Optimeret tætnings proces og realtidsovervågning af glas-til-metal-tætnings strukturer
Summary
De vigtigste procedurer for optimering af tætnings processen og opnåelse af realtidsovervågning af metal-til-glas forseglingen (MTGS) er beskrevet i detaljer. Den indlejrede fiber Bragg rist (FBG) sensor er designet til at opnå online overvågning af temperatur og høj-niveau resterende stress i mtgs med samtidig miljø tryk overvågning.
Abstract
Rest stress er en væsentlig faktor til at holde hermeticitet og robusthed af en glas-til-metal tætnings struktur. Formålet med denne rapport er at demonstrere en ny protokol til at karakterisere og måle resterende stress i en glas-til-metal tætnings struktur uden at ødelægge isolering og hermeticitet af Tætningsmaterialer. I denne forskning anvendes en femto-laser indskrevet fiber Bragg rist sensor. Glas-til-metal-tætnings strukturen, der måles, består af en metal skal, tætnings glas og Kovar-dirigent. For at gøre målingerne umagen værd, undersøges den specifikke varmebehandling af metal-til-glas tætning (MTGS) struktur for at opnå modellen med bedste hermeticitet. Derefter, FBG sensor er indlejret i stien til forsegling glas og bliver godt smeltet med glasset som temperaturen køler til RT. Bragg bølgelængden af FBG skifter med den resterende stress genereret i forsegling glasset. For at beregne den resterende stress, forholdet mellem Bragg bølgelængde Skift og stamme påføres, og finite element metode bruges også til at gøre resultaterne pålidelige. Online overvågning eksperimenter af resterende stress i tætnings glas udføres på forskellige belastninger, såsom høj temperatur og højt tryk, at udvide funktioner i denne protokol i barske miljøer.
Introduction
Metal-til-glas forsegling er en sofistikeret teknologi, der kombinerer tværfaglig viden (dvs. mekanik, materialer og elektroteknik) og er almindeligt anvendt i Aerospace1, nuklear energi2, og biomedicinske applikationer 3. det har unikke fordele såsom højere temperatur og tryk udholdenhed sammenlignet med organisk materiale forsegling strukturer. Ifølge forskellen i koefficient for termisk ekspansion (CTE), kan MTGS opdeles i to typer: matchede segl og uoverensstemmende segl4. Med hensyn til den matchede forsegling er CTE af metal (αmetal) og tætnings glas (αglas) næsten det samme for at reducere den termiske belastning i Tætningsmaterialer. Men for at holde god hermeticitet og mekanisk robusthed af forseglings strukturen i barske miljøer (dvs. høj temperatur og højt tryk), viser den uoverensstemmende forsegling bedre ydeevne end den matchede forsegling. På grund af forskellen mellem αmetal og αglas, den resterende stress genererer i forsegling glas efter udglødning processen med mtgs struktur. Hvis den resterende belastning er for stor (endda overskridelse af tærskelværdien), viser tætnings glasset små defekter, såsom revner. Hvis rest belastningen er for lille, mister tætnings glasset sin hermeticitet. Som et resultat, værdien af resterende stress er en vigtig måling.
Analyse af resterende stress i MTGS-strukturer har vakt forskningsinteresser i mange grupper rundt om i verden. Den numeriske model af aksial og radial stress blev bygget baseret på den tynde shell teori5. Metoden finite element blev anvendt for at opnå den globale stress fordeling af en mtgs struktur efter udglødning processen, som var i overensstemmelse med eksperimentelle resultater6,7. Men på grund af begrænsninger, der involverer lille størrelse og elektromagnetisk interferens, er mange avancerede sensorer ikke egnede til disse omstændigheder. Den indrykkede revne længde metode blev rapporteret til at måle den resterende stress i forseglings materialet af MTG; men denne metode var destruktiv og kunne ikke opnå real-time online overvågning af stress ændringer i glas.
Fiber Bragg rist (FBG) sensorer er små i størrelse (~ 100 μm) og modstandsdygtig over for elektromagnetisk interferens og barske miljøer8. Desuden er komponenterne i fibrene magen til dem af tætnings glas (SiO2), så FBG sensorer har ingen effekt på hermeticitet og isolering af tætnings materialet. FBG sensorer er blevet anvendt til den resterende stress måling i komposit strukturer9,10,11, og resultaterne viste, at det viste god måle præcision og signal respons. Samtidig temperatur og stress målinger kan opnås ved fiber Bragg rist arrays på en optisk fiber12,13.
Der er påvist en ny protokol baseret på en FBG-sensor i dette studie. Den passende forberedelse til den særlige MTGS struktur er blevet udforsket ved at justere den maksimale varme temperatur for at sikre den gode hermeticitet af MTGS struktur. FBG-sensoren er indlejret i den forberedte sti til tætnings glas for at smelte FBG og glas sammen efter varmebehandlingen. Derefter kan den resterende stress opnås ved Bragg bølgelængde skift af FBG. MTGS-strukturen med FBG-sensoren er placeret under højtemperatur-og højtryks miljøer for at opnå online overvågning af rest belastningen under skiftende belastninger. I dette studie skitseres de detaljerede trin til fremstilling af en MTS-struktur med en FBG-sensor. Resultaterne viser gennemførligheden af denne nye protokol og etablerer grundlaget for den manglende diagnose af en MTGS-struktur.
Protocol
Representative Results
Discussion
De kritiske trin for stress måling af tætningsmateriale af mtgs-struktur ved høj temperatur og højt tryk omfatter 1) fremstilling af mtgs-modellerne med FBG-sensoren, hvoraf rist-regionen er placeret midt i tætnings glas; 2) opvarmning af hele modellen ved hjælp af en standard varmebehandling proces, og efter modellen køler til RT, vil FBG sensor bliver godt smeltet med MTGS model, og den resterende stress kan måles ved Bragg bølgelængde Skift; 3) placering af den komplette model i ovnen for at opleve de skifte…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde er blevet støttet af det nationale S & T store projekt i Kina (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 |
Riferimenti
- Alves, F. J., Baptista, A. M., Marques, A. T. Metal and ceramic matrix composites in aerospace engineering. Advanced Composite Materials for Aerospace Engineering. , 59-99 (2016).
- Dai, S., et al. Sealing Glass-Ceramics with Near Linear Thermal Strain, Part I: Process Development and Phase Identification. Journal of the American Ceramic Society. 99 (11), 3719-3725 (2016).
- Karmakar, B. Glasses and glass-ceramics for biomedical applications. Functional Glasses and Glass-Ceramics. , 253-280 (2017).
- Shekoofa, O., et al. Analysis of residual stress for mismatch metal–glass seals in solar evacuated tubes. Solar Energy Materials and Solar Cells. 128, 421-426 (2014).
- Lei, D., Wang, Z., Li, J. The calculation and analysis of glass-to-metal sealing stress in solar absorber tube. Renewable Energy. 35 (2), 405-411 (2010).
- Lei, D., Wang, Z., Li, J. The analysis of residual stress in glass-to-metal seals for solar receiver tube. Materials & Design. 31, 1813-1820 (2010).
- Dai, S., et al. Sealing glass-ceramics with near-linear thermal strain, part III: Stress modeling of strain and strain rate matched glass-ceramic to metal seals. Journal of the American Ceramic Society. 100 (8), 3652-3661 (2017).
- Hill, K. O., Meltz, G. Fiber Bragg grating technology fundamentals and overview. Journal of Lightwave Technology. 15 (8), 1263-1276 (1997).
- Prussak, P., et al. Evaluation of residual stress development in FRP-metal hybrids using fiber Bragg grating sensors. Production Engineering – Research and Development. 12, 259-267 (2018).
- Hu, H., et al. Investigation of non-uniform gelation effects on residual stresses of thick laminates based on tailed FBG sensor. Composite Structures. 202, 1361-1372 (2018).
- Colpo, F., Humbert, L., Botsis, J. Characterisation of residual stresses in a single fibre composite with FBG sensor. Composites Science & Technology. 67 (9), 1830-1841 (2007).
- Jin, L., et al. An embedded FBG sensor for simultaneous measurement of stress and temperature. IEEE Photonics Technology Letters. 18 (1), 154-156 (2005).
- Sampath, U., et al. Polymer-coated FBG sensor for simultaneous temperature and strain monitoring in composite materials under cryogenic conditions. Applied Optics. 57 (3), 492-497 (2018).
- Kersey, A., et al. Fiber grating sensors. Journal of Lightwave Technology. 15 (8), 1442-1463 (1997).
- Mihailov, S. J. Fiber Bragg Grating Sensors for Harsh Environments. Sensors. 12 (12), 1898-1918 (2012).
- Morey, W. W., Meltz, G., Weiss, J. M. Recent advances in fiber-grating sensors for utility industry applications. Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering. , 90-98 (1996).
- Jin, X., Yuan, S., Chen, J. On crack propagation monitoring by using reflection spectra of AFBG and UFBG sensors. Sensors and Actuators A: Physical. 285, 491-500 (2019).
- Kakei, A., et al. Evaluation of delamination crack tip in woven fibre glass reinforced polymer composite using FBG sensor spectra and thermo-elastic response. Measurement. 122, 178-185 (2018).
- Zhang, W., et al. The Analysis of FBG Central Wavelength Variation with Crack Propagation Based on a Self-Adaptive Multi-Peak Detection Algorithm. Sensors. 19 (5), 1056 (2019).
