(shù)玻璃/金屬接頭通過前兩種方法得到。生產玻璃/金屬接頭最重要的條件如下在用于連接的材料間有良好的粘合，熱膨脹系數(shù)適合，以及所用的玻璃的軟化溫度相對低且其工作溫度不會影響用于連接的材料?；趻佄镏媸占?PCC)的太陽能電站的一個重要要素是吸收體管，且盡管目前吸收體管正在發(fā)展，且改進了上述太陽能電站的運行，致使更有效的產生能量且更尊重環(huán)境，但由于裝置組成尤其是吸收體管的高成本，使用期限需要盡可能延長(10-20年)。吸收體管包括以同軸方式排列的兩根管，玻璃管排列在外部，另一根是金屬管排列在內部，通過它們循環(huán)通常是合成油的液體，液體通過太陽射線的作用加熱直到大約400°C。該液體在多個工藝過程后，產生最終會轉變成電能的過熱蒸汽。形成部分吸收體管的該兩根管，通過真空腔隔離，且按順序，它們通過玻璃/金屬接頭連接。由于吸收體管大的尺寸和重量(長度大約4米和100毫米的直徑)以及外管的玻璃性質，且由于這些裝置放置在戶外并經受險惡的天氣(冰雹，下雨和灰塵顆粒的腐蝕等)，使得玻璃/金屬接頭成為拋物柱面收集器的最重要和最脆弱的零件之一。進一步地，兩根管之間的封閉必須是密封的和保持真空的，以最小化熱損失且優(yōu)化能量產生。第一目的是得到位于太陽能收集器中的該類型的玻璃/金屬接頭，用近似管家(HouseKeeper)方法制成,其中使用熱膨脹系數(shù)大不相同的銅的薄層和玻璃。使金屬變薄，以有利于玻璃/金屬接頭的形成，接著加熱玻璃使得金屬能夠引入到內部。由于金屬的厚度薄和銅的延展性質，減小了由熱膨脹系數(shù)不同導致產生的拉伸應力，且得到了滿意的玻璃/金屬接頭。由于使用的金屬的性質和厚度，能夠抵抗在冷卻加工件期間和裝置使用期限期間產生的拉伸應力。然而，由于該類型的玻璃/金屬接頭是所述系統(tǒng)最脆弱的零件，不能完全符合這些體系的要求，因此也是需要改進的零件之一。 接著，該類型系統(tǒng)引入了新的進展，例如包括使用熱膨脹系數(shù)非常相似的金屬和玻璃的系統(tǒng)，使得該接頭比通過管家方法獲得的接頭更穩(wěn)固，因此體系的使用期限也將較長。目前，在商業(yè)水平使用的玻璃和金屬合金，其熱膨脹系數(shù)為大約5X10_6°C\玻璃具有多種使它們適用于真空工業(yè)的特性，這些優(yōu)點主要是-它們幾乎不滲透空氣的性質。-根據(jù)它們的化學組成，它們能夠在數(shù)個波長上選擇性傳送。-它們具有良好的電絕緣性。-它們用火焰容易塑模。-通過選擇特殊的化學組成，玻璃的性質能夠改變，使得得到具有與期望金屬匹配的性質的玻璃。正是按照這樣的思路，研發(fā)了下面提出的發(fā)明。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是描述一種新的玻璃組合物的族，能夠用于得到玻璃/金屬接頭。設計該玻璃的特征，從而能夠得到具有諸如熱膨脹系數(shù)和耐化學性的特征的玻璃，這使得能得到兩個零件的熱膨脹系數(shù)盡可能接近的玻璃/金屬接頭。已經嘗試去改變現(xiàn)有方案，擴大已知的能用在焊接上的金屬或金屬合金的選擇，但是由于熱膨脹系數(shù)大不相同，沒有發(fā)現(xiàn)允許以更好的條件進行所述焊接的金屬或合金。另一方面，可以使用具有更大熱膨脹系數(shù)的另一類型的玻璃，但是通常玻璃中熱膨脹系數(shù)的增加與性能的損害有關，至少與耐化學性有關。用于具有其它材料的接頭的玻璃，通常依據(jù)熱膨脹系數(shù)α分為“硬”和“軟”玻璃。硬玻璃具有低的熱膨脹系數(shù)，α〈δΧΙΟ—6!-1，而軟玻璃具有較高的熱膨脹系數(shù)α >SXlO-6oC ―1。通常具有高熱膨脹系數(shù)的玻璃具有較低的工作和軟化溫度，但是通常這引起所述玻璃的化學性能的損害。因此，本發(fā)明另一目的是設計的玻璃具有的熱膨脹系數(shù)α為5 X IO^6oC '且該熱膨脹系數(shù)一直< 8X10_6°C ―1。本發(fā)明的另一目的是，設計新的玻璃，其熱膨脹系數(shù)調整到盡可能接近金屬合金或金屬零件，以下述方式是不必要的采用使得工藝過程更昂貴且限制其工業(yè)化的中間玻璃。另外，這些中間玻璃通常具有有限的耐化學性，因此限制隨時間流逝得到的裝置的耐久性，且還限制其在特定機械應力或工作條件下的使用。當金屬零件或合金連接到設計的玻璃上，選擇鐵-基的合金。該合金除鐵外含有鎳和鈷，這使得該合金能理想地用在采用具有如本專利中描述的熱膨脹系數(shù)的玻璃的玻璃/金屬接頭中。開發(fā)該類型的合金主要用于連接硬玻璃，這是由于使用鑰和鎢工作的問題，鑰和鎢是傳統(tǒng)上使用的金屬，熱膨脹系數(shù)與該類型玻璃最接近。目前，這些合金廣泛的應用于玻璃/金屬接頭的制造，以得到需要真空或高真空條件下應用的堅固的接頭，例如制造X-射線管。在這些合金中，選擇稱為Nile-K(具有多個其它名字，例如Kovar，Nicoseal,Nicosel, Rodar, Telcoseal, Sealvar,Dilver,Pernifer 29-18,合金 29-17, ASTM F 15,DIN17745，法國標準化協(xié)會(AFNOR)NF A54-301和SEW 385)的合金，其是三元合金，具有29%鎳，17%鈷，<0.2%娃，<0.3%猛，<0.2%碳以及余量鐵。該合金的熱膨脹系數(shù)α為約 ( )5Χ1(Γ6。。'本發(fā)明提出了一種新的玻璃族組合物，其熱膨脹系數(shù)可以設計，使得玻璃族組合物的熱膨脹系數(shù)接近期望與它們連接的金屬零件或合金的熱膨脹系數(shù)。依據(jù)形成所述部分玻璃的氧化物的組成設計熱膨脹系數(shù)。大部分用于與玻璃施用于接頭中的金屬或合金的熱膨脹系數(shù)曲線，與玻璃的熱膨脹系數(shù)曲線特性相當不同。為了得到安全的接頭且沒有拉伸應力，玻璃和金屬間的熱膨脹系數(shù)必須僅在低于玻璃轉變區(qū)域的溫度區(qū)域中匹配，事實上，通常在較高的溫度下，兩個零件的熱膨脹總是不同的。從根本上本發(fā)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 %的如下物質在原料中作為雜質存在的其它氧化物(Ti02，F(xiàn)e2O3, Cr2O3等)，或其它類型的在制作玻璃過程中可以用作化學精煉元素的化合物。本發(fā)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
權利要求
1.用于形成玻璃/金屬接頭的新的玻璃組合物，其特征在于，該玻璃組合物包括 氧化物 (％)B2O38-13. 5Al2O3 5-9Na2O^9K2O CaO MgO ZnOSiO2至多 100 允許調節(jié)性能，諸如熱膨脹系數(shù)，使得其熱膨脹系數(shù)盡可能接近其將要連接的金屬的熱膨脹系數(shù)。
2.根據(jù)權利要求I所述的用于形成玻璃/金屬接頭的新的玻璃組合物，其特征在于，優(yōu)選的玻璃的組成如下74. 2% SiO2,8. 56% B2O3, 5. 72% Al2O3, 5. 63% Na2O, 2. 13% K2O,3. 57% CaO，其具有應用于形成太陽能吸收體管用接頭的最佳性能。
3.完成玻璃/金屬接頭的方法，其中玻璃屬于權利要求I中描述的組合物族，其特征在于，該方法包括如下階段 -將金屬清洗和去油； -將所述金屬零件進行表面氧化，以促進其在玻璃/金屬接頭中與玻璃的良好粘合；該氧化必須在空氣氣氛下、在850-900°C之間進行，直到所述金屬零件可見微紅色； -加熱玻璃零件，直到溫度達到高于玻璃零件的軟化溫度； -將兩個零件靠近直至接觸，連接所述玻璃和金屬，形成玻璃/金屬接頭，其具有適當性能并足夠用于所求應用； -熱處理得到的玻璃/金屬接頭，以除去所述玻璃和所述玻璃/金屬接頭中存在的拉伸應力；在熱處理的結束時，所述金屬會具有淺灰色。
全文摘要
新的玻璃組合物及生產玻璃/金屬接頭的方法，依據(jù)必要的要求，最重要的，由于熱膨脹系數(shù)的重要性，使得所述熱膨脹系數(shù)調整為匹配實現(xiàn)玻璃/金屬接頭的金屬或合金零件的熱膨脹系數(shù)，從而有可能滿意地生產所述接頭，得到沒有拉伸應力且長期耐用的穩(wěn)固的玻璃/金屬接頭，尤其是可以用于得到零件，以形成太陽能收集器的零件。
文檔編號C03C3/093GK102656124SQ201080049464
公開日2012年9月5日 申請日期2010年8月12日 優(yōu)先權日2009年10月28日
發(fā)明者菲爾蘭德斯 A·梅奧, 阿隆索 F·盧比奧, 梅左 J·L·奧托, 阿隆索 J·盧比奧, N·馬丁內斯·桑斯索 申請人:阿文戈亞太陽能新技術公司