无铅真空玻璃的研制开发与应用

无铅真空玻璃的研制开发与应用The Research Development and Applications of Lead-free VacuumGlazing李楠1唐健正1黄幼榕2北京新立基真空玻璃技术有限公司北京 101111中国建筑材料科学研究总院北京 100024摘要基于优秀的保温、隔热、隔声等性能，真空玻璃走入千家万户是节能事业的必然趋势，而其材料的绿色化也是对真空玻璃自身节能减排优势的补充，能够完善其环保性能，拓宽其市场范围。

真空玻璃封接材料使用无铅玻璃焊料，是对封接材料绿色化的支持和推动，能够降低行业污染，排除铅元素对人体的危害。

本文通过对无铅玻璃焊料在真空玻璃封接工艺上的应用，介绍了无铅真空玻璃的研制开发过程，并对其应用前景进行展望。

Abstract Based on good heat insulation and sound insulation properties, Vacuum Glazing into millions of households is the inevitable trend of the energy-saving cause, but also the green material will be the complement of energy saving advantages, which can advance its environmental performance and broaden the scope of the market. The lead-free glass solder as Vacuum Glazing’s sealing materials is the support and promotion of green sealing material, which can reduce industry pollution, removing lead elements of the human body. In this paper, the R&D and potential application prospects of the lead-free Vacuum Glazing will be introduced, with the applications of lead-free solder glass on glass sealing. 关键词真空玻璃无铅玻璃焊料应用前景Keywords Vacuum Glazing lead-free glass solder applications prospects1 真空玻璃简要概述1.1 真空玻璃结构图1 真空玻璃的基本结构如图1所示，真空玻璃由两块平板玻璃构成，玻璃板之间用支撑物（pillar）隔开，形成高度为0.1～0.2㎜的真空腔。

其中一片玻璃上留有抽气孔。

真空玻璃四周使用玻璃焊料将两片玻璃粘接起来，抽气孔处也是通过玻璃焊料将金属盖片焊接在玻璃表面进行封口。

可以说，玻璃焊料是保证真空玻璃腔内真空度以及真空寿命的关键环节，其影响到真空玻璃应用的质量和性能。

基于玻璃焊料的使用工艺，在真空玻璃制作的过程中，需要将边部和封口片上的玻璃焊料都加热到熔融温度，实现真空玻璃的封边封口。

在高温烘烤的过程中，对真空腔进行一定时间的持续排气，可以获得更高更持久的真空度，基本消除残余空气的传导效应。

这样，真空玻璃就能够获得比中空玻璃更为优秀的隔热、保温以及隔声性能。

1.2 玻璃焊料特性真空玻璃的制作工艺与电子行业的VFD、PDP具有一定类似之处，因此在玻璃焊料的选用标准上二者也基本一致。

另外根据其工作性质，真空玻璃对玻璃焊料的要求还具有一定的特殊性。

总体要求主要包括以下几点：1)玻璃焊料的熔封温度应在350～500℃的范围内。

若低于350℃，则不能保证真空玻璃高温排气，造成排气不充分，真空寿命不能持久；若高于500℃，则接近了钠钙玻璃的软化点，容易造成玻璃弯曲变形；2)玻璃焊料的热膨胀系数应在70～80（单位为1×10-7/℃）之间，相比钠钙浮法玻璃的热膨胀系数85低10%左右，这样能够使玻璃焊料凝固后受到压应力，形成更好的封接效果；3)玻璃焊料要保证足够的气密性，其熔封后要形成玻璃态，渗透率和放气率低到可以忽略不计的程度，这样才能保证真空玻璃的真空度寿命；4)玻璃焊料熔封后要满足一定的力学性能，其自身材料的抗拉伸强度、抗剪切强度和弯曲强度要足以承担真空玻璃使用时所承受的风压载荷、玻璃本身自重及温差等单独或复合作用。

1.3 市场应用空间当前，真空玻璃主要用于建筑门窗和玻璃幕墙，除了为人们提供更为舒适的居住空间，更重要的是降低建筑物能耗，达到建筑节能的效果。

同时，真空玻璃也在开拓家用电器如保温箱、冰柜上应用的市场，通过其优秀的隔热性能来降低保温制冷系统的耗电量，其节能优势不容小觑。

可以预见，在不远的将来，真空玻璃极有可能代替中空玻璃，进入千家万户，成为节能减排事业的生力军，其与人们生活关系也将日益密切。

随着生态环境保护的发展趋势，真空玻璃原材料尤其是玻璃焊料的绿色化，能够补充真空玻璃的节能减排优势，更加完善其环保性能，拓宽其市场空间，开发更加广阔的前景。

2 无铅玻璃焊料的应用背景2.1 含铅的危害含铅玻璃中的铅是一种有害的重金属元素，铅通过食品、水和空气进入人体内，影响人们神经、造血、泌尿、心血管、免疫、骨骼系统等多个方面的健康。

含铅玻璃中氧化铅的含量达到24%左右，含铅玻璃焊料中这一比例更是高达75%以上。

含铅玻璃及焊料的污染主要在于其熔制过程中，铅会大量地挥发到空气里。

特别是废弃之后，由于长期地与水、酸性物质等接触，铅更是会大量地溶出，进入地下水中。

这些均会对我们的身体健康产生很大的危害。

迄今为止，绝大多数可实用化的封接玻璃材料仍然是含铅的。

因此，大部分电子器件以及真空玻璃还在使用含铅的玻璃焊料。

但是相对来说，真空玻璃中使用含铅焊料的比例很低，以N5+L5、长宽各为1m的真空玻璃为例，玻璃约重25kg，需要40g左右的焊料进行封接，玻璃焊料中的氧化铅含量仅仅占到真空玻璃总重量的1‰左右。

这与某些小型电子元器件中高比例使用含铅焊料相较而言，几乎可以忽略不计。

并且真空玻璃封接焊料被两片玻璃夹在中间，再被密封在门窗框内，不会接触到外界空气、水和人体，危害十分有限。

然而从长远考虑，含铅玻璃及焊料的广泛使用必然刺激其大量生产，仍然给人类绿色生活造成了隐患，需要给予重视，逐渐使用无铅化产品来替代。

2.2 无铅化标准目前国际上虽没有定义无铅产品中铅含量的标准，对电子产品或建筑材料中的无铅还没有确切的定义。

但美国认为水管的钎焊剂中铅含量小于0.2%即为无铅。

而在欧洲，把此水平定义为0.1%，而且是单个元器件而不是整体设备中的铅含量，此水平很有可能被ISO公认。

2.3 全球范围的立法20世纪80年代后期，美国首次颁布了限制铅使用的法律——减少铅暴露条律(S.729)、铅税法(H.R.2479，S.1347)。

1992年，美国国会提出了Reid法案，其中一点就是在电子组装行业中禁止使用含铅物质。

1994年，北欧环境部长会议提出逐步取缔铅的使用，以减少铅对人类健康和生存环境的危害。

1998年欧盟通过WEEE和RoHS指令，提出全面禁止使用含铅电子焊料，从2006年7月1日起在欧洲市场上销售的相关产品必须为无铅产品。

日本对无铅焊料的态度最为积极。

尽管没有直接限制对使用含铅焊料的立法，但是，日本政府通过提高自来水中铅含量的标准和修订相关废弃物处理法律来控制含铅制品的使用，目标是2002年50%的电子产品达到无铅，2004年完全无铅。

1998年3月，JEIDA(日本电子产业发展协会)和JWES(日本焊接工程学会)进行了“无铅焊料标准化的研究与发展”项目的研究。

2000年，由Hitachi牵头，Sony、Sharp等单位参与进行了IMS计划，阐明铅对生态环境的综合影响，以建立安全、高水平、对环境友好和面向未来的封接技术。

2001年，JIEP(日本电子包装研究所)就发起了“低温无铅焊料发展计划”的倡议。

近20年间，通过大量的研究，我国也已经颁布了有色、石油、纺织、硫酸等工业含铅污水的排放标准。

居民生活用品的铅标准也在不断地完善。

随着技术的不断发展，相应的技术标准亦在逐渐地完善。

由此可见无铅焊料的强制应用将成为未来环保的必然要求，这使得我们更要加快相应产品的无铅化进程。

3 无铅玻璃焊料与真空玻璃的结合3.1 无铅焊料的技术发展当前，无铅玻璃焊料的研发是国内外电子材料业界的热门话题，国内外诸多材料厂家都在封接焊料无铅化这一领域进行了大量工作，并取得了丰硕的成果。

据我们了解，在美国、德国、日本、韩国的材料行业中，无铅玻璃焊料的研制都是重点项目，500℃左右的无铅封接焊料已经是相当成熟的产品。

但这些无铅焊料主要针对电子玻璃、电子元器件封接等用途，面向建筑材料市场中钠钙浮法玻璃封接的材料并不多见。

在我们之前，无铅玻璃焊料应用于真空玻璃封边的研究尚属空白。

因此封接温度、膨胀系数、密封性、粘接强度等参数都能符合真空玻璃要求的无铅玻璃焊料十分稀少，大多数市场产品的封接温度和膨胀系数都较高，不适合真空玻璃。

我们需要与更多科研机构以及玻璃焊料制造厂家进行合作开发，并结合焊料参数调整真空玻璃制作工艺，紧密结合相关技术，相应地调整真空玻璃的产业结构，进行持续性的开发工作。

3.2 无铅真空玻璃的研发2009年，曾有多家外商向新立基公司提出求购真空玻璃的意向，并订制了若干样品。

期间对方提出，希望真空玻璃使用无铅封接材料，但是由于当时未能寻获到适合真空玻璃使用的无铅玻璃焊料，这方面的技术、工艺均不成熟，因此未能满足客户的要求。

这个契机使我们认识到了无铅真空玻璃的巨大市场潜力，也促进了无铅真空玻璃研制开发的进程。

两年来，我们针对无铅封接焊料与真空玻璃的结合工作投入了大量精力，并进行了一系列的实验和测试，最终取得了技术上的突破，获得了阶段性的成功。

3.2.1 研发成果我们以真空玻璃封边要求为标准，寻找到适合的无铅玻璃焊料，参考PDP生产流程，逐渐摸索出一套无铅玻璃焊料应用于真空玻璃封接上的温度曲线，确定了适合真空玻璃生产线量产的无铅封接工艺。

这期间，新立基公司与建筑材料科学研究院以及国内外多个知名材料厂家取得了技术上的合作与交流，在他们的帮助下，我们成功制成了无铅玻璃焊料封接的真空玻璃。

当前，由新立基公司制作的无铅真空玻璃样品正在中国建筑材料科学研究总院玻璃所，作为示范窗安装在其办公室中，同时观察其长期使用的保温、隔热、遮阳、隔声等性能，示范窗如图2所示：图2 建材院办公室无铅真空玻璃示范窗经建材院反映，安装真空玻璃后的办公室，保温性能较之前的单片玻璃窗明显改善，隔声性也有显著提高，充分体现了真空玻璃优越的性能。