钼片 石英玻璃封接的工艺原理
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摘 要：文章主要研究了金属钼的预氧化对玻璃-钼封接组件性能的影响，将一组金属钼极柱在550℃下预氧化15min，另一组金属钼极柱不做处理，随后，在相同的条件下与玻璃进行封接实验。结果表明，预氧化的钼极柱与玻璃封接成组件后具有良好的微观界面形貌，其各项性能得到了显著的提高。
关键词：钼极柱；预氧化；XS-04；玻璃-金属封接
中图分类号：TM215.7 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）20-0024-02
1 概述
加热无机玻璃，使其与预先氧化的金属或合金表面达到良好的浸润而紧密的结合在一起，随后玻璃和金属冷却至室温时，玻璃和金属仍能牢固地封接在一起，即得到玻璃-金属封接制品[1]。玻璃-金属封接可分为匹配封接与非匹配封接，但不论哪种封接方式，封接过程中玻璃与金属界面的良好封接是保证封接制品具有优异性能的关键[2]。因此，金属材料的预氧化对金属-玻璃组件的封接尤为重要。金属材料经合理的预氧化后在其表层形成一层致密氧化膜，可显著的改善金属与玻璃的浸润性，为玻璃-金属的良好封接提供先决条件[3]。为了保证玻璃-金属的良好封接，金属预氧化时应该注意以下几个方面[4]：（1）氧化层中氧化物的价态合理；（2）氧化层的厚度适中，且不能在反应过程中完全溶于玻璃；（3）氧化层应连续且致密无气孔；（4）氧化层应与金属基体结合牢固且与相应玻璃良好浸润。
随着对玻璃-金属封接制品的使用要求越来越高，传统的可伐合金-玻璃封接组件耐化学腐蚀性差、电流输出密度低及弱磁性等特点使其应用受到了较大的限制。与可伐合金材料相比，金属钼兼具热膨胀系数低、力学性能好、耐腐蚀性强及电流输出密度高等特点[5]，是玻璃-金属封接中一种较为优异的可选材料，成为当前玻璃-金属封接领域研究的一大热点。但金属钼存在难加工、与玻璃浸润性差等缺点，在一定程度上限制了其应用。
本文采用非匹配封接方式，利用借助SEM及EDS等分析手段，研究了预氧化对玻璃-钼封接性能的影响，以便改善金属钼与玻璃浸润性，提高玻璃-钼封接组件破坏强度、气密性以及稳定性等。
2 实验过程
将一组钼极柱在550℃下预氧化15min，使其表面形成均匀连续且厚度合适的氧化物，另一组不做处理，随后，将三者按相应次序组装到石墨模具中，根据玻璃坯体XS-04的热学性质在高温扩散炉中将三者熔封，将所获得封接组件清洗后烘干备用。
采用SEM分析方法观察并对比预氧化及未预氧化钼极柱与XS-04封接界面微观形貌，分析两者结合状态；利用EDS分析未预氧化及预氧化钼极柱与XS-04界面元素分布，探究钼极柱与XS-04界面元素相对移动情况。分别利用电子拉力试样机、核质谱检漏仪对两组样品进行抗压强度、气密测试，每组取10个样品，综合分析两组样品的各项性能。
3 结果与讨论
3.1 微观结构分析
图1为未预氧化（a）及预氧化（b）钼极柱与XS-04封接界面SEM图。从图1（a）中可以看出，未预氧化钼极柱与XS-04封接界面非常疏松，经切割抛磨后出现大面积脱落现象，表明其界面封接强度十分低，这是由于两者之间较大的浸润角降低了封接性能而造成。从图1（b）中可以看出，钼极柱预氧化后形成的表面氧化层在XS-04与钼极柱之间形成良好的过渡层，预氧化钼极柱与XS-04封接界面非常致密，经切割抛磨后未出现脱落现象，表明其界面封接强度较高。研究表明[1]，金属钼经氧化后表面氧化层中存在大量的离子键，使得其与玻璃之间的浸润角大大降低，因而改善XS-04与钼极柱之间封接界面，提高组件的封接性能。
图2未预氧化（a）及预氧化（b）钼极柱与XS-04封接界面EDS图。从图2（a）中可以看出，未预氧化钼极柱与XS-04封接界面处元素分布较为杂乱，无明显分布规律，这是由于两者松散的结合界面经切割抛磨后产生部分脱落或移动而引起的。从图2（b）中可以看出，预氧化钼极柱与XS-04封接界面处元素分布比较规律，由XS-04→过渡层→Mo方向，玻璃中部分元素浓度逐渐平缓降低，而钼元素浓度则逐渐平缓升高。预氧化后的钼极柱表面形成具有一定厚度的均匀连续的氧化层，在封接过程中，氧化层在XS-04与XS-04之间充当中间过渡层的作用，为XS-04中元素以及元素的相对扩散提供了有利条件，这有助于提高XS-04与Mo结合能力。
3.2 抗压强度、气密以及化学稳定性测试
图3未预氧化（a）及预氧化（b）钼极柱与XS-04封接组件抗压强度测试。由图中可以看出，与未经预氧化的钼极柱相比，经预氧化的钼极柱与XS-04封接组件具有更高抗压能力，两者的平均值各为1965.2N和2175.9N，抗压能力提高10%左右。同时，两者方差分别为110和84.8，表明预氧化钼极柱与XS-04封接组件的抗压强度稳定性更好，可靠性更高。
表1未预氧化（a）及预氧化（b）钼极柱与XS-04封接组件气密测试。由表中可以看出，两组封接组件的气密测试都可以满足n×10-10（n=1-9.9）的性能要求，但未預氧化（a）组中数值离散性较大，稳定性低于预氧化（b）组。
上述实验测试结果表明，经预氧化的钼极柱XS-04封接组件具有更高的抗压强度、气密性能，同时，组件各项的稳定性也得到了较大的提升。
4 结束语
本文成功地制备出力学、热学及化学性能优异的玻璃-钼封接组件。实验结果表明，与未经预氧化的钼极柱相比，经预氧化的钼极柱表形成连续均匀致密氧化层，显著改善了金属钼极柱与玻璃之间的浸润性，在封接过程中充当钼极柱与XS-04之间的过渡层，为元素之间的相互扩散提供了有力的保障，大大改善了封接界面的微观组织形貌。在宏观性能方面，与未经预氧化的钼极柱相比，经预氧化的钼极柱与XS-04的封接组件具有更高的抗压强度及气密性，且各项性能稳定性更高。
参考文献：
[1]马英仁.封接玻璃[J].玻璃与搪瓷.
[2]玻璃和金属的封接[M].程文森，张省德，译.国防工业出版社.
[3]J.C. Swearengen， R.J. Eagan. Mechanical properties of molibdenum-sealing glass-ceramics[J]. Journal of Materials science，11（1976）1857-1866.
[4]I.W. Donald，Glass-To-Metals Seals[M].The Society of Glass Technology，2009.
[5]韩强.钼及其合金的氧化、防护与高温应用[J].中国铝业，2002，26（4）：32-34.
[6]G. Leichtfried， G. Thurner， R. Weirather. Molybdenum alloys for glass-to-metal seals[J]. Internation Journal of Refractory Metals and Hard Meterials， 16（1998）13-22.
