真空集热管金属— 玻璃封接方法研究

陕西宝光真空电器股份有限公司 ■ 马小斌 宁晓阳 孙钰崶

0 引言

太阳能因具备无污染且“取之不尽、用之不竭”的优势而成为世界各国的研究热点。太阳能真空集热管是一种高效太阳集热元件，是接收太阳光能并将其转化为热能的关键部件，由于其外玻璃管和内镀膜管之间保持真空，使得两管间的热对流损失大幅降低，提高了热利用率。尤其是金属-玻璃封接技术和高温选择性涂层技术的研究和应用，使得太阳能真空集热管在中、高温领域有了广阔的工业化应用前景。但金属-玻璃封接是生产技术中的大难题，其封接质量直接决定了集热管的寿命和性能[1]。

在太阳能集热管封接中，主要采用火焰熔封技术完成金属-玻璃的封接，即用火焰对金属和玻璃需要封接的部分进行局部加热，使玻璃封接部分软化并在金属封接部分的表面流动，在冷却的过程中和金属表面牢固结合。在室温至玻璃软化点的温度范围内，匹配封接的金属和玻璃材料的膨胀系数α应相近，二者差值Δα不超过l0%，则应力可控制在安全范围内。玻璃的加工温度在玻璃的软化点以上，金属与玻璃的封接应力可通过粘滞流动迅速消除；而玻璃的加工温度在软化点以下时，由于金属与玻璃的膨胀系数存在差值Δα，两者之间封接应力未被消除而存在于封接件中[2]。目前使用的金属-玻璃封接方法有可伐合金与DM308玻璃直接封接、可伐合金与3.3硼硅酸盐玻璃过渡封接、不锈钢与3.3硼硅酸盐玻璃直接封接等。

1 可伐合金与DM308玻璃直接封接

可伐合金是三元合金材料，主要成分为Fe、Co和Ni，膨胀系数在4.8×10-6/℃～5.0×10-6/℃之间。它可与钼组玻璃封接，常用的是DM308等硬质玻璃。DM308玻璃的膨胀系数也是在4.8×10-6/℃～5.0×10-6/℃范围内。可伐合金与DM308玻璃是很好的匹配封接材料，图1为二者直接封接的端头。

但是，DM308玻璃透光性差，容易失透发毛，化学性能也不稳定，而集热管的使用环境比较恶劣，需要适应各种气候的变化。因此，集热管的外玻璃管不能使用DM308玻璃，而是一般将封接好的可伐合金和DM308玻璃端头与4 m长的5.0高硼硅酸盐玻璃长管封接成整管。5.0高硼硅酸盐玻璃具有透光率好、强度高等优点，其膨胀系数约为5.0×10-6/℃，可以与DM308直接封接；但若直接将可伐合金与5.0高硼硅酸盐玻璃封接，封接端头应力太大，玻璃容易炸裂。另外，国内尚无成熟的5.0高硼硅酸盐玻璃生产厂家，国外也只有德国肖特等个别的生产厂家能够生产，因此，整体的封接成本较高。

图1 可伐合金与DM308玻璃直接封接的端头

2 可伐合金与3.3硼硅酸盐玻璃过渡封接

相比DM308玻璃，3.3硼硅酸盐玻璃具有耐高温、强度高、透光率高和化学稳定性好等优点；相比5.0高硼硅酸盐玻璃，3.3硼硅酸盐玻璃具有成本低、化学稳定性好等优点。

若用3.3硼硅酸盐玻璃代替4 m长的5.0高硼硅酸盐玻璃做集热管的外玻璃管，既可以保证使用性能，又降低了成本。但是，3.3硼硅酸盐玻璃的膨胀系数为(3.3±0.1)×10-6/℃，和可伐合金的膨胀系数相差过大，两者属于非匹配封接，也叫应力封接，应力过大会直接影响封接件的密封性能。

避免非匹配封接影响密封性能的一种方式是采用中间玻璃递级封接，也叫过渡封接。即用几种不同膨胀系数的玻璃，以膨胀系数每段约降低10%的比率一段一段的封接，最后达到过渡玻璃分别与可伐合金和4 m长的3.3硼硅酸盐玻璃的膨胀系数接近的准匹配封接。图2为可伐合金与3.3硼硅酸盐玻璃过渡封接的端头。

图2 可伐合金与3.3硼硅酸盐玻璃过渡封接端头

3 不锈钢与3.3硼硅酸盐玻璃直接封接

相比可伐合金，不锈钢具有耐高温、耐腐蚀、防锈、成本低等优点，其膨胀系数为16.0×10-6/℃～19.0×10-6/℃。在封接过程中，由于两者的膨胀系数相差太大，会产生过大的热应力，从而使封接件出现炸裂。为了避免这种情况，通过利用薄边金属的弹性变形来抵消封接中存在于玻璃中的应力，从而避免由于热应力引起的封接处的炸裂。以色列的Solel公司在不改变材料的前提下，通过薄边金属与玻璃直接封接，也很好地解决了残余应力的问题[3-5]。

因此，在封接环结构设计上要确定合适厚度的薄边，薄边太厚，封接件容易炸裂；薄边太薄，封接件耐久性差，封接强度欠佳。

封接过程首先是通过热处理预先在不锈钢表面形成一个氧化层，这个氧化层相当于一个过渡层，而该过渡层的质量会直接影响金属-玻璃封接的气密性。

图3为不锈钢与3.3硼硅酸盐玻璃直接封接的端头。

图3 不锈钢与3.3硼硅酸盐玻璃直接封接的端头

4 3种封接方式的性能对比

由于集热管在使用时内管里是传热流体，流体温度可达300 ℃以上，而金属比玻璃的导热性能好，两者受热后会因为传热速度和膨胀程度的不同，导致端头受过大热应力而炸裂。根据ISO-3585的要求，金属-玻璃封接端头的抗热冲击能力要达到210 ℃+ Ta(Ta为环境温度)。因此，为了验证封接端头的抗热冲击性能，需要进行抗热冲击试验。

试验过程为：将封接端头放入马弗炉或烘箱加热，初次加热到210 ℃，保温20 min后取出，放入温度为室温的水中；若未炸裂，从水中取出放入马弗炉或烘箱继续加热到220 ℃，保温20 min后再次拿出放入温度为室温的水中，看是否炸裂；若还未炸裂，可继续升温10 ℃加热，重复前面的过程，直到炸裂为止。

事实上，抗热冲击试验是个破坏性试验。3种封接端头各选1件，1#样品为可伐合金与DM308玻璃直接封接的端头，2#样品为可伐合金与3.3硼硅酸盐玻璃过渡封接的端头，3#样品为不锈钢与3.3硼硅酸盐玻璃直接封接的端头。表1为3种样品的抗热冲击试验结果，图4为不同样品抗热冲击试验炸裂后的状态图。

由表1及图4可知，1#和2#样品的抗热冲击能力为240 ℃，3#样品的抗热冲击能力为250 ℃。根据ISO-3585的要求，在室温为15℃时，金属-玻璃封接端头的抗热冲击能力应达到225 ℃。由此可见，3个样品均满足标准的要求。

表1 抗热冲击试验数据(室温15 ℃、保温20 min)

图4 3种样品抗热冲击试验炸裂后的状态

5 小结

目前使用的3种金属-玻璃封接方法中：

1)可伐合金与DM308玻璃的封接属于匹配封接，能保证其良好的密封性；但由于DM308玻璃透光性差，容易失透发毛，化学性能也不稳定，用其做长外玻璃管不能满足集热管的使用条件。若将其和可伐合金封接好的端头与5.0高硼硅酸盐玻璃长管封接做整管，又会因5.0高硼硅酸盐玻璃的成本过高而增加集热管的生产成本。

2)可伐合金与3.3硼硅酸盐玻璃过渡封接属于一级一级的准匹配封接，气密性良好，但工序较繁琐，对过渡材料的性能要求较高，而且从外观上看也不是很美观；并且由于过渡料封接处较多，对可靠性有一定的影响。

3)不锈钢与3.3硼硅酸盐玻璃直接封接属于非匹配封接，因此需利用薄边金属，以避免炸裂。这种封接方法的封接端头美观大方，但由于是利用薄边金属和玻璃进行封接，对薄边的加工和处理有很严格的要求。而且由于这种技术近两年才在国内研发成功，对其耐久性还未有科学的测试方法，因此人们难免对这种封接方法持怀疑态度。

总之，金属和玻璃的封接会直接影响集热管的性能，本文介绍的3种封接方法各有千秋，都能达到抗热冲击试验的要求。在国外，德国Schott公司改变了封接玻璃和金属的材料，使得新的金属和玻璃的膨胀系数接近，然后采用熔封技术实现了金属与玻璃的匹配封接，既保证了性能要求，又美观大方。在国内，由于5.0高硼硅酸盐玻璃长管成本过高，一般采用可伐合金与3.3硼硅酸盐玻璃过渡封接、不锈钢与3.3硼硅酸盐玻璃直接封接这两种封接方法。