采用不锈钢的部件，用于保护航空航天和国防行业中看到的极端环境，需要电力路径来为它们提供动力并与他们沟通。
这些路径反过来需要可靠的绝缘密封，以防止与金属外壳接触，从而导致电力和通信线路短路。
密封材料之间的牢固结合是至关重要的，桑迪亚国家实验室继续在这方面取得进展。
通常，用于隔离电路的材料是玻璃或玻璃-陶瓷复合材料。史蒂夫·戴(Steve Dai)是玻璃陶瓷与不锈钢结合项目的首席研究员，他的工作旨在开发高性能、高可靠性玻璃陶瓷与金属密封材料和加工的基础科学。这一科学基础可以用于设计、开发和制造下一代密封件。
桑迪亚国家实验室的研究员史蒂夫·戴一直致力于将玻璃陶瓷材料与不锈钢结合。从航空航天到国防等领域，气密密封的牢固粘合非常重要。(兰迪·蒙托亚拍摄)
Dai的团队在11月申请了一项用于玻璃-陶瓷-金属密封的界面粘合氧化物的临时专利。
耐用密封需要在玻璃 - 陶瓷和金属之间的强化学键和材料之间的热膨胀系数（CTE）之间的密切匹配。CTE定义了对象的尺寸如何随温度变化而变化。形成在原始玻璃内部的晶体相的玻璃陶瓷增加了CTE以更好地匹配金属壳体并减少热应力。
由于保税glass-metals必须处理在非常高的温度下,“我们需要非常仔细地管理热不匹配,确保在任何阶段在密封过程中没有拉应力或张力将导致裂纹的玻璃或恢复分离金属住房,”戴说。
看到潜在的工业用途
在高温高压下的密封也有潜在的工业用途，如燃料电池和在极端环境下操作的航空航天或国防应用。
纯玻璃在高温下比金属收缩小。不匹配导致金属卷曲，压缩密封。这既有优点也有缺点。“好的方面是，你不需要有很好的键合，因为有很多压缩;不利的一面是压力过大，久而久之可能会导致玻璃破裂。”
他的团队在不增加生产步骤的情况下，通过建立一种界面粘结层，在金属和玻璃之间建立化学键，这是一种连接钢和玻璃的桥梁材料。“这非常困难，因为这是两种非常不同的材料，一块钢和一块玻璃陶瓷。他们几乎不分享任何东西。”
玻璃金属密封件在惰性气氛中加工，因为金属从大气中抓住氧气，导致氧化和锈蚀。但该过程包含固有的矛盾：与玻璃陶瓷的金属键需要氧化物，因此界面粘合层真的是界面氧化物层。
“这是最根本的挑战，我们该怎么做?”戴说。有些工艺会预氧化金属，但桑迪亚想避免这一额外步骤。
探讨氧化剂对微晶玻璃的改性
Dai的热力学方法用氧化剂修改或掺杂玻璃陶瓷密封剂。这种氧化剂，作为一种牺牲金属氧化物，在高温下分解和迁移，提供氧气来氧化不锈钢中的金属铬。在玻璃陶瓷和金属界面上形成的氧化铬键导致密封。
该团队使用多种无毒且相当容易处理的金属氧化物，如钴氧化物，制造了24种可能的改性玻璃陶瓷成分。“大部分工作实际上是在说，‘好吧，我们可以使用元素周期表中的多少金属?当我们用这些牺牲金属氧化物涂料玻璃时，我们需要涂料多少量?”戴说。
研究人员希望掺入的陶瓷-玻璃材料能在界面而不是在玻璃-陶瓷表面失氧。“这个想法是在正确的地方放弃氧气。这与材料的性质和加工方式有关。”
该团队确定了两种改性的玻璃陶瓷组合物，最适合。戴伊说他们并不完美，但他们向前一步。“基本上我们看到玻璃陶瓷和金属之间的化学键，这是一个非常强烈的粘合，”他说。“如果我们打破它，我们打破了玻璃杯。”
桑迪亚还开发了一种方法来测试是否建立了界面键合，如果建立了，界面键合是否足够牢固，以确保玻璃不会破裂。
考虑到所有因素
其他因素必须考虑。没有仔细处理，玻璃粘在其他表面以及金属壳体上。为了防止，粘接过程使用用于在形成键合的同时保持金属和玻璃陶瓷件的夹具的石墨。
但是石墨，如不锈钢，抗氧气的斗争。
“本质上，这是一种热力学上的竞争，”戴说。“如果我的金属外壳得到氧来形成氧化键，这就是我想要的。如果石墨夺取了氧气，就不会有任何好处。这种微妙的反应平衡非常具有挑战性。”
戴三年的前两年实验室主导研发(LDRD)项目以粘接过程为中心。最后一年研究了如何控制微晶玻璃的结晶，以确保最佳的热匹配。LDRD的资助已经结束，但由于它有帮助生产的潜力，这项工作将与其他资金一起继续进行。虽然该项目的目标不是立即应用，但研究人员发现，通过玻璃陶瓷和金属之间更好的热匹配，短期内可以帮助武器生产团队。
在密封过程中，玻璃陶瓷会经历一个结晶阶段，这允许形成一个高膨胀的结晶阶段，增加玻璃陶瓷的CTE，以更好地匹配高CTE金属，如不锈钢。然而，由于与该晶相相关的体积突变，微晶玻璃在加工过程中发生的温度变化中膨胀分布不均匀。因此，金属和玻璃陶瓷之间的热应变速率并不匹配。
管理结晶相虽然困难但很重要
该团队有兴趣通过将其破坏2或三个高膨胀晶相来管理结晶过程，每个相位发生在几百个分开的温度下发生的突然体积变化。该概念需要了解温度产生某些结晶阶段的内容。
“我们尝试做两个或更多的多重结晶，以平滑的热应变的玻璃陶瓷，”戴说。“因此，在玻璃陶瓷中不再有这种非线性的、几乎是阶梯式的应变变化。这是一个更接近线性的应变曲线，与金属的匹配要好得多。”
在非常高温下管理多个结晶阶段是挑战性的。“我们需要了解一部分进程，以确保我们对所有阶段的平衡良好，让它们在正确的序列中结晶，理想情况下是正确的比例，”戴说。他认为努力会导致一种改善密封的一致方式。
他的团队正在开发验证方法，以确定该过程是否适用于生产应用。然后，研究人员将研究这个过程是否始终如一地产生预期的结果。
“一旦我们达到那个点，我们将确保正确的规格到位，加工零件具有一定的性能，这样生产代理机构就可以使用他们的设备持续进行这一过程，”戴说。
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