專利名稱：一種耐高溫高壓密封用玻璃材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種玻璃，特別涉及一種耐高溫高壓密封用玻璃材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代工、農(nóng)業(yè)及特殊行業(yè)領(lǐng)域，大量使用熱電偶、熱電阻、加熱器件以及信號(hào)連接件等各種功能器件，進(jìn)行溫度、壓力、電磁等參數(shù)的控制與測(cè)量，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的高速發(fā)展，對(duì)封裝材料和密封技術(shù)的要求越來越高，特別是在較苛刻的環(huán)境如高溫、高壓、油氣開采等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的封裝方法如采用各種環(huán)氧樹脂、硅橡膠以及不同的高溫膠進(jìn)行固化密封，由于這些高溫膠均系有機(jī)材料，受自身性能限制，不能在高溫或者高壓環(huán)境中使用， 同時(shí)在服役期間會(huì)發(fā)生老化行為，導(dǎo)致封裝失效，因此不能滿足生產(chǎn)所需。近年來，隨著新型無機(jī)材料的研發(fā)與規(guī)?；a(chǎn)，玻璃與金屬的密封技術(shù)得到了廣泛的重視和應(yīng)用，其封裝產(chǎn)品具有高可靠性、耐高溫、耐高壓、抗氧化、耐腐蝕、高密封、高絕緣等優(yōu)點(diǎn)。但是，對(duì)于更高溫度和壓力環(huán)境中(不低于300°C、不低于IOOMpa)使用的產(chǎn)品的密封選型，目前絕大多數(shù)密封用玻璃材料不能達(dá)到其所需主要性能指標(biāo)，如高絕緣性、 高溫密封性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種應(yīng)用于苛刻環(huán)境介質(zhì)下的元器件封裝，一種可靠性高、耐高溫、耐高壓、抗氧化、耐腐蝕、高密封、高絕緣性能的密封用玻璃材料及其制備方法。本發(fā)明同時(shí)還提供了上述耐高溫高壓密封用玻璃材料與合金進(jìn)行封裝的方法，以及耐高溫高壓密封用玻璃材料的性能測(cè)試方法。本發(fā)明還對(duì)密封器件的高溫密封性和電氣性能進(jìn)行了測(cè)試評(píng)價(jià)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種耐高溫高壓密封用玻璃材料，由下列重量份的組分制成9 12份；H3B03 25 27份；Al2O3 :4 6份；SrCO3 :5 8份；Pb3O4 50 53份；不可避免帶入的其它雜質(zhì)成分< 1份。該配方設(shè)計(jì)具有熔融溫度低、光澤度高、燒成溫度范圍寬、成本低等優(yōu)點(diǎn)。上述耐高溫高壓密封用玻璃材料的制備方法，包括以下步驟
a)、配料按照重量份稱取各組分；
b)、球磨將步驟a中配好的各組分放入球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行球磨，使配料混合均勻，研磨速率為350 450r/min左右，研磨時(shí)間3(T60min ；
c)、預(yù)燒結(jié)將步驟b中球磨好的物料放入燒結(jié)爐中，在空氣氣氛下，以8士3°C/min升溫速率升至800士 10°C，進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，預(yù)燒結(jié)時(shí)間為30士 IOmin ；
d)、升溫預(yù)燒結(jié)后，以10士3°C/min升溫速率升至1350士20°C ；
e)、保溫?zé)Y(jié)；在1350士20°C保溫?zé)Y(jié)30士5min，燒結(jié)過程中進(jìn)行攪拌，使熔料均勻；
f)、水淬將步驟e中熔融好的熔料快速倒入冷水中進(jìn)行水淬處理，得到耐高溫高壓密封用玻璃材料；
g)、球磨處理將所制的耐高溫高壓密封用玻璃材料在球磨機(jī)內(nèi)按濕磨工藝進(jìn)行球磨制粉，濕磨所選介質(zhì)為無水酒精或蒸餾水，研磨速率為350 450r/min左右，時(shí)間為 30士5min ；
h)、分篩將球磨處理后的耐高溫高壓密封用玻璃粉料進(jìn)行分篩分級(jí)處理；
i)、干燥將步驟h中分篩處理好的耐高溫高壓密封用玻璃粉料在120°C的溫度下，干燥處理時(shí)間3(T60min，即得到耐高溫高壓密封用玻璃材料。優(yōu)選的，所述步驟g中濕磨工藝的介質(zhì)為無水酒精或蒸餾水的一種。無水酒精或蒸餾水不會(huì)引人其他有害雜質(zhì)，保證耐高溫高壓密封用玻璃材料的可靠性。該工藝設(shè)計(jì)具有工藝簡(jiǎn)易、成本低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，在制備過程中，對(duì)熔料進(jìn)行水淬處理，使熔料形成熔塊釉，降低了鉛的析出及對(duì)環(huán)境的污染。采用上述配方，通過上述方法制備的耐高溫高壓密封用玻璃材料，可與可伐合金或其他引線金屬、不同牌號(hào)不銹鋼合金如17-4PH、Inconel X-750、Inconel 925、304、316、 316LUCrl8Ni9Ti等合金進(jìn)行匹配密封，密封強(qiáng)度及質(zhì)量?jī)?yōu)異，使其在不同牌號(hào)不銹鋼合金之間或者被封合金之間進(jìn)行封裝，達(dá)到在苛刻環(huán)境中使用的功能器件具備較高的密封性能。上述耐高溫高壓密封用玻璃材料與合金進(jìn)行封裝的方法，包括以下步驟將耐高溫高壓密封用玻璃材料與合金和引線金屬進(jìn)行裝配，在空氣氣氛或真空氣氛下，以 10士3°C /min升溫至700士30°C，保溫25士5min，然后隨爐冷卻，完成耐高溫高壓密封用玻璃材料與合金的封裝。通過控制封裝工藝制度，密封件在高于300 V的環(huán)境中正常使用，封裝結(jié)構(gòu)最大能承受200MPa壓力無泄漏，室溫絕緣電阻高于1000ΜΩ /500VDC，并且封裝表面平滑光整。即密封件在高溫、高壓環(huán)境以及破壞性環(huán)境中正常使用，具備好的穩(wěn)定性和可靠性。優(yōu)選的，所述合金為17-4PH、Inconel X-750、Inconel 925、304、316、316L、 lCrl8Ni9Ti不銹鋼合金中的一種。優(yōu)選的，封裝前對(duì)合金表面進(jìn)行預(yù)氧化處理，使合金表面形成一層過渡氧化層。合金表面預(yù)氧化處理方法為在空氣氣氛下將合金置于燒結(jié)爐中進(jìn)行氧化處理，以10士3°C / min升溫至700士50°C，保溫10士aiiin，然后隨爐冷卻。合金表面形成一層過渡氧化層，可以增強(qiáng)合金與耐高溫高壓密封用玻璃材料之間的結(jié)合力，使玻璃與合金結(jié)合成一個(gè)整體， 結(jié)合更加牢固，其密封結(jié)構(gòu)難以破壞。上述耐高溫高壓密封用玻璃材料的性能測(cè)試方法，其特征在于包括以下步驟
(1)、絕緣電阻測(cè)試將密封件密封部位浸泡在水中24h后，用超高電阻測(cè)試儀測(cè)量其絕緣電阻，絕緣電阻大于1000MQ/500VDC，即滿足產(chǎn)品的高絕緣要求；
(2)耐壓強(qiáng)度測(cè)定耐壓強(qiáng)度是在超高壓試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，在150MI^壓力下保壓4h不泄漏，或200MI^壓力保壓Ih無泄漏，即密封件在高壓環(huán)境中正常使用，符合耐壓要求；
(3)破壞性試驗(yàn)用鋼制工具對(duì)密封結(jié)構(gòu)處進(jìn)行敲擊或鉆孔破壞，玻璃與合金結(jié)合成一個(gè)整體，不能破壞其密封結(jié)構(gòu)。性能測(cè)試可以保證每一批次的耐高溫高壓密封用玻璃材料可以符合要求，避免由于操作失誤造成不符合要求的產(chǎn)品出現(xiàn)。
本發(fā)明的一種耐高溫高壓密封用玻璃材料及其制備方法有益效果是，本密封玻璃材料，可與可伐合金或其他引線金屬、不同牌號(hào)不銹鋼合金如17-4PH、Inconel X-750、 Inconel 925、304、316、316L、lCrl8Ni9Ti等合金進(jìn)行匹配密封，密封強(qiáng)度及質(zhì)量?jī)?yōu)異。通過控制封裝方法，密封件能在高于300°C的環(huán)境中正常使用，封裝結(jié)構(gòu)最大能承受200MI^壓力無泄漏，室溫絕緣電阻高于1000MQ/500VDC，并且封裝表面平滑光整。即密封件能在高溫、高壓環(huán)境以及破壞性環(huán)境中正常使用，具備好的穩(wěn)定性和可靠性。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實(shí)施例范圍之中。實(shí)施例1
一種耐高溫高壓密封用玻璃材料，由下列重量份的組分制成SiA :0. 9 kg ；H3BO3 2. 5 kg ；Al2O3 :0. 4 kg ；SrCO3 :0. 5 kg ；Pb3O4 5 kg ；并使不可避免帶入的其它雜質(zhì)成分彡0. 1 kg。上述耐高溫高壓密封用玻璃材料的制備方法，包括以下步驟
a)、配料按照重量份稱取各組分；
b)、球磨將步驟a中配好的各組分放入球磨機(jī)內(nèi)以350r/min左右的速度進(jìn)行混料球磨60min，使配料混合均勻；
c)、預(yù)燒結(jié)將步驟b中球磨好的物料取出置于坩堝內(nèi)，放入燒結(jié)爐中，在空氣氣氛下， 以5°C /min左右升溫速率升至800°C，進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，預(yù)燒結(jié)時(shí)間為30min ；
d)、升溫預(yù)燒結(jié)后，以7°C/min左右升溫速率升至1330°C ；
e)、保溫?zé)Y(jié)；在1330°C保溫?zé)Y(jié)35min熔融燒結(jié)，燒結(jié)過程中進(jìn)行攪拌，使熔料均
勻；
f)、水淬將步驟e中熔融好的熔料快速倒入冷水中進(jìn)行水淬處理，得到耐高溫高壓密封用玻璃材料；
g)、球磨處理將所制的耐高溫高壓密封用玻璃材料在球磨機(jī)內(nèi)按濕磨工藝進(jìn)行球磨制粉，濕磨的介質(zhì)為無水乙醇，研磨速率為350r/min，時(shí)間為30min ；
h)、分篩將球磨處理后的耐高溫高壓密封用玻璃粉料進(jìn)行分篩分級(jí)處理；
i)、干燥將步驟h中分篩處理好的耐高溫高壓密封用玻璃粉料在120°C的溫度下，干燥處理時(shí)間30min，即得到耐高溫高壓密封用玻璃材料。耐高溫高壓密封用玻璃材料與合金進(jìn)行封裝的方法，包括以下步驟封裝前對(duì)合金表面進(jìn)行預(yù)氧化處理，使合金表面形成一層過渡氧化層，合金表面預(yù)氧化處理方法為在空氣氣氛下將合金置于燒結(jié)爐中進(jìn)行氧化處理，以7V /min左右速率升溫至700°C，保溫 IOmin,然后隨爐冷卻，再將耐高溫高壓密封用玻璃材料與17-4PH合金和引線金屬進(jìn)行裝配，在空氣氣氛或真空氣氛下，以7。C /min左右速率升溫至680°C，保溫25min，然后隨爐冷卻，完成耐高溫高壓密封用玻璃材料與合金的封裝。耐高溫高壓密封用玻璃材料的性能測(cè)試方法，包括以下步驟
(1)、絕緣電阻測(cè)試將密封件密封部位浸泡在水中24h后，用超高電阻測(cè)試儀測(cè)量其絕緣電阻，絕緣電阻大于1000MQ/500VDC，即滿足產(chǎn)品的高絕緣要求；
(2)耐壓強(qiáng)度測(cè)定耐壓強(qiáng)度是在超高壓試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，在150MI^壓力下保壓4h不泄漏，或200MI^壓力保壓Ih無泄漏，即密封件在高壓環(huán)境中正常使用，符合耐壓要求；
(3)破壞性試驗(yàn)用鋼制工具對(duì)密封結(jié)構(gòu)處進(jìn)行敲擊或鉆孔破壞，玻璃與合金結(jié)合成一個(gè)整體，不能破壞其密封結(jié)構(gòu)為合格。實(shí)施例2
一種耐高溫高壓密封用玻璃材料，由下列重量份的組分制成SiA :1. 2 kg ；H3BO3 2. 7 kg ；Al2O3 :0. 6 kg ；SrCO3 :0. 8 kg ；Pb3O4 :5. 3 kg ；并使不可避免帶入的其它雜質(zhì)元素彡0. 1 kg。上述耐高溫高壓密封用玻璃材料的制備方法同實(shí)施例1，球磨機(jī)以450r/min左右的速度進(jìn)行混料球磨30min ；預(yù)燒結(jié)以11°C /min左右升溫速率升至810°C ；在步驟g中球磨處理的濕磨工藝的介質(zhì)為蒸餾水。耐高溫高壓密封用玻璃材料與hconel X-750不銹鋼合金和引線金屬進(jìn)行封裝， 封裝的方法同實(shí)施例1，在空氣氣氛或真空氣氛下，以13°C /min左右速率升溫至720V。耐高溫高壓密封用玻璃材料的性能測(cè)試方法同實(shí)施例1。經(jīng)測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)符合要求。實(shí)施例3
一種耐高溫高壓密封用玻璃材料，由下列重量kg的組分制成:1. 0 kg ；H3BO3 2. 6 kg ；Al2O3 :0. 5 kg ；SrCO3 :0. 6 kg ；Pb3O4 :5. 1 kg ；不可避免帶入的其它雜質(zhì)元素彡 0. 1 kg。上述耐高溫高壓密封用玻璃材料的制備方法同實(shí)施例1，球磨機(jī)以400r/min左右的速度進(jìn)行混料球磨45min ；預(yù)燒結(jié)以8°C /min左右升溫速率升至810°C;在步驟g中球磨處理的濕磨工藝的介質(zhì)為蒸餾水。耐高溫高壓密封用玻璃材料與hconel 925不銹鋼合金進(jìn)行封裝，封裝的方法同實(shí)施例1，在真空氣氛下，以10°c /min左右速率升溫至720°C。耐高溫高壓密封用玻璃材料的性能測(cè)試方法同實(shí)施例1。經(jīng)測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)符合要求。實(shí)施例4
其他同實(shí)施例1，耐高溫高壓密封用玻璃材料與304不銹鋼合金進(jìn)行封裝，封裝的方法同實(shí)施例1，在空氣氣氛下，以8°C /min左右速率升溫至680°C。耐高溫高壓密封用玻璃材料的性能測(cè)試方法同實(shí)施例1。經(jīng)測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)符合要求。實(shí)施例5
其他同實(shí)施例1，耐高溫高壓密封用玻璃材料與316不銹鋼合金進(jìn)行封裝，封裝的方法同實(shí)施例1，在空氣氣氛下，以9°C /min左右速率升溫至700°C ；
耐高溫高壓密封用玻璃材料的性能測(cè)試方法同實(shí)施例1。經(jīng)測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)符合要求。實(shí)施例6
其他同實(shí)施例1，耐高溫高壓密封用玻璃材料與316L不銹鋼合金進(jìn)行封裝，封裝的方法同實(shí)施例1，在真空氣氛下，以10°C /min左右速率升溫至710°C ；
耐高溫高壓密封用玻璃材料的性能測(cè)試方法同實(shí)施例1。經(jīng)測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)符合要求。實(shí)施例7
其他同實(shí)施例1，耐高溫高壓密封用玻璃材料與ICrlSMOTi不銹鋼合金進(jìn)行封裝，封裝的方法同實(shí)施例1，在空氣氣氛下，以10°c /min左右速率升溫至720°C ；
耐高溫高壓密封用玻璃材料的性能測(cè)試方法同實(shí)施例1。經(jīng)測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)符合要求。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求
1.一種耐高溫高壓密封用玻璃材料，其特征在于由下列重量份的組分制成=SiO2 9 12 份；H3BO3 25 27 份；Al2O3 :4 6 份；SrCO3 :5 8 份；Pb3O4 50 53 份；不可避免帶入的其它雜質(zhì)成分1份。
2.權(quán)利要求1所述耐高溫高壓密封用玻璃材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟a)、配料按照重量份稱取各組分；b)、球磨將步驟a中配好的各組分放入球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行球磨，使配料混合均勻，研磨速率為350 450r/min，研磨時(shí)間3(T60min ；c)、預(yù)燒結(jié)將步驟b中球磨好的物料置于坩堝內(nèi)放入燒結(jié)爐中，在空氣氣氛下，以 8士3°C /min升溫速率升至800士 10°C，進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，預(yù)燒結(jié)時(shí)間為30士 IOmin ；d)、升溫預(yù)燒結(jié)后，以10士3°C/min升溫速率升至1350士20°C ；e)、保溫?zé)Y(jié)；在1350士20°C保溫?zé)Y(jié)30士5min，燒結(jié)過程中進(jìn)行攪拌，使熔料均勻；f)、水淬將步驟e中熔融好的熔料快速倒入冷水中進(jìn)行水淬處理，得到耐高溫高壓密封用玻璃材料；g)、球磨處理將所制的耐高溫高壓密封用玻璃材料在球磨機(jī)內(nèi)按濕磨工藝進(jìn)行球磨制粉，研磨速率為350 450r/min，時(shí)間為30士5min ；h)、分篩將球磨處理后的耐高溫高壓密封用玻璃粉料進(jìn)行分篩分級(jí)處理；i)、干燥將步驟h中分篩處理好的耐高溫高壓密封用玻璃粉料在120°C的溫度下，干燥處理時(shí)間3(T60min，即得到耐高溫高壓密封用玻璃材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的耐高溫高壓密封用玻璃材料的制備方法，其特征在于所述步驟g中濕磨工藝的介質(zhì)為無水酒精或蒸餾水的一種。
4.權(quán)利要求1所述耐高溫高壓密封用玻璃材料與合金進(jìn)行封裝的方法，其特征在于 包括以下步驟將耐高溫高壓密封用玻璃材料與合金和引線金屬進(jìn)行裝配，在空氣氣氛或真空氣氛下，以10士3°C /min升溫至700士30°C，保溫25士5min，然后隨爐冷卻，完成耐高溫高壓密封用玻璃材料與合金的封裝。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的耐高溫高壓密封用玻璃材料與合金進(jìn)行封裝的方法，其特征在于所述合金為 17-4PH、Inconel X-750、Inconel 925、304、316、316L、lCrl8Ni9Ti 不銹鋼合金中的一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的耐高溫高壓密封用玻璃材料與合金進(jìn)行封裝的方法，其特征在于封裝前對(duì)合金表面進(jìn)行預(yù)氧化處理，使合金表面形成一層過渡氧化層，合金表面預(yù)氧化處理方法為在空氣氣氛下將合金置于燒結(jié)爐中進(jìn)行氧化處理，以10士3°C /min升溫至 700士50°C，保溫10士anin，然后隨爐冷卻。
7.權(quán)利要求1所述耐高溫高壓密封用玻璃材料的性能測(cè)試方法，其特征在于包括以下步驟(1)、絕緣電阻測(cè)試將密封件密封部位浸泡在水中24h后，用超高電阻測(cè)試儀測(cè)量其絕緣電阻，絕緣電阻大于1000MQ/500VDC，即滿足產(chǎn)品的高絕緣要求；(2)耐壓強(qiáng)度測(cè)定耐壓強(qiáng)度是在超高壓試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，在150MI^壓力下保壓4h不泄漏，或200MI^壓力保壓Ih無泄漏，即密封件能在高壓環(huán)境中正常使用，符合耐壓要求；(3)破壞性試驗(yàn)用鋼制工具對(duì)密封結(jié)構(gòu)處進(jìn)行敲擊或鉆孔破壞，玻璃與合金結(jié)合成一個(gè)整體，不能破壞其密封結(jié)構(gòu)為合格。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種耐高溫高壓密封用玻璃材料及其制備方法，由下列重量份的組分制成SiO29～12份；H3BO325～27份；Al2O34～6份；SrCO35～8份；Pb3O450～53份；不可避免帶入的其它雜質(zhì)元素≤1份。上述耐高溫高壓密封用玻璃材料的制備方法，包括以下步驟a)配料；b)球磨；c)預(yù)燒結(jié)；e)保溫?zé)Y(jié)；e)水淬；f)球磨處理；g)分篩；h)干燥。本發(fā)明還提供了上述耐高溫高壓密封用玻璃材料與合金進(jìn)行封裝的方法以及性能測(cè)試方法。本發(fā)明的密封玻璃材料可與可伐合金或其他引線金屬、不同牌號(hào)不銹鋼合金進(jìn)行匹配密封，密封強(qiáng)度及質(zhì)量?jī)?yōu)異；通過控制封裝方法，密封件能在高溫、高壓環(huán)境以及破壞性環(huán)境中正常使用，具備好的穩(wěn)定性和可靠性。
文檔編號(hào)C03C8/24GK102276150SQ20111014689
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月2日
發(fā)明者唐會(huì)毅, 崔小勁, 張祖力, 張立新, 王 華, 羅維凡, 肖國(guó)忠, 陳潔 申請(qǐng)人:重慶儀表材料研究所