[發明專利]高溫玻璃焊料及其用途

有效

• 申請號: 201110043668.0
• 申請日: 2011-02-11
• 公開（公告）號: CN102190440A
• 公開（公告）日: 2011-09-21
• 發明（設計）人: 巴斯蒂安·舍恩
• 申請（專利權）人: 肖特公開股份有限公司
• 主分類號: C03C8/24
• 分類號: C03C8/24;C03C29/00;C04B37/00
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司 11219
• 代理人: 張珂珂;郭國清

技術領域

本發明涉及玻璃焊料，尤其是特別適合于高溫應用的無定形和部分結晶玻璃焊料，及其應用。

背景技術

玻璃焊料通常用于產生結合點以將尤其是玻璃和/或陶瓷組件彼此或者與金屬制成的組件以電絕緣的方式接合。在玻璃焊料的發展過程中，為了獲得長期穩定的結合點，通常選擇其組成以使玻璃焊料的熱膨脹系數與被彼此接合的組件的熱膨脹系數近似一致。與其它結合點相比，例如含有塑料的結合點，基于玻璃焊料的結合點具有能產生真空密封和能耐受相對高溫度的優點。

玻璃焊料通常由在焊接操作中熔融的玻璃粉制備，該玻璃粉在熱作用下與將要接合的組件一起形成結合點。通常選擇焊接溫度使其與玻璃的半球溫度近似一致或者通常可以偏離后者±20K。半球溫度能使用熱臺顯微鏡以顯微鏡法測定。其表征出將初始柱狀試樣熔融以形成半球態的溫度。如能從相關科技文獻中所看到的，半球溫度能被指定為粘度大約為logη＝4.6。如果將玻璃粉體形式的無結晶玻璃熔融和再次冷卻以凝固，其通常能在相同的熔點再次熔融。

在接縫或接合面(join)含有無結晶玻璃焊料的情況下，這意味著接縫或接合面能長期經受的操作溫度必須不高于焊接溫度。實際上，由于玻璃焊料的粘度隨著溫度的升高而降低和具有一定流動性的玻璃在高的溫度和/或壓力下會從接縫或接合面壓出以致于接合失敗，在許多應用中的操作溫度必須明顯地低于焊接溫度。因此，用于高溫應用的玻璃焊料通常必須具有顯著地高于未來操作溫度的焊接溫度或半球溫度。

例如，使用此類玻璃焊料的一個領域是，能被用作如機動車輛中的能源或者用于分散的能量供應的高溫燃料電池中的接縫或接合面。燃料電池的一個重要類型是，例如，SOFC(固體氧化物燃料電池)，其能具有高達約1100℃的非常高的操作溫度。含有玻璃焊料的接縫或接合面通常被用于生產燃料電池組，即用于接合多個單獨燃料電池以形成組。此類燃料電池是已知的且正在不斷地改進。尤其，如今燃料電池的發展趨勢通常地是在較低操作溫度的方向上。一些燃料電池現在能達到低于800℃的操作溫度，所以由于焊接工藝中SOFC組件上低的熱應力，焊接溫度的降低是可能的和同時令人滿意的。

燃料電池發展中的一個重要角色是由玻璃焊料扮演的，其就是下述公開的主題。

DE19857075C1描述了一種熱膨脹系數α_(20-950)為10.0×10^-6K^-1至12.4×10^-6K^-1的無堿玻璃陶瓷焊料。在此描述的焊料含有20至50mol％的MgO。具有高的MgO含量的玻璃實際上非常易受結晶作用的影響，這導致迅速且達到高度結晶的化合物。在如此迅速和大量晶化的情況下，確保將要由玻璃焊料接合的材料的良好的潤濕是困難的。然而，能提供一種最優化滿足各自要求的接縫或接合面是必須的。此外，在此文獻中描述的玻璃焊料含有40至50mol％的SiO₂。然而，增加的SiO₂含量導致熔點和進而焊接溫度的增加。

在US?6,532,769B1和US?6,430,966B1中描述了同樣的玻璃陶瓷焊料。這些焊料被設計用于大約1150℃的焊接溫度和含有5至15mol％的Al₂O₃。如此高的焊接溫度對于現代燃料電池來說是不令人滿意的，因為它們使金屬基材和其它熱敏感材料經受過度的程度。

DE?102005002435A1描述由無定形玻璃基質和結晶相組成的復合焊料。該玻璃基質具有超過20重量％的高含量的CaO和MgO，但這導致相對高的粘度和高的介電損耗。此外，Al₂O₃的含量至少為10重量％。Al₂O₃通常被用于玻璃焊料以控制晶化，但同時也降低焊料的熱膨脹，因此當玻璃焊料被用于接合具有高熱膨脹的材料時，其通常起反作用。