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1、 （ ） ?椤簦澹悖? （ ） ： 硕士学位论文 摘要 玻璃和金属封接技术主要应用于制造各种光电器件。近年来，随着人类对新能源的开发，该技术又应用到太阳能真空集热管中。太阳能真空集热管是槽式太阳能热发电系统的关键部件之一，它在运行过程中，不仅要承受较大的交变载荷，而且需要保持较高的真空度，因此，对玻璃和金属的封接提出了更高要求。 本文主要通过数值分析和试验对玻璃和金属钎焊接头的力学性能与封接工艺进行了研究，主要研究内容及成果如下： （）采用有限元的方法，分析了不同孔隙率对玻璃和金属钎焊接头残余应力的影响。分析结果表明，接头最大拉应力集中在钎料层，其值约为；玻璃侧切应力的最大拉应力值约为，会对接
2、头强度产生重要影响；接头端部附近的应力梯度变化很大，会导致钎料层和基体母材的分离失效；各向最大拉应力和压应力都集中在孔隙层中的孔洞附近；各向应力的压应力和拉应力峰值随孔隙率增加而增大，但当孔隙率达到以后，其增加速度变得很小。 （）基于正交分析和数值模拟的方法研究了玻璃管扩口锥度，搭接长度，可伐合金环厚度和施加的压力等因素对玻璃管和可伐合金钎焊封接接头处玻璃侧残余应力的影响。计算结果表明，施加的压力和可伐合金环的厚度影响最大，玻璃管扩口锥度和搭接长度的影响较小，并以此为基础优化了钎焊接头的参数：玻璃管扩口锥度为。；搭接长度为；可伐合金厚度为；施加的压力为。利用优化的参数设计的接头能够减小接头处玻
3、璃和可伐合金侧的最大拉应力，有利于提高接头的抗拉强度。 （）对玻璃表面进行粗化，实现对玻璃和可伐合金表面的化学镀镍和化学镀铜，然后进行真空钎焊封接。钎焊试验结果表明，玻璃表面的金属化和可伐合金表面的化学镀处理有利于提高封接的成功率；玻璃和可伐合金能够实现较为紧密的连接，但由于镀层和玻璃表面的结合力较小，使一些试件的镀层脱离玻璃基体，发生断裂。 （）利用扫描电子显微镜、射线衍射仪等对玻璃和可伐合金钎焊接头界面的微观组织进行了分析。结果发现，玻璃和钎料层的连接表现出结合力较强的咬合结构，玻璃和可伐合金基体与钎料层在钎焊过程中发生了相互溶解和扩散。这些扩散反应最终使玻璃钎料可伐合金连接在一起，形成了
4、玻璃和金属的钎焊接头。初步探索了玻璃和金属钎焊封接的机理，为以后的研究提供一定的理论依据。关键词：玻璃和金属封接：孔隙率；真空钎焊；数值模拟；残余应力；微观组织 、皇宣：皇；昌宣鲁盏；昌鲁；盆；昔；二；二；盏警；晶；昌；乇；昌：；苫；昌；皇；菡；盆； ， ， ， ， ， ， ， ， ： ； ； ， ， ； ； ， ， ， ， ， ： 。， ， ， ， 、析 ， ； 硕士学位论文， ， ， （） （） ， ， ， ， ： ； ； ； ； 硕士学位论文； 目 录摘要第一章绪论 课题研究背景与意义 玻璃和金属封接国内外研究现状 玻璃和金属实现钎焊连接的难点 本文主要的研究内容 课题的来源第二章孔隙率
5、对玻璃和金属钎焊接头残余应力的影响 引言 有限元模型 材料特性 结果分析与讨论 无孔隙时接头残余应力的分布 有孔隙时接头残余应力的分布 本章小结第三章 玻璃和金属钎焊接头残余应力的影响因素分析 引言 钎焊接头设计参数一 正交方法设计 有限元模型一 结果分析与讨论 本章小结一第四章玻璃和金属钎焊封接试验 引言一 试验材料 玻璃 可伐合金 目 录 钎料一 材料的表面处理 玻璃 可伐合金 钎料 钎焊工艺 钎料的润湿和铺展 钎料的毛细流动 液态钎料和母材的相互作用 真空钎焊工艺 钎焊方法 试验一 钎焊设备 钎焊试验 钎焊试验结果 本章小结第五章钎焊接头微观组织分析 引言一 钎焊接头界面的微观形貌和化学
6、成分分析 试验仪器和试件处理 钎焊接头的微观形貌?矗?钎焊接头断口的形貌和化学成分 钎焊接头断口物相结构分析 玻璃和金属钎焊连接机理探讨一 钎料元素向基体母材的扩散 固体母材向液态钎料的溶解 本章小结一第六章结论和展望 论文主要结论一 展望一 硕士学位论文参考文献在读硕士研究生期间参加的科研项目和发表的论文致谢 硕士学位论文 第一章绪 论课题研究背景与意义 随着科学技术的发展，玻璃的封接技术己成为制造各种高质量电光源、高真空电子管以及其它光电器件不可缺少的手段。而能与玻璃进行封接的材料也不断增加，如各种金属及合金、各种陶瓷和玻璃等。 玻璃与金属的封接件具有密封性好、耐压、耐腐蚀等许多优良性能，
7、广泛应用于电池、电子、汽车、家电、医疗、照明、仪器仪表、军工等行业，近年来随着人类对新能源的需求，该技术又应用到槽式太阳能热发电行业。我国幅员辽阔，具有丰富的太阳能资源和良好的开发利用基础。全国的地区年辐射总量大于，全年日照时数在小时以上，其中青海、西藏、内蒙古、宁夏、陕西省等地光照资源尤为丰富【】。由此可见太阳能的开发利用具有巨大的潜力，是一个十分诱人的产业。 图槽式太阳能热发电系统 在太阳能热发电领域，槽式太阳能热发电技术是目前最成熟的热发电技术。该发电系统是通过将多个槽型抛物面聚光器经过串并联的排列，产生高温，加热工质，产生蒸汽，驱动汽轮机发电机发电的。它具有规模大、寿命长、成本低等特点
8、，非常适合并网发电，已经实现商业化运行。图是该发电技术的流程图，整个系统包括：聚光集热子系统、换热子系统、发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统。图所示的是 第一章绪论直通式太阳能真空集热管，它的热性能和可靠性决定了整个槽式热发电系统的热效率和经济成本，使其成为抛物面槽式太阳能热发电系统的核心部件之一【】。此外，它制造成本较低，容易实现标准化，适合批量生产而被广泛使用。集热管中玻璃管内的同心金属管表面涂有高性能的选择性吸收涂层；玻璃管和金属管之间为真空夹层以减少热损失、保护吸收管表面的选择性涂层，并放有吸气剂以保持真空度；导热介质通过金属管被加热到一定温度，金属管会发生很大的热膨胀，这时需通过
9、两个端部的弹性缓冲组件来吸收。 图真空集热管结构示意图 集热管端部的弹性缓冲组件与玻璃管的封接目前主要采用两种方法，一种是通过可伐合金等膨胀系数介于金属和玻璃之间的过渡材料与玻璃实现封接，称为匹配封接；另一种是缓冲组件直接与玻璃实现封接，称为非匹配封接。工作时由于昼夜交替，金属管将受热胀冷缩的影响，使玻璃与金属封装接头受到很大的拉应力和交变载荷的作用，而集热管在运行过程中还要保持很高的真空度，因而非常容易发生损坏。从美国座槽式太阳能热发电站运行和维护统计数字中可以发现，真空管失效和损坏是造成太阳能电厂最大经济损失的因素，而在 电站运行的年间，的真空管真空失效，主要原因就是玻璃与金属封接处存在较
10、大热应力造成了玻璃管的损坏【。因此，玻璃和金属的封接技术已成为制约集热管使用寿命的关键和难点。 由于承受较大的交变载荷作用，并且需要保持较高的真空度，就对集热管的玻璃与金属间的封装提出了很高的要求。为了解决太阳能热力发电集热管中玻璃与金属封接接头的质量问题以提高集热管的使用寿命，人们做了大量研究，但目前只有德国的公司和以色列的公司成功制造出应用于高温太阳能热发电的真空集热管并批量投 硕士学位论文入生产，但其核心技术外界不得而知。 在上述课题背景下，拟探索研究提高玻璃与金属封接质量的工艺，并对接头的参数进行数值分析和优化。提高封接接头的机械强度和高真空度下良好的密封性，特别是在高温下的使用寿命，
11、在工程应用领域现实意义重大。它对推动抛物面槽式太阳能热发电产业化，提高光热转换效率，降低成本具有深远影响，对中国的新能源发展具有重要的战略意义。玻璃和金属封接国内外研究现状 玻璃与金属封接工艺的研究历史由来已久，早在世纪二十年代，人们就开始尝试用铂和软玻璃进行封接试验【】。随着近代制造业的发展以及人类对各种产品的需求，玻璃与金属封接技术的应用领域不断扩大，要求不断提高，对其技术的研究不断增加。 国内在上个世纪九十年代初期，中国科学院上海硅酸盐研究所的马英仁先生就对玻璃封接的条件及金属的氧化、封接玻璃的要求及适于封接的金属、影响玻璃封接的因素等方面做了详细的阐述期。相比而言，国外对玻璃和金属的封
12、接工艺研究起步较早，世纪六十年代初就有关于以铁、钴、镍为主要成分的金属合金与玻璃进行封接并进行了脱碳性试验研究的报告【】，随后人们开始探索通过氧化手段在金属表面形成层氧化膜以实现和玻璃的熔封封接【】，并取得了重要进展，如在钼丝与硬玻璃匹配封接、钼丝带与石英玻璃进行软金属封接中，不同比例的钼氧化物对封接质量会产生很大影响】。 玻璃与可伐合金之所以能够润湿，主要因为预氧化使得可伐合金表面有了一层氧化膜，可见氧化膜对玻璃和可伐合金的封接具有重要影响。一般认为玻璃与金属熔封封接的机理就是依靠金属表面生成的金属氧化物牢固地附着在金属表面的同时，又能溶解到熔化的玻璃中，在金属氧化层与玻璃之问形成一个成分渐
13、变的过渡层，该过渡层把玻璃和金属氧化层紧紧地粘结在一起，实现玻璃和金属的封接。可伐合金中的铁离子扩散速度比钴和镍快得多，所以预氧化后合金表面氧化膜主要由铁的氧化物组成【，从内到外依次是、【】。其中和结构致密且与玻璃和金属结合紧密，能使封接致密，而的结构疏松，粘附性差，封接后容易漏气，故而认为氧化膜的连续性和致密性对封接有重要作用，具有尖晶石结构的氧化膜是人们所期待的【。研究还表明可伐合金在，混合气氛中氧化处理能抑制的出现四。通过控制混合气氛的配比（比）能够控制氧化膜的生成，以便得到致密封接所希望的氧化物。可伐合金在气氛中进行氧化得到的就是以为主要成分的氧化产物 。 弓 第一章绪论 氧化膜的厚度
14、、氧化膜中不同氧化物的比率【和玻璃的高温粘度、温度、封接时间、保护气氛等均对封接件质量产生影响，特别是氧化膜的厚度对封接件的透气率、强度等有着至关重要的作用。当氧化膜过薄，封接时氧化层会完全熔于玻璃，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，造成金属表面残留较厚的氧化膜，封接件易发生漏气现象，影响其气密性【】。可伐合金与玻璃封接时，在玻璃和金属界面处会较为明显的分为四个区域，分别是可伐合金母材区、贫铁的可伐合金母材区、富铁的可伐合金母材区和玻璃母材区，其中贫铁区富含有钴和镍并带有大量孔洞，可伐合金在高温下表面形成的氧化层主要成分则是们。在型电子玻璃成分中添加微量的与可伐合金表面氧化物成分相近的金属氧化物不但使非界面处玻璃中气孔率降低，界面处玻璃中的气孔数量减少、尺寸减小，而且改变了玻璃化学键的键性，增加封接强度。铁素体不锈钢与玻璃封接时，不锈钢中含有的少量硅会在金属母材与金属氧化物界面处析出，从而会影响到玻璃和金属的封接质量。硼硅玻璃与可伐合金在一定的真空度下封接强度好于在空气中连接，对其接头界面的微观组织分析发现可伐合金中的钴和镍并没有参与玻璃和金属界面的反应，也就是说玻璃和金属界面没有钴和镍的氧化物存在【。 沈卓生教授在高温湿氢脱碳对玻璃一金属封接质量的影响、可伐合金在二元气氛下的氧化行为等方面做了大量工作【，对玻璃和可伐合.