低应力、非析晶封接玻璃如何抵御氢氧串漏

连云港容佰新材料现在有一种面向中低温SOFC/SOEC电堆密封应用的无铅非析晶封接玻璃粉Ba-3022，其封接温度约为750℃，软化点约700℃，热膨胀系数（CTE）为9.5–10.5×10⁻⁶/K。通过多组分协同调控实现了非析晶特性与热物理性能的优化平衡，可满足中低温SOFC/SOEC电堆对密封材料的综合性能要求。

一、Ba-3022的组分优化

SiO₂和B₂O₃作为玻璃网络形成体，共同构建了玻璃的基本骨架结构。硼硅酸盐体系兼具硅酸盐玻璃良好的化学稳定性和硼酸盐玻璃较低的特征温度优势。BaO作为主要的网络修饰体，能够有效调节玻璃的网络结构，在BaO–Al₂O₃–B₂O₃–SiO₂体系中，BaO含量对玻璃的热膨胀系数具有显著影响——该体系基础玻璃的CTE可从9.24×10^-6/K调节至11.26×10^-6/K。

1.非析晶导向的组分调控01

Ba-3022的非析晶特性得益于多组分的协同抑制效应。在硼硅酸盐玻璃中引入适量的Al₂O₃可有效抑制析晶行为——随着Al₂O₃含量增加，玻璃的析晶活化能逐渐升高。当添加20wt%Al₂O₃时，玻璃在750℃热处理300h后析晶相含量可控制在约45wt%。CeO₂的引入同样被证实可抑制玻璃陶瓷密封材料的析晶倾向。此外，MgO的添加可抑制低热膨胀系数单斜相BaAl₂Si₂O₈的析出，从而保障CTE的长期稳定性。ZnO、CaO、SrO等碱土金属氧化物则可在调控热膨胀系数的同时，延缓析晶温度区间。Ba-3022通过上述多组分的协同配比，在实现目标CTE的同时有效抑制了服役温度区间的析晶行为。

二、热物理性能
1.特征温度01

Ba-3022的玻璃转变温度（Tg）约为700℃（软化点），封接温度约为750℃，熔点约为800℃。这一特征温度区间使其适用于中温SOFC/SOEC（650–850℃）的密封工艺。与高温SOFC密封玻璃（封接温度通常>850℃）相比，Ba-3022的低温封接特性可有效减少对Ni-YSZ阳极、LSM阴极及金属连接体等核心组件的热冲击损伤。

从流变学角度而言，封接温度下玻璃的粘度需降至足以润湿被连接材料表面并填充界面间隙的水平。玻璃密封材料在SOFC工作温度下的粘度通常处于10⁴–10⁶Pa·s范围，该粘度区间允许密封层容忍约20%的CTE失配。Ba-3022在750℃封接温度下的粘度特性与此类密封玻璃的典型行为一致。

2.2热膨胀行为02

Ba-3022的CTE为9.5–10.5×10⁻⁶/K（室温至封接温度区间）。该数值与SOFC/SOEC常用组件的热膨胀系数实现了良好的匹配。

Ba-3022与SOFC/SOEC常用组件材料CTE对比

Ba-3022的CTE与YSZ电解质（~10.5×10⁻⁶/K）几乎完全匹配。这一精准的热膨胀匹配具有重要的工程意义：密封材料与相邻组件的CTE差异是导致封接界面在热循环过程中产生热应力的根本原因。当CTE失配过大时，密封层可能发生开裂甚至剥落。Ba-3022通过精确的组分设计将CTE控制在YSZ与常用金属连接体（如Crofer22APU、SUS430等）的CTE之间，有效降低了封接界面的热应力积累。

三、长期稳定性保障

对于SOFC/SOEC的商业化应用而言，密封材料的长期稳定性至关重要。Ba-3022的非析晶特性从以下三个方面保障了长期服役可靠性：

其一，CTE稳定性。析晶会导致玻璃的CTE发生显著变化。BCABS玻璃陶瓷在无抑制措施时，CTE在1000h内可从11.47降至10.18×10⁻⁶/K，降幅超过10%。这种CTE漂移将直接导致密封界面的热应力不断累积直至失效。Ba-3022的非析晶特性从根本上消除了这一风险。

其二，界面化学稳定性。非析晶玻璃在服役过程中不产生新的晶相，避免了晶相析出可能引发的与相邻组件（YSZ电解质、金属连接体）之间的界面反应。

其三，自修复潜力。玻璃在服役温度下保持一定的粘性流动能力，可在一定程度上修复使用过程中产生的微裂纹。Ba-3022在SOFC/SOEC工作温度区间保持玻璃态，保留了这种自修复的潜力。

四、气密性能与电绝缘性能
4.1气密性能01

气密性是SOFC/SOEC密封材料的首要性能指标——任何燃料气体（H₂）与氧化气体（O₂/空气）的串漏都将导致电池效率骤降甚至引发安全事故。Ba-3022在封接过程中展现出优异的致密化能力，可充分填充陶瓷电解质与金属连接件之间的微小间隙，形成高致密的密封层。

4.2电绝缘性能02

SOFC/SOEC电堆中不同组件处于不同电位，密封材料必须具备优异的电绝缘性能以防止电流泄漏。玻璃密封材料在800℃下的电阻率通常需高于10⁵Ω·cm。Ba-3022作为一种氧化物玻璃，其本征的高电阻率特性可有效保障电堆中不同电位部件之间的绝缘隔离，这是有机密封胶和部分金属基密封材料难以比拟的优势。

五、SOFC/SOEC密封应用适配性分析
5.1与电堆组件的化学相容性01

密封玻璃与相邻电池组件的化学相容性是长期服役的前提。Ba-3022的组分中不含P₂O₅等易与Ni发生反应的组分，且BaO含量经优化设计以避免与金属连接体中的Cr发生过度反应。Al₂O₃、CaO、MgO等组分的引入进一步增强了玻璃的化学稳定性。

5.2气氛适应性02

SOFC/SOEC运行涉及氧化性气氛（空气侧）与还原性气氛（燃料侧/电解侧）的共存。SOEC尤其需要同时承受氧化性与高湿还原性（H₂/H₂O）的双重气氛考验。Ba-3022的硼硅酸盐主体系在氧化与还原气氛中均具有较好的化学稳定性，多元稳定氧化物（Al₂O₃、CeO₂等）的引入进一步提升了其在交替气氛下的耐久性。

5.3温循稳定性03

SOFC/SOEC电堆在实际运行中不可避免地经历启动、停机及负载变化带来的温度循环。Ba-3022的非析晶特性和精准CTE匹配共同保障了其在温循条件下的结构完整性。非析晶玻璃避免了因晶相析出引发的体积变化和内应力累积，而CTE匹配则从源头上降低了封接界面的热应力水平。

当前，SOFC/SOEC密封材料的研究正朝着长期稳定性提升（如抑制玻璃析晶、界面反应）、低温烧结技术开发及高效成型工艺优化等方向深入发展。如果您对我们的材料感兴趣，欢迎随时联系我们领取样品和更多资料！