绝缘密封金属气管及金属管与陶瓷管的密封连接方法.pdf

本发明提供一种绝缘密封金属气管，包括：第一金属管、第二金属管和陶瓷管；所述陶瓷管的内壁与所述第一金属管的外壁形成第一空间，所述第一空间的两端设置有氧化物密封层，所述第一空间内部填充有金属密封层；所述陶瓷管的内壁与所述第二金属管的外壁形成第二空间，所述第二空间的两端设置有氧化物密封层，所述第二空间内部填充有金属密封层。本发明还涉及金属管与陶瓷管的绝缘密封方法为：在陶瓷管内壁形成第一金属密封层和第二金属密封层；在所述第一金属密封层的两端及第二金属密封层两端分别涂覆氧化物密封浆料；将两个金属管分别与金属密封层焊接。所述绝缘密封金属气管适用于高温情况下的各种环境气氛。

权利要求书一种绝缘密封金属气管，包括：第一金属管、第二金属管和内壁分别与所述第一金属管的外壁和第二金属管的外壁相连的陶瓷管；
所述陶瓷管的内壁与所述第一金属管的外壁形成第一空间，所述第一空间的两端设置有氧化物密封层，所述第一空间内部填充有金属密封层；
所述陶瓷管的内壁与所述第二金属管的外壁形成第二空间，所述第二空间的两端设置有氧化物密封层，所述第二空间内部填充有金属密封层。
根据权利要求1所述的金属气管，其特征在于，所述金属密封层包括Mo，Mn，W，Cu，Ti，Ag，Au，Ni，Zr，Nb，Be，V，Zn，Sn和Pb中的一种或多种。
根据权利要求1所述的金属气管，其特征在于，所述氧化物密封层包括SiO2、Al2O3、B2O3、ZnO、RO和A2O中的一种或多种，所述RO为MgO、CaO、SrO或BaO，所述A2O为K2O、Na2O或Li2O。
根据权利要求1所述的金属气管，其特征在于，所述第一金属管和第二金属管的膨胀系数大于陶瓷管的热膨胀系数。
根据权利要求1所述的金属气管，其特征在于，所述陶瓷管内各处的横截面积一致。
根据权利要求1所述的金属气管，其特征在于，所述陶瓷管内两端的横截面积大于中部的横截面积。
一种金属管与陶瓷管的绝缘密封方法，包括以下步骤：
（A）在陶瓷管内壁的两端分别涂覆金属密封浆料，进行烧结，形成第一金属密封层和第二金属密封层；
（B）在所述第一金属密封层的两端涂覆氧化物密封浆料使所述第一金属密封层的两端与空气隔绝；
在所述第二金属密封层的两端分别涂覆氧化物密封浆料，使第二金属密封层的两端与空气隔绝；
（C）将第一金属管与第一金属密封层焊接，使第一金属密封层与空气隔绝；将第二金属管与第二金属密封层焊接，使第二金属密封层与空气隔绝。
根据权利要求7所述的绝缘密封方法，其特征在于，所述步骤（A）中，所述烧结的温度为1400~1600℃，所述烧结时间为50~70分钟。
根据权利要求7所述的绝缘密封方法，其特征在于，在步骤（A）后还包括在第一金属层和第二金属层上镀镍。
根据权利要求7所述的绝缘密封方法，其特征在于，所述步骤（C）中，所述焊接的方法为钎焊，所述钎焊的温度为1000~1200℃。

说明书绝缘密封金属气管及金属管与陶瓷管的密封连接方法
技术领域
本发明涉及金属连接领域，特别涉及绝缘密封金属气管及金属管与陶瓷管的密封连接方法。
背景技术
金属与陶瓷封接是一种使用陶瓷介质与金属连接的技术，该技术使高温下工作的金属保持了绝缘性，主要应用于真空电子器件、半导体、集成电路、电光源、激光原子能、化工、冶金、电力设备等行业。
金属与陶瓷之间的封接方法主要有三种：
一种为氧化物焊料法，又称玻璃焊料法，即利用焊料熔化形成玻璃向陶瓷渗透并浸润金属表面，从而完成陶瓷与金属的封接。
一种是烧结金属粉末法，即首先将在还原型气氛中用高温在陶瓷上烧结一层金属层，使陶瓷表面带有金属性质，然后再将其与金属进行焊接，从而完成陶瓷与金属的封接。
一种是活性金属法，即利用钛、锆、铪等过渡金属元素与铜、镍、银等金属在低于各自熔点的温度下形成合金，这些合金在液相态下与陶瓷表面发生反应并浸润各种金属，从而完成陶瓷与金属的封接。
由于烧结金属粉末法或活性金属法涉及适用金属，如铜、镍、钛等金属，这些金属在高温下会发生氧化反应，容易使封接处出现老化，因此烧结金属粉末法或活性金属法在高温下只能工作于中性或还原型气氛中，而不能工作于氧化气氛中。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种绝缘密封金属气管及金属管与陶瓷管的密封连接方法，适用于高温情况下的各种环境气氛。
本发明提供了一种绝缘密封金属气管，包括：第一金属管、第二金属管和内壁分别与所述第一金属管的外壁和第二金属管的外壁相连的陶瓷管；
所述陶瓷管的内壁与所述第一金属管的外壁形成第一空间，所述第一空间的两端设置有氧化物密封层，所述第一空间内部填充有金属密封层；
所述陶瓷管的内壁与所述第二金属管的外壁形成第二空间，所述第二空间的两端设置有氧化物密封层，所述第二空间内部填充有金属密封层。
优选的，所述金属密封层包括Mo，Mn，W，Cu，Ti，Ag，Au，Ni，Zr，Nb，Be，V，Zn，Sn和Pb中的一种或多种。
优选的，所述氧化物密封层包括SiO2、Al2O3、B2O3、ZnO、RO和A2O中的一种或多种，所述RO为MgO、CaO、SrO或BaO，所述A2O为K2O、Na2O或Li2O。
优选的，所述第一金属管和第二金属管的膨胀系数大于陶瓷管的热膨胀系数。
优选的，所述陶瓷管内各处的横截面积一致。
优选的，所述陶瓷管内两端的横截面积大于中部的横截面积。
本发明还提供了一种金属管与陶瓷管的绝缘密封方法，包括以下步骤：
（A）在陶瓷管内壁的两端分别涂覆金属密封浆料，进行烧结，形成第一金属密封层和第二金属密封层；
（B）在所述第一金属密封层的两端涂覆氧化物密封浆料使所述第一金属密封层的两端与空气隔绝；
在所述第二金属密封层的两端分别涂覆氧化物密封浆料，使第二金属密封层的两端与空气隔绝；
（C）将第一金属管与第一金属密封层焊接，使第一金属密封层与空气隔绝；将第二金属管与第二金属密封层焊接，使第二金属密封层与空气隔绝。
优选的，所述步骤（A）中，所述烧结的温度为1400~1600℃，所述烧结时间为50~70分钟。
优选的，在步骤（A）后还包括在第一金属层和第二金属层上镀镍。
优选的，所述步骤（C）中，所述焊接的方法为钎焊，所述钎焊的温度为1000~1200℃。
与现有技术相比，本发明的绝缘密封金属气管包括：第一金属管、第二金属管和内壁分别与所述第一金属管的外壁和第二金属管的外壁相连的陶瓷管；所述陶瓷管的内壁与所述第一金属管的外壁形成第一空间，所述第一空间的两端设置有氧化物密封层，所述第一空间内部填充有金属密封层；所述陶瓷管的内壁与所述第二金属管的外壁形成第二空间，所述第二空间的两端设置有氧化物密封层，所述第一空间内部填充有金属密封层。
由于金属管与陶瓷管的连接处既有氧化密封层又具有金属密封层，连接紧密，不易脱开，密封优良。而且由于金属密封层填充于氧化物密封料之间，金属密封层不与空气直接接触，不易在高温下发生氧化反应，老化速度慢，因此适用于高温情况下的各种环境气氛，而不再仅仅限用于中性或还原型气氛中。
附图说明
图1为陶瓷管内壁为圆柱型的绝缘密封金属气管的剖面图；
图2为陶瓷管内壁为“工”型的绝缘密封金属气管的剖面图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明实施例公开了一种绝缘密封金属气管，包括：第一金属管、第二金属管和内壁分别与所述第一金属管的外壁和第二金属管的外壁相连的陶瓷管；
所述陶瓷管的内壁与所述第一金属管的外壁形成第一空间，所述第一空间的两端设置有氧化物密封层，所述第一空间内部填充有金属密封层；
所述陶瓷管的内壁与所述第二金属管的外壁形成第二空间，所述第二空间的两端设置有氧化物密封层，所述第二空间内部填充有金属密封层。
本发明中，绝缘密封金属气管，包括：第一金属管、第二金属管和内壁分别与所述第一金属管的外壁和第二金属管的外壁相连的陶瓷管。
所述第一金属管插入陶瓷管的一端，其外壁与陶瓷管的内壁连接，第二金属管插入陶瓷管的另外一端，第二金属管的外壁与陶瓷的内壁连接。第一金属管和第二金属管的末端不接触，第一金属管、陶瓷管和第二金属管的内管依次相通。
本发明对于第一金属管和第二金属管的材质没有特殊限制，其膨胀系数优选大于陶瓷管的膨胀系数。在高温使用过程中，金属密封层受到金属管和陶瓷管之间延径向的压应力，有利于密封。
陶瓷管将第一金属管和第二金属管连接起来，由于陶瓷在600~1000℃下不导电，因此其可以起到绝缘连接的作用。本发明对陶瓷管内壁的形状没有特殊限制，优选为“工”型或者圆柱型。所述“工”型即为陶瓷管两端的横截面积大于中部的横截面积；所述圆柱型即为陶瓷管内各处的横截面积一致。
所述陶瓷管的内壁与所述第一金属管的外壁形成第一空间，所述第一空间围绕第一金属管外壁一周，为了保证密封性，因此在所述第一空间的两端设置有氧化物密封层，所述第一空间内部填充有金属密封层。所述陶瓷管的内壁与所述第二金属管的外壁形成第二空间，为了保证密封性，所述第二空间的两端同样设置有氧化物密封层，所述第二空间内部填充有金属密封层。
在本发明中，金属管通过金属密封层和氧化物密封层与陶瓷管连接。在第一空间和第二空间中，氧化物密封层均将金属密封层包覆在中间，使金属密封层与空气隔绝，防止金属密封层在氧化环境中被氧化。
本发明的绝缘密封金属气管具体结构参见图1和图2。图1为陶瓷管内壁为圆柱型的绝缘密封金属气管的剖面图，包括第一金属管1、陶瓷管2、金属密封层3、氧化物密封层4a、氧化物密封层4b和第二金属管5；陶瓷管2内壁为圆柱型，所述陶瓷管2的内壁与所述第一金属管1的外壁形成第一空间，所述第一空间的一端即陶瓷管顶端与第一金属管相连的部位设置有氧化物密封层4a，所述第一空间的另一端，即陶瓷管中部与第一金属管1外壁的底部相连的部位设置有氧化物密封层4b。氧化物密封层4a和氧化物密封层4b之间填充有金属密层3。第二金属管5与陶瓷的连接方式与第一金属管4与陶瓷管2的连接方式相同，第二金属管5与第一金属管1不接触。在高温环境下，金属密封层3受到金属管1和陶瓷管2之间延径向的压应力，有利于密封。
图2为陶瓷管内壁为“工”型的绝缘密封金属气管的剖面图，包括第一金属管1、陶瓷管2、金属密封层3、氧化物密封层4a、氧化物密封层4b和第二金属管5；陶瓷管2内壁为“工”型，两端的横截面积大于中部的横截面积，第一金属管1内壁的横截面积与陶瓷管2内壁中部的横截面积相等。第一金属管1的外壁与陶瓷管2的内壁连接，形成第一空间，所述第一空间一端，即陶瓷管顶端与第一金属管相连的部位设置有氧化物密封层4a，所述第一空间的另一端，即陶瓷管中部与第一金属管1外壁的底部相连的部位设置有氧化物密封层4b。氧化物密封层4a和氧化物密封层4b之间填充有金属密封层3。第二金属管5与陶瓷的连接方式与第一金属管4与陶瓷管2的连接方式相同，第二金属管5与第一金属管1不接触。在高温环境下，金属密封层3受到金属管1和陶瓷管2之间延径向的压应力，有利于密封。
图1与图2的区别在于，氧化物密封层4b的形状不同。本发明对氧化物密封层4b的形状没有限制，能够使金属密封层3与空气隔绝即可。
所述第一空间内部填充的金属密封层和第二空间内部填充的金属密封层密可以选用相同的金属密封料，也可以选用不同的金属密封料，优选为两者相同。所述金属密封层优选包括Mo，Mn，W，Cu，Ti，Ag，Au，Ni，Zr，Nb，Be，V，Zn，Sn和Pb中的一种或多种，更优选包括Mo和Mn。金属密封层可紧密连接金属管与陶瓷管，结合力较高。而且金属密封层位于氧化物密封层之间，不与空气接触，从而保证其在高温下，处于氧化气氛中时，不会发生氧化。
所述第一空间两端的氧化物密封层和第二空间两端的氧化物密封层可以选用相同的氧化物密封料，也可以选用不同的氧化物密封料，优选为两者相同。所述氧化物密封层优选包括SiO2、Al2O3、B2O3、ZnO、RO和A2O中的一种或多种，所述RO为MgO、CaO、SrO或BaO，A2O为K2O、Na2O或Li2O，更优选包括SiO2、Al2O3和B2O3。
本发明还提供了一种金属管与陶瓷管的绝缘密封方法，包括以下步骤：
（A）在陶瓷管内壁的两端分别涂覆金属密封浆料，进行烧结，形成第一金属密封层和第二金属密封层；
（B）在所述第一金属密封层的两端涂覆氧化物密封浆料使所述第一金属密封层的两端与空气隔绝；
在所述第二金属密封层的两端涂覆氧化物密封浆料，使第二金属密封层的两端与空气隔绝；
（C）将第一金属管与第一金属层焊接，使第一金属层与空气隔绝；将第二金属管与第二金属层焊接，使第二金属层与空气隔绝。
在本发明中，首先在陶瓷管内壁的一端涂覆金属密封浆料，进行烧结，形成第一金属密封层。本发明对涂覆金属密封浆料的面积没有特殊限制，本领域技术人员可根据金属管与陶瓷管的连接情况进行选择。所述金属密封浆料的制备方法优选为将金属粉末与有机溶剂及均匀混合，经过研磨得到金属浆料。所述金属粉末优选为Mo，Mn，W，Cu，Ti，Ag，Au，Ni，Zr，Nb，Be，V，Zn，Sn和Pb中的一种或多种，更优选为Mo和Mn。所述金属粉末总还可以添加其他种类的粉末以辅助烧结，优选添加氧化铝粉末。所述有机溶剂优选为以及纤维素和松油醇。本发明对金属粉末与有机溶剂的混合比例没有特殊限制，本领域技术人员可以根据熟知的比例进行混合。本发明对研磨的方式也没有特殊限制，可优选用三辊研磨机进行研磨。
所述第一金属层环绕陶瓷管内部一周。所述烧结优选在氢气气氛中进行；所述烧结的温度优选为1400~1600℃，更优选为1450~1550℃；所述烧结时间优选为50~70分钟，更优选为55~65分钟。
形成第一金属密封层后，优选在第一金属密封层上镀镍，所述镍的厚度为4~10μm，镀镍层可以改善焊料在金属层的流散情况，减缓接头中的残余应力，提高连接强度。
在本发明中，陶瓷管内形成第一金属密封层后，在所述第一金属层的两端涂覆氧化物密封浆料，使第一金属密封层的两端与空气隔绝。所述氧化物密封浆料为氧化物粉末与溶剂的混合物，其制备方法优选为：
将氧化物粉末球磨混合均匀，熔融，冷却后得到玻璃；
将所述玻璃粉碎后与有机溶剂混合，研磨，得到氧化物密封浆料。
所述氧化物粉末优选为SiO2、Al2O3、B2O3、ZnO、RO和A2O中的一种或多种，所述RO为MgO、CaO、SrO或BaO，A2O为K2O、Na2O或Li2O，更优选为SiO2、Al2O3和B2O3。所述熔融温度优选为1300~1500℃，更优选为1350~1450℃。
所述有机溶剂优选为以及纤维素和松油醇。本发明对金属粉末与有机溶剂的混合比例没有特殊限制，本领域技术人员可以根据熟知的比例进行混合。本发明对研磨的方式也没有特殊限制，可优选用三辊研磨机进行研磨。
在本发明中，所述第一金属层的两端与空气隔绝后将第一金属管与第一金属密封层焊接，使第一金属密封层与空气隔绝。经过焊接，第一金属管的外壁与陶瓷管内壁通过第一金属密封层连接，第一金属密封层的两端为氧化物密封层。由于焊接的温度较高，因此氧化物密封浆料干燥后，与陶瓷管内壁紧密封接。所述焊接优选为钎焊，所述钎焊优选利用铜焊料环，所述钎焊优选在氢气气氛中进行，所述钎焊的温度优选为1000~1200℃，更优选为1050~1150℃。
焊接完成后，第一金属管即与陶瓷管绝缘密封连接。
第二金属管与陶瓷管的密封连接方法与上述第一金属管与陶瓷管的密封连接方法相同。在陶瓷管内壁的另一端涂覆金属密封浆料，进行烧结，形成第二金属密封层。本发明对涂覆金属密封浆料的面积没有特殊限制，本领域技术人员可根据金属管与陶瓷管的连接情况进行选择。第二金属密封层选用的金属密封浆料可以与第一密封层选用的金属密封浆料相同，也可以不同。第二金属密封层的制备方法与第一密封层的制备方法相同。
所述第二金属层环绕陶瓷管内部一周。所述烧结优选在氢气气氛中进行；所述烧结的温度优选为1400~1600℃，更优选为1450~1550℃；所述烧结时间优选为50~70分钟，更优选为55~65分钟。
形成第二金属密封层后，优选在第一金属密封层上镀镍，所述镍的厚度为4~10μm，镀镍层可以改善焊料在金属层的流散情况，减缓接头中的残余应力，提高连接强度。
在本发明中，陶瓷管内形成第二金属密封层后，在所述第二金属层的两端涂覆氧化物密封浆料，使第二金属密封层的两端与空气隔绝。所述氧化物密封浆料为氧化物粉末与溶剂的混合物，其制备方法优选为：
将氧化物粉末球磨混合均匀，熔融，冷却后得到玻璃；
将所述玻璃粉碎后与有机溶剂混合，研磨，得到氧化物密封浆料。
所述氧化物粉末优选为SiO2、Al2O3、B2O3、ZnO、RO和A2O中的一种或多种，所述RO为MgO、CaO、SrO或BaO，A2O为K2O、Na2O或Li2O，更优选为SiO2、Al2O3和B2O3。所述熔融温度优选为1300~1500℃，更优选为1350~1450℃。
所述有机溶剂优选为以及纤维素和松油醇。本发明对金属粉末与有机溶剂的混合比例没有特殊限制，本领域技术人员可以根据熟知的比例进行混合。本发明对研磨的方式也没有特殊限制，可优选用三辊研磨机进行研磨。
在本发明中，所述第二金属层的两端与空气隔绝后将第二金属管与第二金属密封层焊接，使第二金属密封层与空气隔绝。经过焊接，第一金属管的外壁与陶瓷管内壁通过第一金属密封层连接，第一金属密封层的两端为氧化物密封层。由于焊接的温度较高，因此氧化物密封浆料干燥后，与陶瓷管内壁紧密封接。所述焊接优选为钎焊，所述钎焊优选利用铜焊料环，所述钎焊优选在氢气气氛中进行，所述钎焊的温度优选为1000~1200℃，更优选为1050~1150℃。
在实际操作当中，为了操作简便，可以在陶瓷管内壁的两端同时涂覆金属密封浆料，进行烧结后，分别得到第一金属密封层和第二金属密封层。然后在陶瓷管内壁的第一金属层的两端和第二金属层的两端分别涂覆氧化物密封浆料。最后将第一金属管和第二金属管分别套入陶瓷管的两端进行焊接。
对所述绝缘密封方法得到的绝缘密封金属气管进行绝缘性及密封性测试，结果表明，金属管两端的绝缘电阻为1.8×1012~2.2×1012欧姆，而且密封性良好。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的绝缘密封金属气管及金属管与陶瓷管的密封连接方法进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
将20克SiO2、55克B2O3、25克Al2O3球磨混合均匀，在1400℃下熔融，倒入冷水中形成玻璃。将玻璃破碎并过40目筛，得到玻璃密封填充剂粉末。将80克玻璃密封填充剂粉末、1克乙基纤维素、19克松油醇混合均匀并通过三辊研磨机研磨，制成氧化物密封浆料。
将52克Mo粉、14克Mn粉、14克Al2O3粉、1克乙基纤维素、19克松油醇混合均匀并通过三辊研磨机研磨，制成金属密封浆料。
将陶瓷管内壁清洁干净，在陶瓷管内壁的两端分别均匀涂覆所述金属密封浆料，然后在氢气气氛中1500℃烧结60分钟，得到第一金属层和第二金属层。
将上述烧结好第一金属层和第二层的陶瓷管抛光后在金属化内壁镀上5um左右的镍层。
在第一金属管和第二金属管的外壁均套上铜焊料环，在所述第一金属层的两端和第二金属层的两端分别涂覆氧化物密封浆料，使所述第一金属层的两端和第二金属层的两端均与空气隔绝。然后将第一金属管和第二金属管分别套入陶瓷管内并用夹具固定，第一金属管与第一金属层在氢气气氛中1100℃条件下钎焊，使第一金属层与空气隔绝；第二金属管与第二金属层在氢气气氛中1100℃条件下钎焊，使第二金属层与空气隔绝。
在830℃温度下，分别通入空气、氮气、氢气，进口和出口用水循环冷却，用绝缘测试仪测量金属管两端绝缘电阻，测量时间为30秒，用气体流量计测量进气和出气气流流量。实验结果参见表1，表1为在各种气氛中绝缘密封金属气管的密封绝缘性能。
表1各种气氛中绝缘密封金属气管的密封绝缘性能
 30秒绝缘电阻（欧姆）进口流量（sccm）出口流量(sccm)空气1.8×10121003997氮气2.1×10129981001氢气1.9×1012997995
由表1可知，本发明得到的绝缘密封金属气管的绝缘情况良好，密封情况良好。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。