为自制真空管制作玻璃-金属密封

# 自制真空管的玻璃-金属密封工艺 (Maurycy 的博客) 来源：https://maurycyz.com/projects/glass/1/ **2026\-06\-13** (电子 (https://maurycyz.com/tags/electronics/)) 本文讨论的是通过硼硅酸盐/实验室玻璃密封金属的方法：其他化学性质的材料表现差异很大。 制作真空管时，玻璃实际上是最简单的部分：几乎任何尺寸的预制管材都很容易获得。 加热管子的末端会使玻璃软化，表面张力会将其封闭。 我用旋片泵抽走管内的所有空气，然后加热中间部分，大气压将其压扁，形成密封的安瓿。 由于玻璃几乎是不可渗透的，这种真空可以保持很长时间，通过将它靠近高压交流电（比如特斯拉线圈）就能证明： 这种辉光是残余空气被电离造成的，但模糊的外观表明真空度足够好，可以在三极管或类似器件中工作。 对于这些器件，电容耦合方法不起作用：我需要制作能穿过玻璃且不漏气的电极。 这比看起来要难得多。 *铜的红色氧化物与玻璃结合得很好*。实际上，这种结合比玻璃本身还要牢固：当它断裂时，总会有一层薄薄的玻璃粘在金属上。再加上其优良的电学性能，它似乎是理想的电极材料。 我尝试了像之前一样封住管子末端，但这次内部有一根0.75毫米的导线： 红色表示接触良好……但它漏气了。 在显微镜下看，接头周围的玻璃在冷却时开裂了。 *罪魁祸首是热膨胀*：当玻璃在约800°C以下凝固后，每降温1°C，它收缩约3 μm/m。而在相同的降温过程中，铜收缩17 μm/m。 一旦降到室温，金属比周围的玻璃小约1%。由于金属和玻璃都是不可压缩的，产生的应力会不断累积，直到某个东西破裂。 *有些金属与硼硅酸盐玻璃匹配良好*，比如钨(4.5)或钼(5)，但它们都比较稀有。 钢丝很常见，虽然它并不真正匹配（CTE约为11 μm/[m·K]），但比铜好。然而，金属中的碳含量在接触热玻璃时会产生一氧化碳： *……但主体金属没必要与玻璃接触。* 我尝试从硫酸铜溶液中电镀到钢上，但没有成功：因为反应是自发的，总是发生得非常快，产生细小的金属粉末： **Fe(s) + CuSO4(Aq) → Cu(s) + FeSO4(Aq)** 然而，在有氨存在的情况下，电解镀铜效果很好。铜可以溶解为四氨配合物，但铁在这种条件下完全不溶。 要形成镀层，必须用电迫使铜沉积：我将电源的负极连接到铁上，正极连接到一块牺牲铜上。 在20 mA下，几秒钟就产生了一层漂亮的镀层： 电镀前应将导线打磨干净 将其密封在玻璃中产生了无气泡的密封（如果操作得快的话），但在冷却过程中仍然失效了： 这张照片是通过两层玻璃拍摄的 钢与玻璃的差异约7 μm/[m·K]，这足以使玻璃破裂。 *然而，这种镀锡线可以在钠钙玻璃中工作，其CTE约为10*。这是最常见（最便宜）的玻璃类型，但我之前没有使用它，因为它在冷却时容易开裂： 大型部件需要在炉中退火数小时。 ……但我确实在导线周围加了一个玻璃珠： 结果不是导线与玻璃分离，而是两种玻璃互相分离。这实际上使问题更糟，因为玻璃珠比导线大得多，所以膨胀和收缩更厉害。 *好吧，我撒谎说钨丝很稀有*。灯丝线其实很常见，我正好有一些。 问题在于它只有10 μm粗。 我如果说它细如发丝，那都算低估了一个数量级（我的大多数头发约70 μm）。 这是一个标准的2.45毫米排针。 对于密封而言，这反而是好事：金属越少，膨胀越小……但这个尺寸几乎无法操作。我不断丢失小段，直到我开始在两端贴上亮橙色胶带。 像许多金属一样，钨是可燃的。这么细的尺寸，我的氧丙烷炬不到一秒钟就能烧穿它。这使得玻璃加工变得非常令人沮丧。 我最初尝试制作类似霓虹指示灯的东西，将两根导线穿过一个压封……但看不见的导线导致看不见的短路。 在每端密封一根导线效果很好： ……但我必须加上玻璃三通来连接真空系统。 虽然这种尺寸的管子（充满空气）的**工作**电压远高于一千伏，但它确实发出了漂亮的辉光： 无霓虹的霓虹灯。除了等离子体，引线也发出了白热光。它们没有空气冷却，非常细，导热性差。钨是少数能承受这种条件的金属之一，所以我意外得到了一个二合一灯。 虽然这是一种选择，但我真的很想避免使用它。 *热膨胀是尺寸因素，所以导体越小，问题就越小*。10 μm的导线很少见，但10 μm的箔片很常见：你家厨房里可能就有。 我将一些导线滚成薄片（约30 μm）并尝试密封在玻璃中： 密封看起来很好，但漏气严重。 据说这种方法在钠钙玻璃中有效，那里的CTE差异更小，软化温度也更低，但对硼硅酸盐无效。 （有意思的是，裂纹沿着带的边缘形成，而不是沿着表面。我稍后会再讨论这一点。） *一种比较奇特的玻璃-金属密封是Houskeeper密封*：在玻璃管内部连接一个薄壁铜管： 用于高压电容器的管状密封空心金属可以很容易地拉伸以释放热膨胀产生的应力。然而，在没有精密车床的情况下制造这样的管子很困难。 一个薄铜盘密封在管端也应该有效，因为它的厚度不受约束：圆盘可以通过变薄来增加半径。 两者都是旋转对称的对于一根长导线密封在压封中，金属唯一的选择是降低密度（非常困难）或者从玻璃外部拉入更多金属（也非常困难）……所以应力不断积累，直到密封破裂。 *用小型轧机生产这种箔片很容易*，尽管用锤子也行。重要的是定期将铜加热到红热几秒钟。这能重结晶金属晶粒，使其可以被加工而不开裂。 看起来丑，但真空密封！ 铜应在与玻璃粘合后切割到合适尺寸。如果玻璃到达箔片边缘，它会在那一点周围开裂。一旦密封，可以在箔片上打孔，并将导线焊穿过去。由于导线尺寸没有限制，这样的馈通可以处理数千安培。 值得注意的是，它不需要任何特殊的材料：只是普通铜和喷灯。它也适用于任何类型的玻璃，因为热膨胀系数无关紧要。 ……然而，制作起来非常令人沮丧。玻璃润湿铜的温度和铜熔化的温度之间余量很小。由于玻璃不会自动吸附到金属上，必须一边提供均匀热量一边按压。 而且无法将多根导线穿入同一根管子，这使玻璃吹制变得复杂。 *刃口密封*：借用Houskeeper的另一个想法，铜带总是在边缘处断裂……那么如果把边缘磨尖会怎样？ 理论上，这使玻璃更容易围绕带子收缩： 未显示：玻璃的纵向压缩 方形拐角处的玻璃必须沿密封长度纵向收缩，同时沿带子的宽度和厚度方向收缩。由于玻璃不可压缩，这无法实现，就会破裂。 有了锥形边缘，宽度方向上的应力就小得多，玻璃可以轻微挤压以适应金属。 ……但这还不够，密封仍然在边缘处断裂： 咕哝咕哝咕哝*回到钨*：大直径导线相当稀有，但并非不可获得。我找到了一些，价格只是略微不合理。 即使是0.65毫米直径的钨，也可以轻松通过玻璃密封（用600目砂纸快速打磨后）： 仅8美元/米！在显微镜下，密封显示一些小气泡，但没有分离或开裂。 ……尽管这接近上限：1毫米的钨在我的测试中没有成功。这意味着大多数焊条无法密封，至少需要打磨。与灯丝线不同，这种材料容易处理、弯曲和焊接（即使是钨，也挡不住电弧）。 *总结；* 钨丝（最大0.7毫米）或铜盘密封可用于硼硅酸盐玻璃。钨丝昂贵且难找，但易于密封。铜密封使用常见材料，但要难得多。 ## 关于*作弊*： *将汞或镓注入已冷却的玻璃中。* 镓在凝固时膨胀，这足以使玻璃破裂。某些合金（镓-铟-锡）在接近-20°C时仍保持液态，会是更好的选择。 汞在-40°C之前保持液态，因此这种情况不太可能发生。 这两种金属都能与玻璃形成真空密封，但必须防止它们流入管子或蒸发。我想不出好的方法，但我相信是可能的。 *直接用胶水粘*：无热，无问题。 ……但塑料不是真空密封的。气体分子可以挤入聚合物链之间，慢慢渗入。 这就是为什么氦气球会慢慢漏气，以及气味强烈的化学品（如氨）会从瓶子中逸出。 用胶水密封的管子如果持续连接泵也能工作，但不实用。 ## *硼化处理*： 许多资料建议在粘合前用四硼酸钠（硼砂）或硼酸处理铜。 作为测试，我使用了250 μm的铜箔。我将金属加热预氧化： 冷却后涂上饱和的硼砂水溶液：再次加热蒸发溶液后，我将一面打磨至露出裸金属。 ……然后熔化两块大小相似的废玻璃，确保将玻璃压到铜上。 让箔片在氧化铝托盘里冷却，等降到室温后，我撬开两个玻璃块： 两者都在金属上留下了一层玻璃，这表明结合强度高于周围玻璃。硼砂处理的一面更难撬下来，这可能表明内部应力更小？ ……但这可能只是因为用喷灯和随机形状的玻璃块很难完美重复粘结。 *然而，低粘度的液态硼砂应该有助于启动粘结*，使圆盘密封更容易。 通过在碎玻璃中额外添加硼砂制成的低熔点硼硅酸盐玻璃膏也应该有效。这种“焊料玻璃”可以避免在密封内部留下水溶性层。 *另外*，硼砂一边似乎气泡更多。这可能是因为在添加玻璃之前，我没有加热到足够温度使其完全脱水。 ## 漏气*测试*： 电容辉光放电技巧对于测试密封很方便。 将未完成的管子连接到真空泵，并在可疑区域喷上气体：如果漏气，少量气体将被吸入管子并改变颜色。 至于气体，我发现喷雾除尘器中的氟化制冷剂效果很好。即使微量也会改变辉光的颜色和强度。 ……但要小心：它是易燃的，烟雾**很难闻**。只能在通风良好且远离易燃材料的地方尝试。（并注意高压源附近的电弧） ## 相关链接： - DOI 10.1109/JoAIEE.1923.6593372 (https://doi.org/10.1109/JoAIEE.1923.6593372): Houskeeper关于CTE不匹配密封的论文。 - DOI 10.1088/0950-7671/7/9/304 (https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0950-7671/7/9/304): 关于管式硼硅酸盐-铜密封的论文。 - http://www.rhunt.f9.co.uk/Glass_Blowing/Glass_Blowing_Menu.htm: 更多钠钙玻璃的管子制作。 另外，感谢hugo.coredump.cx (https://hugo.coredump.cx/)借给我他们漂亮的微距镜头。