江苏秋正新材料科技有限公司
    低膨胀系数封接玻璃——高硼硅玻璃粉

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    高硼硅玻璃粉 作为封接材料时,本质上是把“高硼硅玻璃”做成粉,配成浆料/膏体,涂在要封接的面上,然后加热到它的软化/熔融温度区间(低温封接粉可以低到400–500℃,常规高硼硅封接一般在700–1000℃),使粉末熔融、润湿基材,再冷却形成一层致密的“玻璃焊缝”。

    通常用于:玻璃‑玻璃、玻璃‑陶瓷、玻璃‑金属之间需要耐高温、耐腐蚀、气密封的场合(如真空器件、传感器、电池封装、光伏组件、光学器件等)。

    江苏秋正新材料的高硼硅玻璃粉有很多种型号可供客户挑选,比如B-3013、B-3014、B-3022等,均为成熟工艺产品,下面我们简单介绍一下这种高硼硅玻璃粉的使用。


    制备成玻璃焊料膏(浆料)
    玻璃焊接料.png


    高硼玻璃粉本身是干燥的粉末,无法直接使用。它必须被配制成一种可以涂敷或预成型的膏状物。这是最关键的一步。


    01

    膏浆的基本组成:


    高硼玻璃粉(功能主体):根据封接对象的膨胀系数选择或调整玻璃粉的化学成分和粒度(通常为数微米到几十微米)。粒度影响烧结活性和表面光滑度。

    有机载体(临时粘结剂和溶剂):将玻璃粉粘结在一起,形成可操作的膏体。

    粘结剂:如乙基纤维素、丙烯酸树脂等,提供膏体的强度和塑性。

    溶剂:如松油醇、丁基卡必醇等,调节膏体的粘度和流动性,便于印刷或涂布。

    增塑剂/流平剂:改善膏体的工艺性能。

    可能的添加剂:有时会添加少量金属氧化物(如CuO,Fe₂O₃)来调节玻璃的熔融特性或改善其对金属的润湿性。

    膏浆的制备:将玻璃粉与有机载体按一定比例(通常玻璃粉占固体含量的80%以上)在搅拌机或三辊研磨机上充分混合、研磨,形成均匀细腻、粘度适中的膏状物。


    典型的封接工艺流程


    整个流程可以概括为“准备->涂覆->排胶->烧结封接->冷却退火”。


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    步骤1:表面准备


     被封接件:通常是金属件(如可伐合金、无氧铜、不锈钢)和陶瓷件/玻璃件。

    清洁:彻底清洁封接表面,去除油污、氧化层和杂质。常用超声清洗(丙酮、酒精等)。

    金属预氧化:对于某些金属(如可伐合金),需要先在可控气氛中进行预氧化,在其表面生成一层薄而致密的氧化层。这层氧化层有助于熔融玻璃的润湿和化学键合。


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    步骤2:膏浆涂敷/预成型


    这是将材料放置到需要封接位置的步骤,主要有几种方法:

    丝网印刷:对于平面或规则曲面,将膏浆印刷到其中一个封接面上。精度高,厚度可控。

    涂刷或点胶:对于不规则形状或局部封接,使用毛笔或点胶机手动/自动涂布。

    预制生料带/垫片:将膏浆轧制成薄片,然后冲压成垫圈、环状等所需形状,干燥后作为预制件放置在封接面之间。这种方法便于自动化组装,厚度均匀。

    直接放置粉料:对于某些特殊结构,也可以将干燥的玻璃粉直接填入缝中,但较少用。


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    步骤3:装配与固定


    将涂有膏浆的部件与另一部件精确对准、装配,并用夹具(如石墨夹具、弹簧夹)轻轻固定,防止在烧结过程中移位。


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    步骤4:排胶(脱脂)


    这是至关重要的一步。将装配好的部件放入烧结炉中,在氧气或空气气氛中,以缓慢的升温速率(如1-5°C/分钟)加热到400-600°C左右,并保温一段时间。

    目的:使膏浆中的有机载体(粘结剂、溶剂)完全分解、燃烧、挥发掉。如果排胶不彻底,残留的碳会在后续高温下形成气泡,破坏封接层的致密性和气密性。


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    步骤5:烧结封接(高温熔封)


    排胶完成后,继续在保护性气氛(如氮气、氩气、或根据需要调节的氮氢混合气)或空气中,以较快的速率升温到玻璃的封接温度。

    封接温度:通常设定在玻璃的软化点以上、熔融温度以下的一个特定温度平台(例如,比玻璃的软化点高50-150°C)。在此温度下,玻璃粉颗粒软化、界面融合、体积收缩,变得致密、透明,并充分润湿被封接材料的表面,形成化学/物理结合。

    保温:在此温度下保温一段时间(几十分钟到几小时),使玻璃层完全均匀化、内部气泡排出、并完成与基体的界面反应。


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    步骤6:控制冷却与退火


    封接完成后,不能直接快速冷却。

    目的:

    消除热应力:玻璃和金属/陶瓷的热膨胀系数即使匹配得很好,在从高温冷却时仍会产生内应力。需要以特定的降温速率(通常很慢,如1-3°C/分钟)通过玻璃的应变点,使玻璃内部结构弛豫,消除永久应力。

    防止炸裂:避免因冷却不均或过快导致封接件开裂。

    有时会设置一个退火保温平台,以更好地消除应力。


    选粉:先看“能不能用在这对材料上”


    高硼硅玻璃粉的热膨胀系数一般在3–4×10⁻⁶/K左右,耐化学和热冲击性能好,很适合做封接层或过渡层。具体选粉时你要盯紧这几个参数:

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    封接/软化温度

    低温型低熔点玻璃粉:封接温度可低至400–500℃,多用于电子、传感器、电池盖帽等对温度敏感的器件。

    常规高硼硅封接粉:很多硼硅酸盐封接玻璃的设计封接温度在800–1000℃,多用于真空器件、高温炉管、部分陶瓷‑金属封接等。

    原则:

    不能超过被封接材料(特别是金属、电极、芯片、有机材料)所能承受的最高温度;

    也不能太低导致封接层流动性不好,填缝不充分。

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    热膨胀系数(CTE)要尽量匹配


    玻璃‑玻璃、玻璃‑陶瓷、陶瓷‑金属的封接,双方热膨胀系数越接近,冷却时应力越小,越不容易炸裂或脱层。

    厂家通常会在数据表中给出封接粉的CTE(例如4.5×10⁻⁶/K)和推荐的匹配基材(如可伐合金、某些不锈钢、96%氧化铝陶瓷等)。

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    化学相容性

    封接玻璃不能与基材发生严重的腐蚀或过度反应(尤其是某些金属,如铝、不锈钢等);

    有些封接玻璃专门设计为“与不锈钢反应生成界面层”以增强气密性,这是设计成这样的,不是缺陷。


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    形态与粒径


    粉体细度一般D50在几微米级别,细一点有助于致密烧结和填缝,但太细容易团聚,调浆工艺更麻烦。

    如果你要做精细丝网印刷或窄缝封接,粒径分布要窄一点;大缝隙封接(如大间隙焊缝)可以适当搭配较粗的粉,以控制收缩。



    应用示例:金属管与陶瓷片的封接


    1.将金属管端面预氧化。

    2.将高硼玻璃膏浆丝网印刷到陶瓷片相应的环形区域上。

    3.将金属管对准放置在膏浆环上,轻微加压固定。

    4.放入烧结炉,先慢速升温至500°C排胶。

    5.然后通入氮气,快速升温至850°C,保温30分钟。

    6.最后以2°C/分钟的速率缓慢冷却至300°C以下,再随炉冷却。

    7.出炉后,即得到一个气密的金属-陶瓷封接件。


    总体来说,高硼硅玻璃粉是一款常见的低膨胀系数封接材料,其核心是将粉末转化为可控的膏剂,并通过精密的热处理程序,使其在微观层面熔化、流动、润湿并粘结两个部件,最终形成一个兼具高强度和高气密性的整体。本文中的工艺流程仅供参考,具体操作流程需要无数精密的计算和无数次的实验,江苏秋正新材料很乐意为您提供小份样品和技术对接,欢迎各位浆料老板和有需求的各位联系我们!

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