一种玻璃烧结高温高压密封电连接器的制造方法
【专利摘要】一种玻璃烧结高温高压密封电连接器，包括传输电流的导体插针（11），导体插针（11）上包围有玻璃绝缘体（12）和陶瓷绝缘体（13），并在玻璃绝缘体（12）和陶瓷绝缘体13外围设置有金属外壳（14），所述的导体插针（11）、玻璃绝缘体（12）、陶瓷绝缘体13和金属外壳（14）通过玻璃烧结工艺结合为一体，所述的导体插针（11）采用膨胀合金，玻璃绝缘体（12）采用电子封接玻璃，金属外壳（14）采用镍基高温合金。所述的密封电连接器，在玻璃与基体间更易产生压应力，提高了玻璃与金属彼此封接的微观结合度，相应地使无论烧结过程还是使用过程发生漏气的可能性大大降低。
【专利说明】一种玻璃烧结高温高压密封电连接器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种密封连接器，尤其涉及一种可安装于隔离壁上实现一端高温高压、另一端常压或两端高温高压的玻璃烧结高温高压密封电连接器。
【背景技术】
[0002]在能源工业、地热以及核爆等一些领域中很多都涉及到高压工况，甚至高温高压工况，典型应用如地下石油钻探设备中的测井工具。为了保证电子设备的可靠运行，必须设置有密闭容器将上述高压或高温高压环境隔开，同时应在容器隔离壁上安装有密封穿墙连接器以便与地面电子设备进行电气连接。
[0003]在上述穿墙密封连接器中，国内外相关专业厂家、机构先后成功开发了众多类型和结构的产品及其制造技术，玻璃和/或陶瓷烧结类产品便是其中典型产品。尽管烧结技术已较为成熟，包括之前Hull和Burger (Albert ff.Hull and Ε.E.Burger)最早已提出利用科学理论计算玻璃-金属的封接应力，但直到现在还没有一个权威的理论对玻璃-金属封接全过程及其内部产生的应力进行详细的描述和科学的计算。须知，玻璃和金属材料的热膨胀系数的匹配性是产生上述应力的本质原因，也是应重点考虑的事项。如该应力超过玻璃所能承受的极限强度，则直接影响玻璃-金属的封接性能，甚至产生产品失效——漏气。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是在不改变产品结构的基础上，通过更换匹配材料的种类，解决了玻璃烧结高温高压密封连接器在烧结和使用过程中材料匹配性不佳的问题，从而解决了上述存在的漏气问题，提高了该连接器高温高压下工作的可靠性。
[0005]本发明的另一目的是提供一种玻璃烧结高温高压密封电连接器，通过改进外壳的材料种类，提高连接器的工艺与耐高温和高压环境下的密封性能。
[0006]为了达到该上述目的，所述的玻璃烧结高温高压密封连接器采用如下技术方案:
[0007]—种玻璃烧结高温高压密封电连接器，包括传输电流的导体插针(11)，导体插针
(11)上包围有玻璃绝缘体(12)，并在玻璃绝缘体(12)外围设置有金属外壳(14)，所述的导体插针(11)、玻璃绝缘体(12)、金属外壳(14)通过玻璃烧结工艺结合为一体，其特征在于:所述的导体插针(11)采用膨胀合金，玻璃绝缘体(12)采用电子封接玻璃，金属外壳(14)采用镍基高温合金。
[0008]优选地，所述的金属外壳(14)具有与玻璃绝缘体(12)的材料基本上相等或更大的热膨胀系数；所述的玻璃绝缘体(12)的材料具有与导体插针(11)基本上相等或更大的热膨胀系数。
[0009]优选地，所述的玻璃绝缘体(12)封接的金属外壳(14)所依附的基体金属氧化层为致密的氧化层。
[0010]优选地，所述的金属外壳(14)为GH4145或GH4169 ;所述的导体插针(11)的材料为铁镍合金4J29、4J28或4J50 ;玻璃绝缘体(12)的材料为DM305、DM308或美国康宁公司的7052玻璃粉。
[0011]对比现有技术，上述方案通过将金属外壳(24)的材料由不锈钢更改为高温合金，增加了材料的耐温等级，更主要的是将金属外壳(14)改进为高温合金，其氧化层较不锈钢的更为致密，不易脱落；并且由于其具有更高的热膨胀系数，当由高温降至常温时，材料更容易收缩，从而在玻璃与基体间更易产生压应力，提高了玻璃与金属彼此封接的微观结合度，相应地使无论烧结过程还是使用过程发生漏气的可能性大大降低。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1所示为现有技术的一种玻璃烧结高温高压密封连接器结构剖视图【具体实施方式】
[0013]以下结合附图和实施例对本发明所述的一种玻璃烧结高温高压密封连接器做进一步的详细说明:
[0014]以图1所示的石油测井中用到的一款玻璃烧结电连接器为例进行阐述。该连接器的高温高压指标可达到175°C和140MPa，且可实现两端承压。图中所示，连接器包含多个传输电流的导体插针11，其上包围有玻璃绝缘体12和陶瓷绝缘体13，并在玻璃绝缘体12和陶瓷绝缘体13外围设置有金属外壳14，上述零部件构成玻璃-金属烧结结构(玻璃烧结前，陶瓷绝缘体13与金属外壳14之间为足够的间隙配合，陶瓷绝缘体13的作用是使得连接器的承压能力增强，不需要与金属外壳14构成匹配关系)；为了增强承压性能和提高爬电距离，在金属外壳14的内腔，陶瓷绝缘体13的表面上设置有塑料绝缘体15，直接由高温胶，如环氧胶灌封而成。
[0015]上述烧结结构零部件采用下述典型材料:插针11采用铁镍钴玻封合金4J29，玻璃绝缘体12采用DM-305电子封接玻璃，外壳14采用沉淀硬化不锈钢17_4PH( —种耐腐蚀性能优异的沉淀硬化不锈钢0Crl7Ni4Cu4Nb，美国材料号为17-4PH)，陶瓷绝缘体采用95%氧化铝陶瓷。结果是:导致在烧结和使用时造成玻璃-金属封接性能降低，出现泄漏。
[0016]可见，虽然上述烧结材料膨胀系数基本匹配，但还是不能用以实现连接器的高温高压密封性能。我们可以假定是外壳材料使用不锈钢不当的原因，即:外壳材料使用不锈钢，在高温下产生的氧化层较为疏松，在一定外力作用下玻璃容易脱落，且不锈钢在高温下抗变形能力较差，高温到常温冷却时，外壳不易收缩，从而在玻璃与金属基体之间产生拉应力，导致在烧结和使用时造成玻璃-金属封接性能降低，出现了泄漏。
[0017]基于以上构思，在不改变连接器结构的基础上，外壳材料由不锈钢改为高温合金，满足了连接的高温高压密封性。具体匹配材料如下:
[0018]上述导体插针11采用玻璃烧结技术中经常用到的玻封镍合金，如4J29 ;玻璃绝缘体12采用钥组玻璃粉，如DM-305 ;陶瓷绝缘体13采用95%氧化铝陶瓷；外壳24采用高温合金，尤以镍基高温合金为典型材料，如GH4145。由于高温合金是一种能够在600°C以上及一定应力条件下长期工作的金属材料，具有优异的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等复合性能。因此，引入高温合金材料，采用上述材料的匹配后，使封接金属所依附的基体金属氧化层变得更加致密，且膨胀系数变大，增加了与玻璃压配封接的结合力，从而提高了玻璃与外壳封接的强度，也基本杜绝了产品烧结和使用时发生漏气的可能性。
[0019]可见，玻璃烧结相匹配的材料不仅需要满足以下匹配关系，如:上述金属外壳14具有与玻璃绝缘体12的材料基本上相等或更大的热膨胀系数；上述玻璃绝缘体12的材料具有与导体插针11基本上相等或更大的热膨胀系数。还需要满足:玻璃封接金属所依附的基体金属氧化层需要更加致密，以增加玻璃与金属压配封接的结合力。
[0020]基于以上研究的思路，进一步通过匹配材料的试验证明以下材料的选用是可行的。如:上述金属外壳14可以采用镍基高温合金，可以优选为GH4145和GH4169 ;导体插针11的材料选用膨胀合金，优先地选用铁镍合金4J29、4J28和4J50 ;玻璃绝缘体12的材料选用电子封接玻璃，优先选用DM305、DM308和美国康宁公司(Corning Incorporated)的7052玻璃粉。
【权利要求】
1.一种玻璃烧结高温高压密封电连接器，包括传输电流的导体插针(11)，导体插针(11)上包围有玻璃绝缘体(12)，并在玻璃绝缘体(12)外围设置有金属外壳(14)，所述的导体插针(11 )、玻璃绝缘体(12)、金属外壳(14)通过玻璃烧结工艺结合为一体，其特征在于:所述的导体插针(11)采用膨胀合金，玻璃绝缘体(12 )采用电子封接玻璃，金属外壳(14)采用镍基高温合金。
2.根据权利要求1所述的密封电连接器，其特征在于:所述的金属外壳(14)具有与玻璃绝缘体(12)的材料基本上相等或更大的热膨胀系数；所述的玻璃绝缘体(12)的材料具有与导体插针(11)基本上相等或更大的热膨胀系数。
3.根据权利要求2所述的密封电连接器，其特征在于:所述的玻璃绝缘体(12)封接的金属外壳(14)所依附的基体金属氧化层为致密的氧化层。
4.根据权利要求1至3任一所述的密封电连接器，其特征在于:所述的金属外壳(14)为GH4145或GH4169 ;所述的导体插针(11)的材料为铁镍合金4J29、4J28或4J50 ;玻璃绝缘体(12)的材料为DM305、DM308或美国康宁公司的7052玻璃粉。
5.一种玻璃烧结高温高压密封电连接器，包括传输电流的导体插针(11)，导体插针(11)上包围有玻璃绝缘体(12)和陶瓷绝缘体(13)，并在玻璃绝缘体(12)和陶瓷绝缘体13外围设置有金属外壳(14)，所述的导体插针(11 )、玻璃绝缘体(12)、陶瓷绝缘体(13)和金属外壳(14)通过玻璃烧结工艺结合为一体，其特征在于:所述的导体插针(11)采用膨胀合金，玻璃绝缘体(12)采用电子封接玻璃，金属外壳(14)采用镍基高温合金。
6.根据权利要求5所述的密封电连接器,其特征在于:所述的金属外壳(14)具有与玻璃绝缘体(12)的材料基本上相等或更大的热膨胀系数；所述的玻璃绝缘体(12)的材料具有与导体插针(11)基本上相等或更大的热膨胀系数。
7.根据权利要求5所述的密封电连接器，其特征在于:所述的玻璃绝缘体(12)封接的金属外壳(14)所依附的基体金属氧化层为致密的氧化层。
8.根据权利要求5至7任一所述的密封电连接器，其特征在于:所述的金属外壳(14)为GH4145或GH4169 ;所述的导体插针(11)的材料为铁镍合金4J29、4J28或4J50 ;玻璃绝缘体(12)的材料为DM305、DM308或美国康宁公司的7052玻璃粉；陶瓷绝缘体(13)的材料为95%氧化招陶瓷。
9.根据权利要求8所述的密封电连接器，其特征在于:在金属外壳(14)的内腔，陶瓷绝缘体(13)的表面上设置有塑料绝缘体(15)，由高温胶灌封而成。
10.根据权利要求8所述的密封电连接器，其特征在于:所述的高温胶为环氧胶。
【文档编号】H01R13/04GK103474831SQ201310436978
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月23日 优先权日:2013年9月23日
【发明者】李东强, 杨政勇, 余贵龙, 罗宁, 文咏 申请人:苏州华旃航天电器有限公司