专利名称：一种玻璃封接材料及其制备和使用方法
技术领域：
本发明属于固体氧化物燃料电池领域，具体涉及一种具有高温化学稳定性的微晶玻璃封接材料及其制备和使用。
背景技术：
固体氧化物燃料电池(SOFC)采用固体氧化物(陶瓷)电解质，在高温下运行，具有发电效率高，材料成本低，能兼容各种燃料(如甲烷、煤气、甲醇、酒精、石油液化气等)等优点。但是开发SOFC所面临的主要问题是在高温下燃料气和氧化气如何进行有效的隔绝与封接。由于电池的工作温度高(700 750° C)，选择合适的封接材料和封接技术成为制约平板式SOFC发展的关键。为解决封接材料与含Cr不锈钢的封接失效问题，国内外研究者采用了 ①对含Cr合金连接体进行预氧化，以减少封接材料与含Cr合金的界面反应；②对含Cr合金连接体涂覆保护层，以限制Cr的扩散；③通过改进微晶玻璃的配方控制界面反应，如美国Sandia国家实验室的Loehman还尝试向玻璃基体添加饱和浓度的Cr2O3以抑制 Cr的扩散；④利用碱金属氧化物(如妝20和1(20)取代易发生反应的碱土金属氧化物等方法， 但以上方法均未能圆满解决界面反应导致的封接失效问题。在封接材料上，研究的玻璃体系主要集中在磷系、硼系和硅酸盐系。(1)磷酸盐系列在SOFC工作温度下，磷酸盐挥发容易与阳极发生界面反应，形成磷酸镍和磷酸锆等，降低阳极活性。同时，磷酸盐玻璃形成的晶体在潮湿的燃料气氛中的稳定性也很不理想。(2) 硼酸盐体系=B2O3在高温条件下的显著挥发制约着硼酸盐系玻璃在SOFC封接材料中的应用。研究发现该系玻璃由于挥发引起明显失重，且所发生的界面的反应也很明显。(3)硅酸盐体系相对而言，硅酸盐基玻璃材料的挥发性较弱，具有较强的封接稳定性。为了获得足够的材料的流动性，人们尝试采用加入各种添加剂来改善封接效果。近年来，人们发现采用混合型玻璃是一个可以取得较好封接效果的方向。其中硅硼酸盐是人们较为关注的体系。 研究表明，它在降低玻璃转换温度和和适度的热膨胀系数等方面都有一定优势。但是，如何通过含氏03材料的高温稳定性仍然是未解决的问题。针对封接材料与其他元件间由于热膨胀系数失配(如封接玻璃(1广13) X10_6/K， 含铬不锈钢合金连接体 13 X 10_6/Κ)导致热应力的产生，进而诱发裂纹的萌生和扩展，以致封接最终失效的缺陷，国内外研究投入大量精力开发在高温下能够长期维持玻璃态的自愈合封接材料，试图通过玻璃相的粘滞性流动释放封接界面积累的热应力。然而，用于改善封接玻璃粘度的网络配体离子(如IIA族)与含Cr合金连接体在SOFC工作温度下容易发生反应，生成如BaCr04、SrCrO4和CaCrO4等具有极高热膨胀系数(18 20 X 10_6/K)的产物，再次造成与封接界面其他元件的热膨胀系数失配，破坏封接结合力，严重制约封接材料和SOFC 的使用寿命，尤其是在热循环过程的稳定性。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种玻璃封接材料及其制备和使用方法，该方法采用适当的B与( 元素的配比，通过在封接界面形成一个保护薄层，可使材料的高温化学
稳定性进一步提高。本发明是通过如下技术方案实施的
一种玻璃封接材料的原料组成包括B203、A1203、SiO2, CaO, SrO, Ga2O3,其摩尔比为化03 0 10、Al2O3 0^5,SiO2 25 60、CaO 10 25、SrO 10^25, Ga2O3 5 25。所述原料的摩尔比为B2O3 5 10、Al2O3 0 5、SiO2 40 60、CaO 15 20、SrO 15 20、 Ga2O3 10 20。一种玻璃封接材料的制备方法，是将原料混合均勻；经过1300-1500°C熔制，保温时间1-4小时；对熔制好的玻璃液，进行急冷，获得玻璃熔块；然后，将玻璃熔块粉碎，研磨或者球磨，过筛后获得玻璃封接材料。一种玻璃封接材料的使用方法包括以下步骤
1)将玻璃封接材料与粘结剂、分散剂和溶剂混合成浆料，在球磨机中球磨均勻分散；流延成型，自然干燥，然后裁剪成所需形状的胚体；
2)将胚体置于待封接部位，在电炉中以1-5°C/min的速率升温，在400-500°C保温 0. 5-2小时，然后以1-50C /min的速率升温至750-850°C晶化处理0. 5_2小时，再以1-3°C / min的速率降温至固体氧化物燃料电池的工作温度，即完成封接。所述粘结剂包括环氧树脂、甲基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇的一种或几种。所述分散剂包括鱼油、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺的一种或几种。所述溶剂包括水、乙醇、异丙醇、正丁醇、甲苯、二甲苯、丙酮的一种或几种。本发明主要涉及固体氧化物燃料电池(SOFC)领域，但是并不限于S0FC，还可以用于类似金属和陶瓷之间的封接。本发明还可以在SiA网络体系，添加A1203、CaO、SrO与SW2形成(( Sr) SiO4及 (Ca, Sr) Al2SiO7主晶相，提供合适的热膨胀系数(1(Γ12Χ10_6/Κ)。所以，本发明提供的新型的封接材料，还可以添加其它的元素，包括Al、Ca、Sr等，它们的摩尔百分数可达(Γ20。 使得所提供的封接材料的主要组成(摩尔百分数)为化03 5^10, Al2O3 0^5, SiO2 40^60, CaO 15 20、SrO 15 20、Gei2O3 10 20。本发明提供的含( 的封接微晶玻璃是对含Si封接玻璃的改进，主要利用( 元素在封接界面形成一个防止Cr离子扩散的薄层，提高封接界面的稳定性，以此为封接材料提供了一种新的成分设计方案。本发明的显著优点
1)本发明由于加入了( 元素形成一个防扩散层，有效减少了含Cr不锈钢合金连接极中Cr离子向封接玻璃的扩散，显著提高了封接微晶玻璃的高温化学稳定性；
2)Ga元素的加入还可以降低材料的封接温度，避免过高温度对其他元件的破坏；
3)本发明选择的制备原料简单，易得，工艺稳定。选用相应的氧化物为源物质，使它们均勻混合，熔化和后续热处理中始终保持高比例的混合和分配状态，获得以SiO2为主体的逆性玻璃网络结构，成本低，工艺简单、可行，达到了实用化和工业化的条件。本发明通过上述实施获得了具有封接流动性和高温化学稳定性的封接微晶玻璃。 其显著的效果集中体现在高温化学稳定性的提高方面。对封接材料与Cr2O3粉末在高温下固相反应的产物通过紫外光谱测定Cr (VI)的吸收强度，可以定量评价材料的化学稳定性， 参见本课题组于2010年发表在《Journal of Power Sources》的页数在6795至6797的文章。反应率越低，表明封接材料的高温化学稳定性越好。采用传统的硼硅系微晶玻璃(不含Ga2O3)进行对比实验，结果表明采用添加Ga2O3可以使封接材料的化学稳定性显著提高。 图1为传统的硼硅系微晶玻璃(不含Gii2O3)与Cr2O3粉末在高温下固相反应产物的紫外光谱图。图2为添加10% Ga2O3的微晶玻璃在平行实验条件下的紫外光谱图。图3为添加15% Ga2O3的微晶玻璃在平行实验条件下的紫外光谱图。图4为添加20% Ga2O3的微晶玻璃在平行实验条件下的紫外光谱图。图5为添加25% Ga2O3的微晶玻璃在平行实验条件下的紫外光谱图。图6为添加5% Ga2O3的微晶玻璃在平行实验条件下的紫外光谱图。从六张图的对比可以清晰看到，封接微晶玻璃的化学稳定性随Ga2O3添加量的提高而增加趋势。图7为含 15% Ga2O3(摩尔百分数)的封接微晶玻璃与430SS不锈钢合金连接体的封接界面微观形貌。
图1为传统的硼硅系微晶玻璃(不含Gii2O3)与Cr2O3粉末在800°C下进行固相反应 24小时后的反应产物的紫外光谱图。图2为添加10% Ga2O3的微晶玻璃在平行实验条件下的紫外光谱图。图3为添加15% Ga2O3的微晶玻璃在平行实验条件下的紫外光谱图。图4为添加20% Ga2O3的微晶玻璃在平行实验条件下的紫外光谱图。图5为添加25% Ga2O3的微晶玻璃在平行实验条件下的紫外光谱图。图6为添加5% Ga2O3的微晶玻璃在平行实验条件下的紫外光谱图。图7为含15% Ga2O3 (摩尔百分数)的封接微晶玻璃与430SS不锈钢合金连接体的封接界面微观形貌。其中1为430SS不锈钢合金连接体；其中2为10% Ga2O3(摩尔百分数)的封接微晶玻璃；其中3为Ga2O3的薄层Γ2微米)。图8为实施例1-5中的封接微晶玻璃组分表(摩尔百分数)。
具体实施例方式一种玻璃封接材料的原料组成包括B203、A1203、SiO2, CaO, SrO, Ga2O3，其摩尔比为 B2O3 0 10、Al2O3 0^5, SiO2 25 60、CaO 10 25、Sr0 10^25, Ga2O3 5 25。所述原料的摩尔比为B2O3 5 10、Al2O3 0 5、SiO2 40 60、CaO 15 20、SrO 15 20、 Ga2O3 10 20。一种玻璃封接材料的制备方法，是将原料混合均勻；经过1300-1500°C熔制，保温时间1-4小时；对熔制好的玻璃液，进行急冷，获得玻璃熔块；然后，将玻璃熔块粉碎，研磨或者球磨，过筛后获得玻璃封接材料。一种玻璃封接材料的使用方法包括以下步骤
1)将玻璃封接材料与粘结剂、分散剂和溶剂混合成浆料，在球磨机中球磨均勻分散；流延成型，自然干燥，然后裁剪成所需形状的胚体；
2)将胚体置于待封接部位，在电炉中以1-5°C/min的速率升温，在400-500°C保温 0. 5-2小时，然后以1-50C /min的速率升温至750-850°C晶化处理0. 5_2小时，再以1-3°C / min的速率降温至固体氧化物燃料电池的工作温度，即完成封接。
所述粘结剂包括环氧树脂、甲基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇的一种或几种。所述分散剂包括鱼油、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺的一种或几种。所述溶剂包括水、乙醇、异丙醇、正丁醇、甲苯、二甲苯、丙酮的一种或几种。实施例1 材料的制备与封接
按照图8的各组分的配比，称取一定量的分析纯原料(CaO、SrO、SiO2, A1203> B203> Ga2O3),用行星球磨机球磨M小时混合均勻；然后将粉料放入钼金坩埚，置于箱式电阻炉的空气气氛中，以3°C /min加热至1300°C，保温1小时；然后，取出坩埚，将熔体倒入去离子水中急冷，干燥获得玻璃熔体的碎块；研磨，过100目筛，得到玻璃粉体。将玻璃粉与聚乙烯醇、鱼油、乙醇和甲苯(重量比依次为80%、2%、1%、10%、7%)混合成浆料，在球磨机中球磨均勻分散；流延成型，自然干燥，然后裁剪成所需形状的胚体；将胚体置于待封接部位，在电炉中以2°C /min的速率升温，在450 °C保温1小时，然后以2°C /min的速率升温至750°C晶化处理2小时，再以3°C /min的速率降温至固体氧化物燃料电池的工作温度，即完成封接。 图2表明，添加10% Ga2O3的微晶玻璃与Cr2O3粉末在800°C下进行固相反应M小时后的反应率为相应的不含Ga2O3的微晶玻璃的48%。
实施例2 材料的制备与封接
按照图8的各组分的配比，称取一定量的分析纯原料(CaO、SrO、SiO2, A1203> B203> Ga2O3),用行星球磨机球磨M小时混合均勻；然后将粉料放入钼金坩埚，置于箱式电阻炉的空气气氛中，以3°C /min加热至1450°C，保温1小时；然后，取出坩埚，将熔体倒入去离子水中急冷，干燥获得玻璃熔体的碎块；研磨，过100目筛，得到玻璃粉体。将玻璃粉与甲基纤维素、聚乙烯醇、正丁醇和丙酮(重量比依次为82%、2%、2%、8%、6%)混合成浆料，在球磨机中球磨均勻分散；流延成型，自然干燥，然后裁剪成所需形状的胚体；将胚体置于待封接部位，在电炉中以2°C /min的速率升温，在400 °C保温1小时，然后以2°C /min的速率升温至 780°C晶化处理2小时，再以3°C /min的速率降温至固体氧化物燃料电池的工作温度，即完成封接。该例为优选组成。图3表明，添加15% Ga2O3的微晶玻璃与Cr2O3粉末在800°C下进行固相反应M小时后的反应率为相应的不含Ga2O3的微晶玻璃的30%。图7是含15% Ga2O3 (摩尔百分数)的封接微晶玻璃与430SS不锈钢合金连接体的封接界面微观形貌。该试样通过箱式电阻炉从室温加热至800°C在空气气氛中模拟固体氧化物燃料电池的工作环境进行14天的老化试验。如图所示，在封接微晶玻璃与430SS不锈钢合金连接体的封接界面形成一个Ga2O3的薄层Γ2微米)；微区成分分析表明，此Ga2O3的薄层和封接玻璃中均未发现Cr元素，即Cr元素向封接微晶玻璃的扩散已被(^a2O3的薄层有效阻止。实施例3 材料的制备与封接
按照图8的各组分的配比，称取一定量的分析纯原料(CaO、SrO、SiO2, A1203> B203> Ga2O3),用行星球磨机球磨M小时混合均勻；然后将粉料放入钼金坩埚，置于箱式电阻炉的空气气氛中，以3°C /min加热至1400°C，保温1小时；然后，取出坩埚，将熔体倒入去离子水中急冷，干燥获得玻璃熔体的碎块；研磨，过100目筛，得到玻璃粉体。将玻璃粉与环氧树脂、聚丙烯酰胺、异丙醇和甲苯(重量比依次为84%、1. 5%、0. 5%、9%、5%)混合成浆料，在球磨机中球磨均勻分散；流延成型，自然干燥，然后裁剪成所需形状的胚体；将胚体置于待封接部位，在电炉中以2°C /min的速率升温，在480 °C保温1小时，然后以2°C /min的速率升温至750°C晶化处理2小时，再以3°C /min的速率降温至固体氧化物燃料电池的工作温度，即完成封接。该例为优选组成。图4表明，添加20% Ga2O3的微晶玻璃与Cr2O3粉末在800°C 下进行固相反应M小时后的反应率为相应的不含Ga2O3的微晶玻璃的25%。实施例4 材料的制备与封接
按照图8的各组分的配比，称取一定量的分析纯原料(CaO、SrO、Si02、Ga203)，用行星球磨机球磨M小时混合均勻；然后将粉料放入钼金坩埚，置于箱式电阻炉的空气气氛中， 以3°C /min加热至1450°C，保温1小时；然后，取出坩埚，将熔体倒入去离子水中急冷，干燥获得玻璃熔体的碎块；研磨，过100目筛，得到玻璃粉体。将玻璃粉与聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯酸、异丙醇和丙酮(重量比依次为83%、2%、1%、9%、5%)混合成浆料，在球磨机中球磨均勻分散；流延成型，自然干燥，然后裁剪成所需形状的胚体；将胚体置于待封接部位，在电炉中以2V /min的速率升温，在480 °C保温1小时，然后以2V /min的速率升温至820°C晶化处理2小时，再以3°C /min的速率降温至固体氧化物燃料电池的工作温度，即完成封接。该例为优选组成。图5表明，添加25% Ga203的微晶玻璃与Cr203粉末在800°C下进行固相反应M小时后的反应率为相应的不含(ia203的微晶玻璃的22%。实施例5 材料的制备与封接
按照图8的各组分的配比，称取一定量的分析纯原料(CaO、SrO、SiO2, A1203> B203> Ga2O3),用行星球磨机球磨M小时混合均勻；然后将粉料放入钼金坩埚，置于箱式电阻炉的空气气氛中，以3°C /min加热至1500°C，保温1小时；然后，取出坩埚，将熔体倒入去离子水中急冷，干燥获得玻璃熔体的碎块；研磨，过100目筛，得到玻璃粉体。将玻璃粉与甲基纤维素、聚丙烯酸、聚乙烯醇、异丙醇和二甲苯(重量比依次为84%、1. 5%、1%、0. 5%、8%、5%)混合成浆料，在球磨机中球磨均勻分散；流延成型，自然干燥，然后裁剪成所需形状的胚体；将胚体置于待封接部位，在电炉中以2°C /min的速率升温，在480 °C保温1小时，然后以2V / min的速率升温至850°C晶化处理2小时，再以；TC /min的速率降温至固体氧化物燃料电池的工作温度，即完成封接。该例为优选组成。图6表明，添加5% Ga2O3的微晶玻璃与Cr2O3 粉末在800°C下进行固相反应M小时后的反应率为相应的不含Ga2O3的微晶玻璃的80%。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种玻璃封接材料，其特征在于所述材料的原料组成包括B203、A1203、SiO2, CaO、 SrO、(^a2O3，其摩尔比为 B2O3 0 10、Al2O3 0 5、SiO2 25 60、CaO 10 25、SrO 10^25, Ga2O3 5^25 ο
2.根据权利要求1所述的一种玻璃封接材料，其特征在于所述原料的摩尔比为B2O3 5 10、Al2O3 0^5, SiO2 40 60、Ca0 15 20、SrO 15 20、Gei2O3 10 20。
3.—种如权利要求1所述的玻璃封接材料的制备方法，其特征在于所述方法是将原料混合均勻；经过1300-1500°C熔制，保温时间1-4小时；对熔制好的玻璃液，进行急冷，获得玻璃熔块；然后，将玻璃熔块粉碎，研磨或者球磨，过筛后获得玻璃封接材料。
4.一种如权利要求1所述的玻璃封接材料的使用方法，其特征在于所述使用方法包括以下步骤1)将玻璃封接材料与粘结剂、分散剂和溶剂混合成浆料，在球磨机中球磨均勻分散；流延成型，自然干燥，然后裁剪成所需形状的胚体；2)将胚体置于待封接部位，在电炉中以1-5°C/min的速率升温，在400-500°C保温 0. 5-2小时，然后以1-50C /min的速率升温至750-850°C晶化处理0. 5_2小时，再以1-3°C / min的速率降温至固体氧化物燃料电池的工作温度，即完成封接。
5.根据权利要求4所述的一种玻璃封接材料的制备方法，其特征在于所述粘结剂包括环氧树脂、甲基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇的一种或几种。
6.根据权利要求4所述的一种玻璃封接材料的制备方法，其特征在于所述分散剂包括鱼油、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺的一种或几种。
7.根据权利要求4所述的一种玻璃封接材料的制备方法，其特征在于所述溶剂包括水、乙醇、异丙醇、正丁醇、甲苯、二甲苯、丙酮的一种或几种。
全文摘要
本发明涉及一种玻璃封接材料及其制备和使用方法，所述材料的原料组成包括B2O3、Al2O3、SiO2、CaO、SrO、Ga2O3，其摩尔比为B2O30~10、Al2O30~5、SiO225~60、CaO10~25、SrO10~25、Ga2O35~25。本发明由于加入了Ga元素形成一个防扩散层，有效减少了含Cr不锈钢合金连接极中Cr离子向封接玻璃的扩散，显著提高了封接微晶玻璃的高温化学稳定性。并且本发明制备原料简单，易得，工艺稳定。获得以SiO2为主体的逆性玻璃网络结构，成本低，工艺简单、可行，达到了实用化和工业化的条件。
文档编号C03C8/24GK102225846SQ201110098140
公开日2011年10月26日 申请日期2011年4月20日 优先权日2011年4月20日
发明者唐中帜, 唐电, 张腾, 王欣, 邵艳群 申请人:福州大学