[發明專利]玻璃陶瓷接合材料及其用途

有效

• 申請號: 201310155830.7
• 申請日: 2013-04-28
• 公開（公告）號: CN103382088A
• 公開（公告）日: 2013-11-06
• 發明（設計）人: 迪特爾·格德克
• 申請（專利權）人: 肖特公開股份有限公司
• 主分類號: C03C10/06
• 分類號: C03C10/06;C03C8/24
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司 11219
• 代理人: 郇春艷;謝麗娜

技術領域

本發明涉及如下的玻璃陶瓷接合材料，該玻璃陶瓷接合材料能夠在低溫下進行加工，并且適合用于在低接合溫度下進行密封，特別是密封燃料電池或電解池，以及其它應用。

背景技術

在本發明的意義中，玻璃陶瓷接合材料被理解為是指來源于非晶玻璃材料、至少部分結晶然后處于玻璃陶瓷形式的材料。這些玻璃陶瓷接合材料能夠用作玻璃焊料，還能夠以預成型體等的形式使用。

為了以電絕緣方式特別是將陶瓷組件彼此粘結或將它們與金屬組件粘結，玻璃陶瓷接合材料特別是用于產生粘結。在玻璃陶瓷接合材料的研發中，通常選擇接合材料的組成以使得接合材料的熱膨脹系數與待彼此粘結組件的熱膨脹系數近似地一致，以便獲得持久穩定的粘結。與其它接合材料例如塑料接合材料相比，玻璃陶瓷接合材料具有如下優點，即它們能夠被配置以產生氣密密封，能夠承受更高的溫度，并且，即使在更長的使用壽命期間，如果發生劣化，則劣化程度也更低。

玻璃焊料形式的接合材料通常由玻璃粉末制得，其在又被稱為焊接操作的接合操作中在熱作用下熔化并與待粘結組件產生粘結。通常在被稱為玻璃的球形溫度（spherical?temperature）的大約水平處選擇接合溫度。球形溫度測量是本領域普通技術人員已知的標準測量方法，并且可使用熱臺顯微鏡來實施該測量。如果熔化玻璃粉末形式的非結晶玻璃作為接合材料，并又冷卻以使其凝固，則它通常也可在相同的熔化溫度下再度熔化。對于處于非晶狀態的接合材料的粘結，這意味著該粘結能夠長時間經受的工作溫度不得高于接合溫度。事實上，在許多應用中，工作溫度必須顯著低于接合溫度，因為接合材料的粘度隨溫度升高而降低，并且在一定程度上自由流動的玻璃在高溫和/或高壓下可能被從粘結處擠出，并因此可能導致該粘結失效。

通過使用如下的玻璃陶瓷接合材料能夠解決這個問題，其中非晶基體玻璃在接合操作期間至少部分結晶或也可完全結晶。在本發明的意義上，部分或完全結晶的接合材料被稱為玻璃陶瓷接合材料，或被簡稱為玻璃陶瓷。結晶相或陶瓷的性質通常顯著不同于非晶基體玻璃的性質，所述性質差異例如在熱膨脹或玻璃化轉變溫度方面，從而使得由非晶玻璃相和結晶相構成的總體系即所述玻璃陶瓷接合材料總體的性質可能同樣不同于單獨非晶基體玻璃的性質。更特別地，在玻璃陶瓷接合材料的情況下，再熔化所需溫度可大大超過非晶基體玻璃熔化所需溫度。

在接合操作期間是從非晶基體玻璃形成非晶玻璃還是形成玻璃陶瓷，在基體玻璃組成合適的情況下，高度取決于在接合操作中的工藝條件，更特別地是取決于加熱和冷卻曲線。

使用接合材料的一個領域例如為燃料電池中的粘結，該電池能夠例如用作機動車輛中的能量來源或用于本地的能源供應。重要的燃料電池類型例如為所謂的固體氧化物燃料電池（SOFC）。具有該接合材料的粘結通常用于制造燃料電池堆，即，用于將幾個單獨的燃料電池粘結以形成堆。這樣的燃料電池是已知的，并且正持續改進中。高溫燃料電池得到了推廣，這些電池包含難以制造的特別昂貴的材料，更特別地是特定的金屬和/或合金。因此，在燃料電池的發展現狀中，希望較低的工作溫度，其原因尤其在于可因此使用較易于生產的比較便宜的鐵素體不銹鋼（例如AISI?410、AISI?430），并且因此不再需要使用特性合金例如Crofer22APU（Thyssen?Krupp）或ZMG32（Hitachi），否則必須使用該特性合金。然而，在由此導致的工作溫度下，也需要使用不同的電池材料和電解質，否則不能確保氧離子電導率。在燃料電池中用于低工作溫度的材料需要可在低接合溫度下加工的密封材料。

除了已知的玻璃焊料密封外，還有其它密封材料，但是這些密封材料會導致相當大的弊端。云母密封例如由于堿金屬含量而可能導致金屬氧化增加，并且僅在高壓條件下提供密封。以這種方式不能實現氣密粘結。

迄今已知的硅酸鋇玻璃由于具有過高的軟化溫度和接合溫度而因此不能在低接合溫度下產生粘結。

US?6,532,769描述了SiO₂和B₂O₃含量為至少35摩爾%的接合玻璃。如此高比例的SiO₂降低了該接合玻璃的熱膨脹系數并導致熔化溫度的不希望的升高。