钼片－石英玻璃封接的工艺原理

钼片－石英玻璃封接的工艺原理
钼片－石英玻璃封接的工艺原理
许多近代节能光源都以石英玻璃作为灯壳。

这时，作为导线的金属－石英玻璃封接就是必不可少的部件。

它的质量直接影响灯的成品率和寿命。

众所周知，由于石英玻璃的膨胀系数很小（α＝5.4×10-7K-1），找不到膨胀系数和它接近的耐高温金属与它进行匹配封接。

钼片――石英玻璃的非匹配封接工艺简单、成本低廉，可在很高的温度下反复使用，已广泛用于各种光源的生产中。

但是我们对它的工艺原理、影响其寿命的因素，了解还是不够，本文将就此问题作一介绍，希望能有利于产品质量的提高。

（1）基本结构
钼是一种耐高温的柔性金属，其熔点为2610 0C，远高于石英的软化温度（1550 0C）。

把钼板延压成3～5μ的薄片，切成条形，两侧腐蚀成刀口状，成为封接用的钼片。

在钼片两端分别点焊上电极和外导丝，把点焊好的钼片放入石英玻璃管内，在保护气体中将它们加热至石英玻璃的软化温度以上，然后加压成形，石英玻璃和钼片粘合在一起，形成气密封接，见图1。

在封接后，封接件渐渐冷却。

当封接件温度在石英玻璃的退火温度以上时（大于1400 0C），虽然钼片与石英玻璃的膨胀系数有很大差别，但因石英玻璃的粘滞性还较小，有一定的流动性，在冷却速度较慢条件下，一般不会产生永久性的应力。

当封接件温度下降到转换温度以下时，石英玻璃失去塑性变形能力。

由于钼片的膨胀系数（α＝4.9×10-6k-1）远大于石英，钼片收缩远大于石英玻璃，于是在钼片与石英玻璃的界面上产生了张应力，幸而钼片是柔性金属，而且又很薄，在此应力作用下发生塑性变形，使应力充分释放，石英玻璃和钼片仍能粘合在一起而不会炸裂，使封接保
持气密。

（2）应力和钼片形状的关系
钼片-石英玻璃封接的应力能否充分释放，主要取决于钼片的形状。

只有在钼片很薄、即钼片的宽度和厚度之比（宽/厚）很大时，应力才能够充分释放。

表1 是在钼片的截面相同（0.078 mm2）时，（宽/厚）比与石英玻璃中应力之间的关系。

由表1可见，当（宽/厚）比为1时，应力高达440MPa，远大于石英玻璃的忍受能力。

当（宽/厚）比增大到115时，应力降低到2.2MPa，减小了约200倍，使钼片-石英玻璃封接不会炸裂。

表2是我们常用的钼片尺寸。

这里需要指出钼片边缘的角度，虽然对应力的影响不大，但是角度太大，在压封时容易在边缘形成空隙，造成漏气。

（3）钼片涂银
当应力释放不很充分时，在钼片－石英玻璃界面上就有可能形成细微的裂纹。

这些裂纹往往难以用肉眼觉察到，但在40倍以上的显微镜下还是可以观察到。

这时封接件在刚压封好时，大多还能保持气密。

但是在灯工作一段时间后，灯的经常开关，使封接件受到反复的冷――热冲击，细纹可能扩大，最终导致漏气。

特别是有些灯需要在液氮温度下充气或充卤化物，使温差更大，容易造成漏气。

研究发现，在钼片上涂上一薄层银，可防止裂纹的形成。

可能是在压封时，因银的熔点较低（960 0C），在封接温度下熔化，在钼表面形成大量微颗粒，它们很容易在冷却过程中塑性变形，有效释放应力，防止裂纹的形成。

（4）钼片－石英玻璃之间的化学粘着力
为保证钼－石英玻璃封接的气密性，两者之间良好的粘着是基本条件。

化学粘着力来自钼褪⒉Ａе湓诜饨游露认碌难趸乖从Γ涸陬猕D―石英玻璃界面上，二氧化硅被还原、钼被氧化，形成极薄的氧化钼层，它在高温下渗透扩散进入石英玻璃中，形成过渡层，保证了两者的气密封接。

若过渡层太薄，化学粘着力强度就较低；反之若过渡层太厚，钼表面严重氧化，那么，它可能会和钼片剥离，造成漏气。

过渡层的厚薄，取决于封接温度、保护气体的纯度等因素。

（5）钼片－石英玻璃之间的物理粘着力
物理粘着力包括范德瓦尔斯分子力和两表面之间的机械联结。

与两表面之间的机械力来比，范德瓦尔斯分子力很小，不起很大作用。

机械联结与钼表面微观物理性质有关。

从微观角度来看，钼表面是凹
凸不平的，有许多凹坑和凸起。

在封接时，熔化的石英玻璃可能渗入凹坑，包围凸起，冷却后就使得石英玻璃和钼片在这些部位相互交联，大大增强了界面过渡层的机械强度。

所以钼片表面过于光滑对增加物理粘着力不利。

（6）钼片与熔化石英之间的浸润
熔化状态的石英（～2000 0C）与钼表面的浸润性，对粘着力起重要的作用，浸润性愈好，粘着力愈大，封接件的质量愈好。

例如上面所说物理粘着，其首要条件就是良好的浸润性，因为良好的浸润性有利于熔化石英玻璃在钼表面的渗透，增强机械附着力。

浸润性主要来自于钼和熔化石英之间的表面化学亲和力，范德瓦尔斯分子吸引力的作用很小。

通常我们用浸润角来衡量浸润性：浸润角愈小，浸润性愈好。

为了改善石英玻璃在钼片表面的浸润性，可在钼中掺杂少量氧化钇（Y2O3）和氧化铈（Ce2O3），简称为MY。

研究表明在2000 0C条件下，石英玻璃在纯钼片上的浸润角为97.2±6.50，而在掺氧化钇和氧化铈的钼片上，浸润角降低为79.7±8.50。

这是因为这些氧化物能与二氧化硅作用，生成硅酸盐，后者能熔于石英玻璃中，使浸润角降低。

同时，在掺杂少量氧化钇（Y2O3）和氧化铈（Ce2O3）的钼片中，由于钼片与熔化石英玻璃之间的电化学作用，氧化钇和氧化铈微粒周围的钼片表面，有微量的腐蚀。

熔化石英玻璃包围着氧化物微粒，好像“拉练”一样，大大增强了机械附着力。

所以掺杂少量氧化钇（Y2O3）和氧化铈（Ce2O3）的钼片,更适合用于与石英玻璃封接。

（7）钼――石英玻璃间粘着力与寿命的关系
如果钼与石英玻璃间粘着力不够强，那么在冷却后张应力的作用下，钼片和石英玻璃可能立即分离，或者经过一段时间后，在灯开关造成的冷－－热循环冲击下慢慢分离。

当然这也不一定表现为两者全
部分离、立即漏气，而更可能是少部分分离，并不造成立刻漏气。

但是，这时灯泡外面的空气可能会渗入粘着力较弱的封接处，在高温下使钼片慢慢氧化。

因为氧化钼的体积比未氧化的钼大，从而使封接应力增大，最后导致炸裂漏气。

对于金属卤化物灯，填充物会渗入粘着力较弱的封接处，使它被腐蚀，最后导致漏气。

所以粘着力得强弱，决定了钼――石英玻璃封接的寿命
（8）封接件温度限制
高温下钼在空气中极易氧化，所以在没有外泡壳的条件下，长寿命灯的钼－－石英玻璃封接件的温度应不高于350 0C。

过高的温度会使封接件外端与空气接触部分慢慢氧化，最后导致封接件损坏。

在钼片表面镀铬，可防止氧化，使工作温度可提高到5000C。

但是研究表明铬与石英玻璃的化学粘着力较差。

为解决这个矛盾，不要把整块钼片镀铬，仅在钼片与空气接触的外端镀铬。

另一个缺点是镀铬后，钼片的点焊性能变差。

（9）封接寿命比较
基于以上原理，有人对各种钼片材料做成没有外泡壳的灯后，进行了寿命实验，结果如图2所示。

从图2可见，在同样温度下，如（1000T/T）=1.5、T≈380 0C时，含氧化钇、氧化铈的钼片封接的MR16卤钨灯寿命达1200小时，而纯钼片封接的只有650小时。

在高温时；如T＝500 0C，镀铬的钼片封接寿命为2500小时，而纯钼片封接只有30小时。