真空玻璃的阳极键合密封技术研究

作     者：卢佳 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩杰才

授予年度：2008年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：真空玻璃 传热机理 阳极键合 电场力 

摘      要：中空玻璃逐渐取代隔热很差的单片玻璃,但是由于气体的对流传热和导热很大,即使充有氪气、氙气等大分子气体,中空玻璃的传热系数U值也无法降到1Wm-2K-1以下。将玻璃之间腔体抽成真空,是提高隔热性能的一种有效办法。真空玻璃的两片玻璃被四周边缘的密封剂连接,来保持其间的真空度好于10-1Pa。每片玻璃表面镀有低辐射率的红外反射膜(low-e膜)来减少热辐射,腔体之间布置支撑物阵列来防止外界大气压把玻璃压垮。 本文分析了真空玻璃的传热机理,整个真空玻璃单元的传热由残余气体传热、支撑物传热、四周封边传热和辐射传热组成。目前市场上的真空玻璃由于高温封边工艺的限制,无法采用辐射率很低的low-e膜,辐射传热比较大,可见的报道中最低的U值为0.9Wm-2K-1。本文采用阳极键合技术作为真空玻璃低温密封的方法,这样就可以选用辐射率很低的镀膜(0.04),理论上真空玻璃的U值可降为0.5Wm-2K-1以下。 阳极键合是在电压和加热的作用下,将导电性材料(如金属和半导体)和非导电材料(如玻璃和陶瓷)之间连接。它的特点是被焊接材料之间无需中间介质可在固态下结合,结合速度快,温度低。本文先在大气下进行了阳极键合作为真空玻璃密封的可行性实验,然后在真空室中(5?10-2Pa)分别进行了铝与玻璃的阳极键合实验、Sn-Ag合金与玻璃的阳极键合实验、Sn-0.5Al合金与玻璃的阳极键合实验,对实验样品进行了泄漏率检测、超声波界面缺陷检测、力学性能检测、界面微观结构的扫描电镜观察和能谱分析。 实验结果显示,阳极键合只有在电压和温度高于一定的数值时才能实现,键合回路的电流随电压和温度的升高而增大。结合面发生了氧元素和金属元素的扩散,玻璃中靠近阳极一侧存在碱金属的耗尽层。与真空玻璃间隔相当厚度的铝片无法将两片玻璃密封焊接;Sn-3.5Ag, Sn-3.0Ag-0.5Cu两种合金与玻璃的结合强度较低,界面缺陷较多。Sn-0.5Al合金在真空下加热到300°C时熔化。熔化后的合金与玻璃形成均匀而良好的直接结合。这样的熔化“新区与玻璃在阳极键合过程中,形成坚固的结合。开发了一个焊料浇注的装置,先在玻璃表面浇注熔化后的焊料,然后在真空室中进行阳极键合密封实验。利用这套装置,制造了泄漏率小于2?10-10 mbar l-1 s-1的密封样品。 另外,本文对阳极键合中产生的电场力进行了计算分析。分析认为,电场作用下玻璃介质的极化是阳极键合实现的一个重要原因。界面间产生的几MPa数量级的压强,实现两焊接材料界面的紧密接触。