[发明专利]高温玻璃焊料及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及玻璃焊料，尤其是特别适合于高温应用的无定形和部分结晶玻璃焊料，及其应用。

背景技术

玻璃焊料通常用于产生结合点以将尤其是玻璃和/或陶瓷组件彼此或者与金属制成的组件以电绝缘的方式接合。在玻璃焊料的发展过程中，为了获得长期稳定的结合点，通常选择其组成以使玻璃焊料的热膨胀系数与被彼此接合的组件的热膨胀系数近似一致。与其它结合点相比，例如含有塑料的结合点，基于玻璃焊料的结合点具有能产生真空密封和能耐受相对高温度的优点。

玻璃焊料通常由在焊接操作中熔融的玻璃粉制备，该玻璃粉在热作用下与将要接合的组件一起形成结合点。通常选择焊接温度使其与玻璃的半球温度近似一致或者通常可以偏离后者±20K。半球温度能使用热台显微镜以显微镜法测定。其表征出将初始柱状试样熔融以形成半球态的温度。如能从相关科技文献中所看到的，半球温度能被指定为粘度大约为logη＝4.6。如果将玻璃粉体形式的无结晶玻璃熔融和再次冷却以凝固，其通常能在相同的熔点再次熔融。

在接缝或接合面(join)含有无结晶玻璃焊料的情况下，这意味着接缝或接合面能长期经受的操作温度必须不高于焊接温度。实际上，由于玻璃焊料的粘度随着温度的升高而降低和具有一定流动性的玻璃在高的温度和/或压力下会从接缝或接合面压出以致于接合失败，在许多应用中的操作温度必须明显地低于焊接温度。因此，用于高温应用的玻璃焊料通常必须具有显著地高于未来操作温度的焊接温度或半球温度。

例如，使用此类玻璃焊料的一个领域是，能被用作如机动车辆中的能源或者用于分散的能量供应的高温燃料电池中的接缝或接合面。燃料电池的一个重要类型是，例如，SOFC(固体氧化物燃料电池)，其能具有高达约1100℃的非常高的操作温度。含有玻璃焊料的接缝或接合面通常被用于生产燃料电池组，即用于接合多个单独燃料电池以形成组。此类燃料电池是已知的且正在不断地改进。尤其，如今燃料电池的发展趋势通常地是在较低操作温度的方向上。一些燃料电池现在能达到低于800℃的操作温度，所以由于焊接工艺中SOFC组件上低的热应力，焊接温度的降低是可能的和同时令人满意的。

燃料电池发展中的一个重要角色是由玻璃焊料扮演的，其就是下述公开的主题。

DE19857075C1描述了一种热膨胀系数α_(20-950)为10.0×10^-6K^-1至12.4×10^-6K^-1的无碱玻璃陶瓷焊料。在此描述的焊料含有20至50mol％的MgO。具有高的MgO含量的玻璃实际上非常易受结晶作用的影响，这导致迅速且达到高度结晶的化合物。在如此迅速和大量晶化的情况下，确保将要由玻璃焊料接合的材料的良好的润湿是困难的。然而，能提供一种最优化满足各自要求的接缝或接合面是必须的。此外，在此文献中描述的玻璃焊料含有40至50mol％的SiO₂。然而，增加的SiO₂含量导致熔点和进而焊接温度的增加。

在US 6,532,769B1和US 6,430,966B1中描述了同样的玻璃陶瓷焊料。这些焊料被设计用于大约1150℃的焊接温度和含有5至15mol％的Al₂O₃。如此高的焊接温度对于现代燃料电池来说是不令人满意的，因为它们使金属基材和其它热敏感材料经受过度的程度。

DE 102005002435A1描述由无定形玻璃基质和结晶相组成的复合焊料。该玻璃基质具有超过20重量％的高含量的CaO和MgO，但这导致相对高的粘度和高的介电损耗。此外，Al₂O₃的含量至少为10重量％。Al₂O₃通常被用于玻璃焊料以控制晶化，但同时也降低焊料的热膨胀，因此当玻璃焊料被用于接合具有高热膨胀的材料时，其通常起反作用。