玻璃-金属封接工艺的封接材料与接头形式(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学 作者:张以忱

       玻璃-金属真空密封接头对膨胀系数匹配的要求, 决定于接头形状、金属的塑性以及退火方法等。玻璃与金属间的封接质量决定于金属氧化物层。金属氧化物溶解在玻璃内并对金属产生很强的粘附作用。氧化物层有些是在封接过程中产生的, 有些则是在封接前预先氧化处理形成。封接前, 金属必须彻底除气, 否则在接头的玻璃内会出现气泡, 造成接头漏气。匹配封接要求玻璃和金属间的膨胀系数值相接近, 设计时应仔细检查从室温到玻璃软化温度整个区域内的膨胀特性曲线。如图2所示,玻璃直到退火温度, 膨胀曲线近似是直线, 然后则明显增大。纯金属在同样温度范围内几乎是线性的, 更高温度时并不明显增大。对膨胀特性作比较发现,有几种金属能和玻璃封接而不会产生很大的应变。例如, 钨和钼能和特别研制的硼硅玻璃封接。钨的膨胀系数是44.5×10-7℃21(0℃~500℃),能和DW-21玻璃或7720玻璃封接。钼的膨胀系数是54. 4×10-7℃21能和DM-305或7052玻璃封接。这种封接限于金属的丝料或引线, 玻璃处于压应力状态。通常总是在引线的封接部位先烧上玻珠使封接容易并避免引线过度氧化。

      玻璃-金属匹配封接常用的封接材料主要有: 铁合金(镍钢) , 通过改变镍的含量从35%到65% , 膨胀系数连续地变化, 这样便能获得恰好与真空玻璃相匹配的合金。这些合金的膨胀系数在磁转变点(居里点) 增大, 这更有利于匹配退火温度下的玻璃为。典型合金的膨胀特性曲线如图2 所示。镍钢内镍含量少, 膨胀系数变小, 居里点也降低。若要居里点高于400℃, 镍含量就必须大于44%, 这样膨胀系数便大于70×10-7℃21, 这只能和软玻璃封接。例如,50%N i250%Fe 合金, 膨胀系数约90×10-7℃21 , 居里点约500℃, 能和DB-401 玻璃或0120 玻璃匹配封接。为了改善接头的真空密封性, 常常添加少量铬(0.8%~6%)。封接时生成的氧化铬溶入玻璃内并牢固地粘附于合金表面。

玻璃封接合金的膨胀系数-温度曲线 

图2 几种玻璃封接合金的膨胀系数-温度曲线

       通常把42%N i258%Fe 合金丝外包一层重量为18%~28% 高导无氧铜, 称为杜美丝(Dumet)。铜在氢气内用银铜焊料钎焊到合金杆上, 然后拉成丝, 并涂上硼酸盐。这种丝的轴向膨胀系数为65 ×10-7℃21, 比铂组玻璃小, 但由于封接时生成的氧化亚铜与玻璃和铜粘附力强, 而且铜层富有弹性, 所以这种丝能与铂组玻璃真空封接, 并称为杜美封接。

       可伐(Kovar)合金为在镍钢中添加钴,或者用钴部分地代替镍,使居里点升高,但基本上不影响膨胀系数。这种合金可用来和硬玻璃封接。其基本组成是54%Fe、29%N i 和17%Co,膨胀系数约50×10-7℃21, 居里点约435℃,能和DM-346或7052玻璃匹配封接。可伐封接前在湿氢气炉内900℃处理1小时,或1000℃处理30分钟,封接时在空气中加热到850℃,使其表面氧化,然后靠压力使它与加热到同样温度的玻璃封接在一起,真空密封接头应是灰白色。可伐接头允许烘烤到450℃。必须注意接头在低于200K下的工作,可伐会改变结构,膨胀系数增大。

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