شیشه آب‌بند: اهمیت و کاربردها
ای زد او متریال: شیشه‌های آب‌بند برای ایجاد اتصالات نشت‌ناپذیر (hermetic) بین اجزای سرامیکی، فلزی و شیشه‌ای استفاده می‌شوند. از مهم‌ترین مزایای استفاده از شیشه‌ها می‌توان به مقاومت آن‌ها در محیط‌های خورنده، انبساط حرارتی قابل تغییر، و پایداری در دمای بالا و در برابر چرخه‌های حرارتی اشاره کرد.
برای مشاهده انواع لحیم شیشه تولیدی گروه پژوهشی ما، اینجا کلیک نمایید. برای استعلام قیمت، از قسمت «تماس با من» استفاده فرمایید.
چه چیزی شیشه‌های آب‌بند را مفید کرده؟
شیشه‌های در مقایسه با دیگر مواد آب‌بندی مانند لحیم فلزی و چسب، مزایای زیادی دارند، از جمله آن‌که می‌توان با تغییر ترکیب، ضریب انبساط حرارتی آن‌ها را در محدوده وسیعی تغییر داد. شیشه آب‌بند باید ضریب انبساط حرارتی متناسب با اجزای تحت اتصال داشته‌باشد، در غیر این‌صورت تنش‌های حرارتی ایجادشده حین چرخه‌های سرد و گرم شدن ممکن است باعث تخریب اتصال شود.
همین ویژگی شیشه باعث می‌شود که شیشه‌های آب‌بند کاربردهای زیادی داشته باشند. این مواد به‌خصوص در تولید سوئیچ رید (reed switch)، لوله‌های تخلیه الکتریکی، لوله‌های خلأ و دیگر تجهیزات الکترونیکی و کاربردهای دارای اتصال شیشه به فلز استفاده می‌شوند.
قابلیت رسیدن به خواص مطلوب در شیشه‌ها، به ضریب انبساط حرارتی محدود نمی‌شود بلکه می‌توان آن‌ها را برای اتصال لیزر آماده کرد، پایداری در چرخه‌های حرارتی را افزایش داد و یا مقاومت شیمیایی آن‌ها را بالا برد. از همه مهم‌تر آن‌که شیشه‌ها مقاومت حرارتی بالایی دارند در حالی که چسب‌های پلیمری به راحتی در دمای بالا می‌سوزند و لحیم‌های فلزی می‌توانند اکسیده شوند. البته لحیم‌های پایه‌نقره قابلیت کاربرد در دمای بالا را دارند اما قیمت آن‌ها زیاد است. در ادامه با بعضی از مهم‌ترین کاربردهای شیشه‌های آب‌بند آشنا خواهید شد.
سلول‌های خورشیدی
در سال‌های اخیر، نوع خاصی از مواد معدنی با ساختار ABX3 معروف به پروسکایت (perovskite) توجه زیادی را به خود جلب کرده و به‌عنوان جایگزینی برای سیلیکون در سلول‌های فتوولتاییک (photovoltaic cells) مطرح است.
پروسکایت‌ها در حضور رطوبت به‌صورت کامل کارایی خود را از دست می‌دهند و این همیشه یکی از چالش‌های پیش روی توسعه سلول‌های خورشیدی پروسکایتی بوده است. بنابراین پروسکایت‌ها باید به‌صورت هرمیتی کپسوله شوند، تا از نشت ترکیبات حاوی سرب به بیرون و ورود رطوبت به داخل پیل جلوگیری شود.
شیشه‌های آب‌بند می‌توانند به‌خوبی پروسکایت را کپسوله و از آن در برابر محیط خارجی محافظت کند. در این دستگاه‌ها، از لیزر برای نرم کردن فریت شیشه در محل اتصال استفاده می‌شود.
باتری‌های حرارتی و یون فلز
این باتری‌ها معمولاً به آب‌بندهایی نیاز دارند که در برابر حملات شیمیایی در دمای بالا مقاوم باشند و برای مدت طولانی پایدار بمانند. از مهم‌ترین این باتری‌ها، نوع یون لیتیوم است که اکنون تجاری شده است. نوع دیگری نیز در دست تحقیق و توسعه است و با یون سدیم کار می‌کند.
بهترین گزینه برای آب‌بندی این باتری‌ها، شیشه‌ها هستند. برای مثال شیشه‌های آب‌بند در باتری‌های نمک مذاب با دمای کاری ۳۰۰ تا ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد استفاده می‌شوند.
سنسورهای دمای بالا
حضور تغذیه-از-میان‌ها یا فیدتروها (feedthrough) در همه دستگاه‌هایی که با خلأ یا فشار بالا کار می‌کنند ضروری است. این دستگاه‌ها معمولاً نیاز به حسگرهایی در محفظه داخلی خود دارند. اما انتقال سیگنال این حسگرها به بیرون باید از طریق کانکتورهایی انجام شود که فشار داخل محفظه را نشکنند. به این نوع از کانکتورها که علاوه بر انتقال سیگنال یا جریان الکتریکی، باید آب‌بندی هم باشند، فیدترو گفته می‌شود. فیدتروها به‌خصوص برای کاربرد در دمای بالا، از آب‌بند شیشه‌ای بهره می‌برند.
پیل‌های سوختی اکسید جامد (SOFCs)
پیل‌های سوختی یا برقکافت اکسید جامد نوعی از پیل‌های الکتروشیمیایی هستند که در دمای بالا و با الکترولیت سرامیکی کار می‌کنند. این نوع از پیل‌ها به علت بازدهی بالا در تبدیل سوخت به برق (و برعکس) توجه زیادی را به خودشان جلب کرده‌اند.
دمای کاری بالا (۵۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد)، تولید این دستگاه‌ها را با چالش‌های مهندسی زیادی روبه‌رو می‌کند. علاوه بر این انتظار می‌رود که این دستگاه‌ها برای مدت طولانی بتوانند برق ارزان تولید کنند.
لایه‌های آند، کاتد و الکترولیت باید نسبت به هم آب‌بندی شوند. گسکت‌های پلیمری مرسوم برای استفاده در SOFCها مناسب نیستند چراکه می‌سوزند یا دچار خوردگی، اکسیداسیون و خزش می‌شوند.
برای حل این معضل، از شیشه‌ها یا شیشه-سرامیک‌ها استفاده می‌شود. شیشه‌ها در دمای بالا نرم هستند و در صورت بروز ترک، می‌توانند خود را ترمیم کنند. حتی شیشه-سرامیک‌ها نیز درصدی فاز شیشه‌ای در خود دارند که باعث می‌شود در دمای کاری نرم باشند و درز اتصال را به طور کامل پر کنند.
توجه: هر گونه کپی‌برداری یا اقتباس از مطالب این تارنما بدون ذکر منبع (فکوری)، شرعی و اخلاقی مجاز نیست.
مراجع
مسعود فکوری حسن آبادی، رساله دکتری، «بررسی خواص مکانیکی آب‌بند شیشه-سرامیکی برای پیل سوختی/برقکافت اکسید جامد،» دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران، 1397.
Extance, A. The reality behind solar power’s next star material. Nature 570, 429–432 (2019).
Emami, S., Martins, J., Ivanou, D. & Mendes, A. Advanced hermetic encapsulation of perovskite solar cells: the route to commercialization. J. Mater. Chem. A 8, 2654–2662 (2020).
Lu, X., Xia, G., Lemmon, J. P. & Yang, Z. Advanced materials for sodium-beta alumina batteries: Status, challenges and perspectives. Journal of Power Sources 195, 2431–2442 (2010).
Smeacetto, F. et al. Glass-ceramic joining material for sodium-based battery. Ceramics International 43, (2017).
Hsu, J.-H. et al. An alkali-free barium borosilicate viscous sealing glass for solid oxide fuel cells. Journal of Power Sources 270, 14–20 (2014)