更稳定、更高效的玻璃-金属密封新技术

材料牛注：美国科研人员正在做更稳定、更高效的玻璃-金属密封工艺的研发工作。

在国防和航空航天工业中不锈钢的组件在极端环境下可以起到保护作用；这些组件需要可以使电流通过并与其发生作用的轨道。这些轨道需要一个绝对的密封防止他们和金属外壳接触，这样的话就可能会阻止电流的通过。良好的密封连接技术至关重要，美国桑迪亚国家实验室Steve Dai团队就一直在改进这一技术。

一般来说，用于隔离电气轨道的材料不是玻璃就是微晶玻璃复合材料。Dai是做微晶玻璃与不锈钢连接项目的研究员，一直致力于研究性能更为可靠的微晶玻璃与不锈钢密封技术。

对于比较耐用的密封件来说，需要微晶玻璃和金属之间有很强的化学键，并且材料之间要有良好的热膨胀系数匹配。晶态的微晶玻璃中的玻璃成分可以增加热膨胀系数，这样可以和金属外壳形成良好的配合，并能减少热应力。

Dai表示，因为连接在一起的微晶玻璃必须经过高温处理，所以要小心处理材料之间的失配问题，因为在封装的任何阶段玻璃上都不会被施加拉伸应力， 否则可能会出现裂纹。

可预见的潜在工业用途

在高温高压下的强密封是有良好的潜在工业用途的，比如在极端环境中的燃料电池和航空航天领域与国防上的应用。

纯净的玻璃在高温条件下要比金属的收缩率小，这种不匹配在压缩密封时会使金属卷曲。如此一来有利也有弊。优点是不需要有特别强的连接，因为密封的过程中会有许多压缩；缺点是太多的压缩在长时间使用过程中会压碎玻璃。Dai的团队发现如果金属和微晶玻璃之间能形成化学键就不用在封接过程中增加步骤，中间材料就可以连接金属和玻璃。而这是十分困难的，因为金属和玻璃是截然不同的两种材料。

金属和玻璃的密封是在无氧的惰性气体保护的条件下完成的，如若不然金属可能会和空气接触，导致氧化生锈。但是这里存在一对矛盾：金属和微晶玻璃的连接需要氧气，所以界面的连接处还是存在氧化层的。

这的确是一个问题，该如何解决呢？有人对金属做预氧化处理，但是Steve Dai说：“我们不打算这么干！”

微晶玻璃与氧化剂的改性方法

Steve Dai的改性方法是在微晶玻璃密封材料上涂氧化剂，氧化剂的作用是代替金属氧化物，这样氧化剂在高温条件下分解扩散，为不锈钢中的金属铬供氧。氧化铬在微晶玻璃和金属的界面就会形成良好的密封效果。他们已经研究出了24种可改性的微晶玻璃组成物，而且它们无毒易处理。

研究人员确认了两种涂在微晶玻璃上效果最好的的改性剂。Dai说它们虽然不是最好的，但是也已经是一个伟大的进步。他们发现在微晶玻璃和金属之间的化学键非常牢固，如果我们把它破坏，一定是从玻璃处断开的。研究人员们还研究了界面之间的键合是牢固的，否则就不会在玻璃处破坏了。

其他因素的影响

在密封过程中如果不小心，玻璃有可能粘到金属外壳，为了防止这种情况发生，在密封的时候我们使用石墨固定。

但是有一个问题，和不锈钢一样，石墨也会和氧气发生反应。

从本质上来说，这是一个热力学平衡过程，如果金属外壳和氧气反应，这是我们愿见的结果。倘若石墨反应了，那就不好了。这真是一个微妙的反应平衡！

在密封过程中，微晶玻璃会变成结晶相，这是一个高膨胀系数的晶相，增加的热膨胀系数可以和高膨胀系数的金属更好的配合。但是，由于这种晶态相的体积突变，在密封过程中微晶玻璃的膨胀不会随温度线性变化。这样，金属和微晶玻璃之间的热应力变化率也不会有良好的配合。

控制结晶相困难但很重要

因为每一种相在几百摄氏度范围内会有体积突变，研究人员想知道在什么温度下可以控制结晶过程，使其分解出两到三种高膨胀率的结晶相。

Steve Dai说：“我们试图做出两种或者更多的多结晶相来消除微晶玻璃的热应力。结果发现，并没有出现非线性变化的应力变化状态，而是一种更接近线性变化的应力曲线，和金属也能形成良好的配合。”

在高温条件下控制多结晶相是很有难度的，我们要确保密封时所有相达到一个良好的平衡，并让它们按照理想的顺序和组分全部结晶，这些都会持续提高密封效果。

下一步，科研人员将验证该方法是否适合于工业生产，并将测试是否能够达到预期结果。

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本文由材料牛编辑梅墨卿整理。