برای خرید لحیم شیشه، اینجا کلیک فرمایید.

لحیم­ های شیشه­ ای

بر اساس اولین تعاریف، لحیم­کاری، فرآیند اتصال دو ماده به یک­دیگر از طریق ذوب و انجماد یک فلز پرکننده (لحیم) است که در آن، مواد پایه ذوب نمی­ شوند. انواع روش­ های لحیم­کاری بر اساس دمای فرآیند به دو دسته لحیم­کاری نرم (زیر ۴۵۰ درجه سانتی گراد) و لحیم­کاری سخت (بالای ۴۵۰ درجه سانتی گراد) تقسیم می­ شوند. حدود یک قرن است که شیشه­ ها، شیشه-سرامیک­ ها و کامپوزیت آن­ها به­ عنوان یک جایگزین مناسب و یا رقیب جدی برای لحیم­ ها و چسب­ ها ظهور کرده­ اند. اگرچه بر اساس تعریف ذکرشده، نمی­ توان این مواد غیرفلزی را در دسته لحیم­ ها قرار داد، اما به دلیل مکانیزمِ عملِ مشابه، گاه به آن­ها لحیم نرم شیشه­ ای، شیشه لحیم نرم (هرچند دمای لحیم­کاری بالاتر از ۴۵۰ درجه سانتی گراد باشد) و یا ماده لحیم­کاری سخت گفته می­شود. در واقع «لحیم­کاری با شیشه» یا «اتصال با فریت شیشه»، یک فرآیند حرارتی است که طی آن شیشه، نرم شده و سطوح تحت اتصال را تر می­ کند، و نتیجه آن ایجاد پیوند مکانیکی، فیزیکی و به­ خصوص شیمیایی با این سطوح است.

مزایای لحیم­ های شیشه­ ای

از مهم­ ترین مزایای شیشه­ ها و شیشه-سرامیک­ ها در مقایسه با لحیم­ ها و چسب­ ها می­ توان به موارد ذیل اشاره کرد. در ادامه در مورد بهره­ گیری از این مزایا در کاربردهای متنوع، بیش ­تر بحث خواهد شد.

انعطاف­ پذیری در خواص: کنترل و رسیدن به خواص مطلوب در شیشه­ ها غیرممکن نیست. با انتخاب مناسبِ ترکیب شیشه، می­ توان به محدوده مناسبی از ترکنندگی انواع مواد، گرانروی، دمای لحیم­کاری، ضریب انبساط حرارتی و ضریب دی­ الکتریک، رسید و سازگاری شیشه را با شرایط کاری افزایش داد.

تولید و استفاده آسان: پودر یا فریت شیشه در مقایسه با اکثر چسب­ های سرامیکی یا لحیم­ های فلزی نیاز به فرآوری خاصی ندارد و با طراحیِ مناسبِ ترکیب، به­ راحتی قابل تولید است. همچنین به راحتی به شکل پودر پخش ­شده در خمیر، پودر تف­جوشی­ شده، ورقه­ های ریخته­ گری نواری و یا قطعات ریخته­ گری­ شده قابل استفاده هستند.

قیمت پایین: مواد اولیه برای تولید این شیشه­ ها معمولاً قابل دسترس و ارزان قیمت است. در نتیجه با توجه به فرآیند تولید ارزان، قیمت تمام­ شده لحیم ­های شیشه­ ای برای شرایط کاری حساس، کم ­تر است.

شکل پذیری خوب: با افزایش دما، گرانروی شیشه کاهش می­ یابد و از این خاصیت می­ توان در ساخت پیش­ فرم استفاده کرد. همچنین این کاهش گرانروی، به حذف کامل تخلخل­ ها و پر کردن درز اتصال کمک می­ کند.

خنثی بودن در برابر انواع اتمسفر: با انتخاب ترکیب مناسب، می­توان شیشه­ هایی تولید کرد که در برابر انواع اتمسفرهای خورنده در دماهای مختلف مقاوم باشند.

قابلیت کامپوزیت­ سازی: می­ توان به­ صورت درجا (شیشه-سرامیک) یا پیش ساخته، کامپوزیتی شیشه­ ای داشت. این ویژگی در بهبود خواص مکانیکی لحیم شیشه­ ای یا ایجاد خواص جدید مانند مغناطش، بسیار مفید است.

تراوایی گاز کم: نرخ نشت گازهایی مانند H₂ و He از درون ساختار اتمی شیشه­ ها بسیار کم است. درحالی­ که اکثر چسب­ های پلیمری نمی­ توانند برای مدت زیاد، اختلاف فشار اطراف خود را حفظ کنند.

وزن کم: شیشه­ ها به­ خصوص در مقایسه با لحیم ­ها، چگالی کمی دارند.

کاربرد لحیم­ های شیشه­ ای

عمده لحیم ­های شیشه­ ای به ­نوعی با هدف آب­ بندی (اتصال غیرقابل نشت) مورد استفاده قرار می­ گیرند، لذا گاه به آن­ها شیشه آب­بندی نیز گفته می ­شود. آب­ بندها و لحیم­ های شیشه­ ای را می ­توان بر اساس معیارهای مختلفی دسته ­بندی کرد. بر اساس دمای کاری، دو نوع آب­ بندِ دمای پایین و دمای بالا وجود دارد.

آب­ بند دمای پایین: در این دسته، شیشه در شرایط کاری، صلب است و عموماً زیر دمای انتقال به شیشه (T_g) قرار دارد. طی آب ­بندی، با اعمال حرارت، آب­ بند شیشه­ ای نرم شده، درز اتصال را پر کرده، با سطوح پیوند برقرار می­ کند و در نهایت صلب می ­شود. این صلب شدن می­ تواند ناشی از دو عامل باشد؛ کاهش دما به زیر T_g و/یا تبلور مجدد در اثر نگه­ داری در دمای بالا. حین سرد شدن در اثر اختلاف CTE بین آب­ بند و مواد تحت اتصال، تنش­ هایی ایجاد می ­شود که شیشه به دلیل ماهیت ترد، قادر به تحمل آن نیست. از طرفی استحکام فشاری شیشه چند برابر استحکام کششی آن است، لذا انتخاب طرح اتصال و جنس مواد باید به­ گونه­ ای باشد که کم ترین تنش در فصل مشترک­ ها ایجاد شود و حتی­ المقدور این تنش­ ها در طرف شیشه از نوع فشاری باشد.

آب ­بند دمای بالا: آب­ بند شیشه­ ای در شرایط کاری، کاملاً صلب نیست. در واقع حین کارِ دستگاه، شیشه در دمایی بالاتر از T_g و حتی نقطه نرم­ شوندگی (T_s) قرار دارد. در این شرایط شیشه نه تنها ترد نیست بلکه خاصیت خودترمیمی نیز دارد. با این وجود، مشکلاتی از جمله خوردگی مواد تحت اتصال، تبخیر اجزای شیشه، خزش و کنترل گرانروی، در این نوع آب­ بندی­ ها مطرح است. علاوه بر آن به­ دلیل خاموش/روشن شدن دستگاه، آب بند دمای محیط و سیکل­ های حرارتی را نیز تجربه می­ کند. درنتیجه حساسیت­ های مطرح در آب­ بندی دمای پایین، برای این دسته نیز وجود دارد.

اگرچه اکثر آب ­بندها و لحیم­ های شیشه ­ای در قطعات الکترونیکی و الکتریکی کاربرد دارند، اما شرایط کاری متفاوت باعث تنوع در جنس مواد تحت اتصال و در نتیجه جنس آب­ بندها و لحیم­ ها شده­ است. از طرفی شیشه­ ها به­ دلیل ماهیت پیوند و چیدمان اتمی خاصِ خود، نیاز به تمهیداتی برای سازگاری با دیگر مواد دارند. لذا معیار مناسب دیگر برای دسته­ بندی کاربرد­ها، جنس مواد تحت اتصال است که در چهار بخش بعدی ارائه می­شود.

آب­ بندی شیشه­ ها

اگرچه با حرارت­ دهی لبه قطعات شیشه­ ای، می ­توان آن­ ها را به یک­دیگر آب­ بندی کرد، اما گاه دمای نرم شدن قطعات به حدی بالا است که حرارت موردنیاز باعث آسیب رسیدن به دیگر اجزای سازه می­شود. گاهی نیز این حرارت­ دهی، تغییرشکل ناخواسته قطعات شیشه­ ای را به­ همراه دارد. در این موارد برای کاهش دمای آب­ بندی از چسب، لحیم (پایه ایندیوم) و یا لحیم شیشه­ ای استفاده می ­شود. همچنین یک یا چند لایه لحیم­ شیشه­ ای می­ تواند باعث تغییر تدریجی CTE بین دو شیشه متفاوت می شود. برای مثال در لامپ پرتو کاتدی (CRT) از لحیم ­های شیشه-سرامیکی بر پایه PbO-B₂O₃-ZnO برای آب­ بندی قیف شیشه­ ای به صفحه نمایشگر استفاده می­ گردد.

آب­ بندی سرامیک­ ها

روش­ های مختلفی از جمله جوشکاری، چسب و لحیم­ کاری برای اتصال سرامیک­ ها وجود دارد اما، یکی از روش­ های پرکاربرد در آب­ بندی قطعات الکترونیکی، استفاده از لحیم­ های شیشه­ ای است. برای مثال استفاده از فریت شیشه در آب­ بندی بسته­ های MEMS، علاوه بر کیفیت بالای حاصله، نسبت به سایر روش­ه ا (مانند لحیم فلز فعال و لایه یوتکتیک) سهولت بیش تری دارد. یکی از این بسته­ های MEMS، حسگر فشار است که در آن دو قرص سیلیکونی (قرص کلاه و حسگر) به وسیله فریت شیشه (پایه PbO) به یک­دیگر آب ­بندی می­ شوند. در مورد آب­ بندی دمای بالا نیز می­ توان اتصال مواد پایه-SiC را در سیستم­ های شکاف و گداخت پیشرفته مثال زد.

آب­ بندی فلزات

در آب­ بندی فلزات، آن­چه شیشه را از دیگر آب­ بندها (فلزی و پلیمری) متمایز می­ کند، مقاومت الکتریکی و استحکام دی­ الکتریک بالا در کنار مقاومت شیمیایی و پایداری حرارتی مطلوب است. آب­ بندی پیل سوختی اکسید جامد (SOFC) مهم ­ترین و شناخته­ شده­ ترین کاربرد دمای بالای آب­ بندی فلزات محسوب می­ شود. اما آب­ بندیِ دمای پایینِ این دسته را می ­توان به­ طور کلی تغذیه-از-میان نامید. تغذیه-از-میان، قطع ه­ای برای انتقال جریان الکتریکی (یا حرارت) به/از درون یک محیط ایزوله از/به خارج آن است. ساده ترین و قدیمی ­ترین کاربردِ تغذیه-از–میان در لامپ روشنایی است که وظیفه انتقال جریان الکتریکی به درون محفظه شیشه­ ایِ پرشده از گاز بی­ اثر را بر عهده دارد. اکثر تغذیه-از-میان­ هایی که امروزه در وسایلی مانند میکروسکوپ الکترونی، موشک، شاتل فضایی، فشارسنج و دماسنج ­های پیشرفته استفاده می­ شوند، طرحی مشابه شکل ۱ دارند، یعنی از یک یا چند پین (یا سیم) تشکیل شده­ اند که شیشه به ­عنوان آب ­بند و عایق الکتریکی، فضای بین آن­ها و بدنه را پر می­ کند. البته گاه به­ جای آب­ بند شیشه­ ای، از لحیم­کاری آب­ بند سرامیکی به فلز استفاده می­ شود. در اواخر دهه ۱۳۷۰ شمسی، تحقیقات پراکنده ­ای برای تولید این قطعه در ایران انجام شد. با وجود تحقیقات پراکنده­ ای که امروزه نیز انجام می ­شود، هنوز دانش فنی کامل برای تولید این قطعه در کشور وجود ندارد.

شکل ۱. شماتیک نوعی تغذیه-از-میان. ۱) بدنه، ۲) شیشه آب بند، ۳) پین رسانا.

آب­ بندی سرامیک-فلز، سرامیک-شیشه و شیشه-فلز

نیاز به بهره­ گیری از خواص متفاوت و گاه متضادِ مواد نامشابه در مجاورت هم، در یک سازه، بشر را بر آن داشته که در جهت بهبود اتصال­ و سازگاری این مواد، گام بردارد. لحیم­ های شیشه­ ای به­ دلیل قابلیت­ ها و امتیازاتی که در سه بخش قبلی ذکر شد، در این زمینه کاربرد زیادی پیدا کرده­ اند. در شمع ماشین، از نوعی شیشه رسانا برای آب­ بندی سرامیک به فلز استفاده می­ شود. در بعضی از MEMSها برای آب­ بندی سرامیک به شیشه از فریت شیشه استفاده می­ شود. در ساق CRT نوعی تغذیه-از-میان وجود دارد، که مشابه شکل ۲، می­ توان از لحیم شیشه­ ای برای آب­ بندی آن استفاده کرد.

شکل ۲. الف) ساختار CRT؛ منطقه مشخص ­شده، محل تغذیه-از-میان را در ساق نشان می­ دهد. ب) آب­ بندی پین ­های CRT به محفظه با لحیم شیشه­ ای (شیشه مات).

توجه: استفاده از مطالب این سایت، با ذکر منبع بلامانع است.

برای خرید لحیم شیشه، اینجا کلیک فرمایید.

منابع:

M. Fakouri Hasanabadi, A. Nemati, and A. H. Kokabi, “Effect of intermediate nickel layer on seal strength and chemical compatibility of glass and ferritic stainless steel in oxidizing environment for solid oxide fuel cells,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 40, no. 46, pp. 16434–۱۶۴۴۲, Dec. 2015. download PDF
M. Fakouri Hasanabadi, A. H. Kokabi, A. Nemati, and S. Zinatlou Ajabshir, “Interactions near the triple-phase boundaries metal/glass/air in planar solid oxide fuel cells,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 42, no. 8, pp. 5306–۵۳۱۴, Feb. 2017. download PDF
M. Fakouri Hasanabadi, M. A. Faghihi-Sani, A. H. Kokabi, and J. Malzbender, “The analysis of torsional shear strength test of sealants for solid oxide fuel cells,” Ceram. Int., vol. 43, no. 15, pp. 12546–۱۲۵۵۰, Oct. 2017. download PDF

[۱] . Solder or braze

[۲] . Soldering

[۳] . Brazing

[۴] . Adhesives

[۵] . Glass solder

[۶] . Solder glass

[۷] . Brazing material

[۸] . Glass soldering

[۹] . Glass frit bonding

[۱۰] . Coefficients of Thermal Expansion

[۱۱] . Tape cast sheet

[۱۲] . Preform

[۱۳] . Gas permeability

[۱۴] . Sealing

[۱۵] . Hermetic joint

[۱۶] . Sealing glass

[۱۷] . Sealants

[۱۸] . Glass Transition Temperature

[۱۹] . Softening Point

[۲۰] . Graded or stepped

[۲۱] . Cathode Ray Tube

[۲۲] . Glass funnel

[۲۳] . Faceplate

[۲۴] . Micro-Electric Mechanical System

[۲۵] . Silicon wafer

[۲۶] . Cap wafer

[۲۷] . Solid Oxide Fuel Cell

[۲۸] . Feedthrough

[۲۹] . Spark plug

[۳۰] . Stem