翻新时间:2013-12-18
钼片-石英玻璃封接的工艺原理-太阳能灯节能技术论文(1)
许多近代节能光源都以石英玻璃作为灯壳。这时,作为导线的金属-石英玻璃封接就是必不可少的部件。
它的质量直接影响灯的成品率和寿命。 众所周知,由于石英玻璃的膨胀系数很小(α=5.4×10-7K-1),找不到膨胀系数和它接近的耐高温金属与它进行匹配封接。
钼片――石英玻璃的非匹配封接工艺简单、成本低廉,可在很高的温度下反复使用,已广泛用于各种光源的生产中。但是我们对它的工艺原理、影响其寿命的因素,了解还是不够,本文将就此问题作一介绍,希望能有利于产品质量的提高。
(1)基本结构 钼是一种耐高温的柔性金属,其熔点为26100C,远高于石英的软化温度(15500C)。把钼板延压成3~5μ的薄片,切成条形,两侧腐蚀成刀口状,成为封接用的钼片。
在钼片两端分别点焊上电极和外导丝,把点焊好的钼片放入石英玻璃管内,在保护气体中将它们加热至石英玻璃的软化温度以上,然后加压成形,石英玻璃和钼片粘合在一起,形成气密封接,见图1。在封接后,封接件渐渐冷却。
当封接件温度在石英玻璃的退火温度以上时(大于14000C),虽然钼片与石英玻璃的膨胀系数有很大差别,但因石英玻璃的粘滞性还较小,有一定的流动性,在冷却速度较慢条件下,一般不会产生永久性的应力。当封接件温度下降到转换温度以下时,石英玻璃失去塑性变形能力。
由于钼片的膨胀系数(α=4.9×10-6k-1)远大于石英,钼片收缩远大于石英玻璃,于是在钼片与石英玻璃的界面上产生了张应力,幸而钼片是柔性金属,而且又很薄,在此应力作用下发生塑性变形,使应力充分释放,石英玻璃和钼片仍能粘合在一起而不会炸裂,使封接保持气密。
(2)应力和钼片形状的关系 钼片-石英玻璃封接的应力能否充分释放,主要取决于钼片的形状。只有在钼片很薄、即钼片的宽度和厚度之比(宽/厚)很大时,应力才能够充分释放。
表1是在钼片的截面相同(0.078mm2)时,(宽/厚)比与石英玻璃中应力之间的关系。 由表1可见,当(宽/厚)比为1时,应力高达440MPa,远大于石英玻璃的忍受能力。
当(宽/厚)比增大到115时,应力降低到2.2MPa,减小了约200倍,使钼片-石英玻璃封接不会炸裂。表2是我们常用的钼片尺寸。
这里需要指出钼片边缘的角度,虽然对应力的影响不大,但是角度太大,在压封时容易在边缘形成空隙,造成漏气。
(3)钼片涂银 当应力释放不很充分时,在钼片-石英玻璃界面上就有可能形成细微的裂纹。这些裂纹往往难以用肉眼觉察到,但在40倍以上的显微镜下还是可以观察到。
这时封接件在刚压封好时,大多还能保持气密。但是在灯工作一段时间后,灯的经常开关,使封接件受到反复的冷――热冲击,细纹可能扩大,最终导致漏气。
特别是有些灯需要在液氮温度下充气或充卤化物,使温差更大,容易造成漏气。研究发现,在钼片上涂上一薄层银,可防止裂纹的形成。
可能是在压封时,因银的熔点较低(9600C),在封接温度下熔化,在钼表面形成大量微颗粒,它们很容易在冷却过程中塑性变形,有效释放应力,防止裂纹的形成。
(4)钼片-石英玻璃之间的化学粘着力 为保证钼-石英玻璃封接的气密性,两者之间良好的粘着是基本条件。化学粘着力来自钼褪⒉Aе湓诜饨游露认碌难趸乖从Γ涸陬猕D―石英玻璃界面上,二氧化硅被还原、钼被氧化,形成极薄的氧化钼层,它在高温下渗透扩散进入石英玻璃中,形成过渡层,保证了两者的气密封接。
若过渡层太薄,化学粘着力强度就较低;反之若过渡层太厚,钼表面严重氧化,那么,它可能会和钼片剥离,造成漏气。过渡层的厚薄,取决于封接温度、保护气体的纯度等因素。
(5)钼片-石英玻璃之间的物理粘着力 物理粘着力包括范德瓦尔斯分子力和两表面之间的机械联结。与两表面之间的机械力来比,范德瓦尔斯分子力很小,不起很大作用。
机械联结与钼表面微观物理性质有关。从微观角度来看,钼
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