Processo de vedação otimizado e monitoramento em tempo real de estruturas de vedação de vidro a metal
Summary
Os procedimentos chaves para aperfeiçoar o processo da selagem e para conseguir a monitoração tempo real da estrutura do selo do metal-à-vidro (MTGS) são descritos em detalhe. O sensor grating incorporado da fibra Bragg (FBG) é projetado conseguir a monitoração em linha da temperatura e do esforço residual de alto nível no MTGS com monitoração simultânea da pressão ambiental.
Abstract
O stress residual é um factor essencial para manter a hermeticidade e robustez de uma estrutura de vedação de vidro-metal. A finalidade deste relatório é demonstrar um protocolo novo para caracterizar e medir o esforço residual em uma estrutura do selo do vidro-à-metal sem destruir a isolação e o hermeticidade de materiais de selagem. Nesta pesquisa, um FEMTO-laser inscrito fibra Bragg grating sensor é usado. A estrutura do selo do vidro-à-metal que é medida consiste em um escudo do metal, em um vidro de selagem, e em um condutor de Kovar. Para fazer as medidas que valem a pena, o tratamento térmico específico da estrutura do selo do metal-à-vidro (MTGS) é explorado para obter o modelo com a melhor hermeticidade. Então, o sensor de FBG é encaixado no trajeto do vidro de selagem e torna-se bem-fundido com o vidro enquanto a temperatura esfria ao RT. O comprimento de onda de Bragg de FBG desloca-se com o stress residual gerado em selar o vidro. Para calcular a tensão residual, a relação entre o deslocamento de comprimento de onda e a deformação de Bragg é aplicada, e o método dos elementos finitos também é usado para tornar os resultados confiáveis. As experiências de monitoramento on-line de estresse residual em vidro de vedação são realizadas em diferentes cargas, tais como alta temperatura e alta pressão, para ampliar as funções deste protocolo em ambientes agressivos.
Introduction
A vedação de metal para vidro é uma tecnologia sofisticada que combina conhecimento interdisciplinar (ou seja, mecânica, materiais e engenharia elétrica) e é amplamente aplicada no setor aeroespacial1, energia nuclear2e aplicações biomédicas 3. tem vantagens únicas, tais como maior temperatura e resistência à pressão em comparação com material orgânico de vedação de estruturas. De acordo com a diferença do coeficiente da expansão térmica (CTE), MTGS pode ser dividido em dois tipos: selo combinado e selo incompatível4. Quanto ao selo combinado, o CTE de metal (αmetal) e vidro de vedação (αGlass) são quase os mesmos para reduzir o estresse térmico em materiais de vedação. No entanto, para manter a boa hermeticidade e robustez mecânica da estrutura de vedação em ambientes agressivos (ou seja, alta temperatura e alta pressão), o selo incompatível exibe melhor desempenho do que o selo correspondente. Devido à diferença entre o αmetal e ovidroα, o estresse residual gera no vidro de vedação após o processo de recozimento da estrutura do mtgs. Se a tensão residual for muito grande (mesmo excedendo o valor limiar), o vidro de vedação exibirá pequenos defeitos, como rachaduras. Se o stress residual for demasiado pequeno, o vidro de vedação perde a sua hermeticidade. Como resultado, o valor do estresse residual é uma medida importante.
A análise do stress residual em estruturas de MTGS despertou interesses da pesquisa de muitos grupos em torno do mundo. O modelo numérico de estresse axial e radial foi construído com base na teoria da casca fina5. O método dos elementos finitos foi aplicado para obter a distribuição global de tensões de uma estrutura de mtgs após o processo de recozimento, o que foi consistente com os resultados experimentais6,7. Entretanto, por causa das limitações que envolvem o tamanho pequeno e a interferência eletromagnética, muitos sensores avançados não são apropriados para estas circunstâncias. O método de comprimento de fenda de recuo foi relatado para medir o estresse residual no material de vedação do MTG; Entretanto, este método era destrutivo e não poderia conseguir a monitoração em linha tempo real de mudanças do esforço no vidro.
Os sensores do grating da fibra Bragg (FBG) são pequenos no tamanho (~ 100 μm) e resistentes à interferência eletromagnética e aos ambientes ásperos8. Além, os componentes da fibra são similares àqueles do vidro da selagem (SiO2), assim que os sensores de FBG não têm nenhum efeito na hermeticidade e na isolação do material da selagem. Os sensores de FBG foram aplicados à medida residual do esforço em estruturas compostas9,10,11, e os resultados mostraram que indicou a boa precisão de medição e a resposta de sinal. As medidas simultâneas da temperatura e do esforço podem ser conseguidas pela fibra Bragg que ralam matrizes em uma fibra óptica12,13.
Um protocolo novo baseado em um sensor de FBG é demonstrado neste estudo. A preparação apropriada para a estrutura especial de MTGS foi explorada ajustando a temperatura de calor máxima para assegurar o bom hermeticidade da estrutura de MTGS. O sensor de FBG é encaixado no trajeto preparado do vidro de selagem para fundir o FBG e o vidro junto após o tratamento térmico. Então, a tensão residual pode ser obtida pelo deslocamento do comprimento de onda de Bragg do FBG. A estrutura de MTGS com o sensor de FBG é coloc ambientes de alta temperatura e de alta pressão para conseguir a monitoração em linha do esforço residual cargas em mudança. Neste estudo, as etapas detalhadas para produzir uma estrutura MTS com um sensor FBG são delineadas. Os resultados mostram a viabilidade deste novo protocolo e estabelecem a base para o diagnóstico de falha de uma estrutura de MTGS.
Protocol
Representative Results
Discussion
As etapas críticas para a medição de tensão do material de vedação da estrutura MTGS em alta temperatura e alta pressão incluem 1) fabricação dos modelos MTGS com o sensor FBG, do qual a região da grelha está localizada no meio do vidro de vedação; 2) o aquecimento do modelo inteiro usando um processo padrão do tratamento térmico, e depois que o modelo esfria a RT, o sensor de FBG tornar-se-á bem-fundido com modelo de MTGS, e o esforço residual pode ser medido pelo deslocamento do comprimento de onda de …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pelo projeto nacional S & T Major da China (ZX069).
Materials
| ABAQUS | Dassault SIMULA | ABAQUS6.14-5 | The software to carry out numerical simulation. |
| Fiber Bragg grating sensors | Femto Fiber Tec | FFT.FBG.S.00.02 Single | apodized FBG |
| Fusion splicer | Furukawa Information Technologies and Telecommunications | S123M12 | FITEL's line of fusion splicers provides an excellent solution for both field and factory splicing applications。 |
| Glass powder | Shenzhen Sialom Advanced Materials Co.,Ltd | LC-1 | A kind of low melting-point glass powder (380℃). |
| Graphite mold | Machining workshop of Tsinghua University | Graphite | The mold to locate each part of the metal-to-glass structure. |
| Heating furnace | Tianjin Zhonghuan Electric Furnace Technology Co., Ltd | SK-G08123-L | vertical tubular furnace |
| Kovar conductor | Shenzhen Thaistone Technology Co., Ltd | 4J29 | A common material used for the electrical penetration in the metal-to-glass seal structure |
| Optical interrogator | Wuhan Gaussian Optics CO.,LTD | OPM-T400 | FBG spectrum analysis modules |
| Pro/Engineer | Parametric Technology Corporation | PROE5.0 | The software to establish the 3D geometry. |
| Steel shell | Beijing Xiongchuan Technology Co., Ltd | 316 stainless steel | A kind of austenitic stainless steel |
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