ガラスから金属へのシール構造の最適化されたシールプロセスとリアルタイムモニタリング
Summary
シールプロセスを最適化し、金属対ガラスシール(MTGS)構造のリアルタイムモニタリングを実現するための主要な手順について詳しく説明しています。埋め込み繊維ブラッググレーティング(FBG)センサーは、同時に環境圧力監視を行うMTGSの温度と高レベルの残留応力のオンライン監視を実現するように設計されています。
Abstract
残留応力は、ガラスから金属へのシール構造の密閉性と堅牢性を維持するために不可欠な要素です。このレポートの目的は、シール材料の絶縁性と密閉性を破壊することなく、ガラスから金属へのシール構造の残留応力を特徴付け、測定するための新しいプロトコルを実証することです。本研究では、フェムトレーザーが刻まれた繊維ブラッググレーティングセンサを用いた。測定されるガラスから金属へのシール構造は、金属シェル、シールガラス、およびコバル導体で構成されています。測定を価値あるものにするために、金属対ガラスシール(MTGS)構造の特定の熱処理を探索し、最適な気密性を持つモデルを得る。その後、FBGセンサはシールガラスの経路に埋め込まれ、温度がRTに冷却されるにつれてガラスとよく融合します。FBGのブラッグ波長は、ガラスの密閉時に発生する残留応力と共にシフトします。残留応力を計算するために、ブラッグ波長シフトとひずみの関係が適用され、有限要素法も結果を信頼できるものにするために使用されます。シールガラスの残留応力のオンラインモニタリング実験は、高温高圧などの異なる負荷で行われ、過酷な環境下でこのプロトコルの機能を広げます。
Introduction
金属対ガラスシールは、学際的な知識(力学、材料、電気工学など)を組み合わせた高度な技術であり、航空宇宙1、原子力エネルギー2、および生物医学アプリケーションに広く適用されています。3.有機材料シール構造に比べて高い温度と圧力耐久性などのユニークな利点があります。熱膨張係数(CTE)の違いにより、MTGSは一致シールと不一致シール4の2種類に分けられます。一致したシールに関しては、金属のCTE(α金属)とシールガラス(αガラス)は、シール材料の熱応力を低減するためにほぼ同じです。しかし、過酷な環境(高温および高圧)でシール構造の良好な気密性と機械的堅牢性を保つために、不一致のシールは、一致したシールよりも優れた性能を表示します。α金属とαガラスの違いにより、MTGS構造のアニーリング工程後のシールガラスに残留応力が発生します。残留応力が大きすぎる場合(閾値を超えても)、シールガラスには亀裂などの小さな欠陥が表示されます。残留応力が小さすぎると、シールガラスは気密性を失います。その結果、残留応力の値は重要な測定である。
MTGS構造における残留応力の分析は、世界中の多くのグループの研究の関心を喚起しています。軸および放射状応力の数値モデルは、薄いシェル理論5に基づいて構築された。有限要素法は、アニーリングプロセス後のMTGS構造のグローバルストレス分布を得るために適用され、これは実験結果6,7と一致した。しかし、小型化や電磁干渉の制限により、多くの高度なセンサはこのような状況には適していません。MTGのシール材中の残留応力を測定するインデントクラック長さ法が報告された。しかし、この方法は破壊的であり、ガラスの応力変化のリアルタイムオンラインモニタリングを達成することができませんでした。
ファイバーブラッググレーティング(FBG)センサーは小型(約100μm)で、電磁干渉や過酷な環境に対して耐性があります8。また、繊維の成分はシールガラス(SiO2)と類似しているので、FBGセンサはシール材の密閉性や絶縁性に影響を与えありません。FBGセンサは複合構造物9、10、11における残留応力測定に適用されており、その結果、良好な測定精度と信号応答を示した。同時温度および応力測定は1つの光ファイバ12、13上の繊維ブラッグ格子配列によって達成され得る。
本研究では、FBGセンサに基づく新しいプロトコルを実証する。特別なMTGS構造のための適切な準備はMTGS構造のよい気体を保障するために最高熱温度を調節することによって調査された。FBGセンサーは熱処理の後にFBGおよびガラスを一緒に融合する密封ガラスの準備された道に埋め込まれる。そして、FBGのブラッグ波長シフトにより残留応力を得ることができる。FBGセンサーが付いているMTGS構造は高温および高圧環境の下で置かれ、負荷の変化の下で残りの応力のオンライン監視を達成する。本研究では、FBGセンサを用いてMTS構造を作り出す詳細な手順を概説する。結果は、この新しいプロトコルの実現可能性を示し、MTGS構造の故障診断の基礎を確立する。
Protocol
Representative Results
Discussion
高温高圧でのMTGS構造のシール材料の応力測定のための重要なステップは、1)格子領域がシールガラスの中央に位置するFBGセンサーを備えたMTGSモデルの製造を含みます。2)標準的な熱処理プロセスを使用してモデル全体の加熱、およびモデルがRTに冷却した後、FBGセンサーはMTGSモデルとよく融合し、残留応力はブラッグ波長シフトによって測定することができる。3)熱負荷の変化を体験するた?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、中国国家S&T主要プロジェクト(ZX069)によって支援されています。
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).
