Optimerad tätnings process och Real tidsövervakning av tätnings strukturer av glas till metall
Summary
Viktiga procedurer för att optimera tätnings processen och uppnå realtidsövervakning av metall-till-glas tätning (MTGS) struktur beskrivs i detalj. Den inbäddade fiber Bragg gallerdurken (FBG) sensorn är utformad för att uppnå online-övervakning av temperatur och hög nivå restspänning i MTGS med samtidig miljö tryckövervakning.
Abstract
Kvarstående stress är en viktig faktor för att hålla hermetism och robusthet i en glas-till-metall tätning struktur. Syftet med detta betänkande är att demonstrera ett nytt protokoll för att karakterisera och mäta kvarvarande stress i en tätnings struktur av glas till metall utan att förstöra isoleringen och hermetism av tätningsmaterial. I denna forskning, en Femto-laser inskrivet fiber Bragg galler sensor används. Den glas-till-metall tätning struktur som mäts består av ett metallhölje, tätnings glas, och KOVAR dirigent. För att göra mätningarna värdefulla, är den specifika värmebehandlingen av metall-till-glas tätning (MTGS) struktur utforskas för att få modellen med bästa hermetism. Sedan är FBG sensorn inbäddad i vägen för tätnings glas och blir väl smält med glaset som temperaturen kyls till RT. Den Bragg våglängd FBG skiftar med kvarvarande stress som genereras i tätning glaset. För att beräkna reststressen, förhållandet mellan Bragg våglängd Skift och stam tillämpas, och finita element metoden används också för att göra resultaten tillförlitliga. Online-övervakning experiment av kvarvarande stress i tätnings glas utförs vid olika belastningar, såsom hög temperatur och högt tryck, att bredda funktioner i detta protokoll i tuffa miljöer.
Introduction
Metall-till-glas tätning är en sofistikerad teknik som kombinerar tvärvetenskaplig kunskap (dvs. mekanik, material och elektroteknik) och används i stor utsträckning inom flygindustrin1, kärnenergi2, och biomedicinska tillämpningar 3. den har unika fördelar såsom högre temperatur och tryck uthållighet jämfört med organiska material tätnings konstruktioner. Enligt skillnaden i koefficienten för termisk expansion (CTE), MTGS kan delas in i två typer: matchade tätning och inkompatibla tätning4. När det gäller den matchade tätningen, är CTE av metall (α-metall) och tätnings glas (α-glas) nästan desamma för att minska termisk stress i tätningsmaterial. Men för att hålla bra hermetism och mekanisk robusthet av tätnings strukturen i tuffa miljöer (dvs hög temperatur och högt tryck), visar den inkompatibla tätningen bättre prestanda än den matchade tätningen. På grund av skillnaden mellan αmetall och α-glas, genererar restspänningen i tätnings glas efter glödgning processen av MTGs struktur. Om restspänningen är för stor (till och med överskrider tröskelvärdet), visar tätnings glaset små defekter, såsom sprickor. Om restspänningen är för liten, förlorar tätnings glaset sin hermetism. Som ett resultat är värdet av restspänningen en viktig mätning.
Analys av kvarvarande stress i MTGS strukturer har väckt forskningsintressen i många grupper runt om i världen. Den numeriska modellen av axiell och radiell stress byggdes baserat på tunn skal teori5. Finita element metoden tillämpades för att erhålla den globala stress fördelningen av en MTGs struktur efter glödgningsprocessen, som överensstämde med experimentella resultat6,7. Men på grund av begränsningar med liten storlek och elektromagnetiska störningar, är många avancerade sensorer inte lämpliga för dessa omständigheter. Metoden med spricklängd i indenteringen rapporterades för att mäta den kvarstående stressen i MTG: s tätningsmaterial. emellertid, denna metod var destruktiv och kunde inte uppnå realtid online-övervakning av stress förändringar i glas.
Fiber Bragg galler (FBG) sensorer är små i storlek (~ 100 μm) och resistenta mot elektromagnetiska störningar och tuffa miljöer8. Dessutom är komponenterna i fibern liknar de av tätnings glas (SiO2), så FBG sensorer har inga effekter på hermetism och isolering av tätningsmaterial. FBG-sensorer har tillämpats på restspännings mätningen i kompositstrukturer9,10,11, och resultaten visade att den uppvisade bra mätprecision och signal svar. Samtidig temperatur och stress mätningar kan uppnås genom fiber Bragg gallerdurken matriser på en optisk fiber12,13.
I denna studie demonstreras ett nytt protokoll baserat på en FBG-sensor. Lämplig förberedelse för den särskilda MTGS struktur har utforskats genom att justera den maximala värme temperaturen för att säkerställa den goda hermetism av MTGS struktur. FBG sensorn är inbäddad i den förberedda vägen av tätnings glas för att smälta FBG och glas tillsammans efter värmebehandlingen. Sedan, restspänningen kan erhållas genom Bragg våglängd förskjutning av FBG. MTGS struktur med FBG sensorn är placerad under hög temperatur och högtrycks miljöer för att uppnå online övervakning av kvarvarande stress under föränderliga laster. I denna studie beskrivs de detaljerade stegen för att producera en MTS-struktur med en FBG-sensor. Resultaten visar genomförbarheten av detta nya protokoll och fastställa grunden för misslyckandet diagnos av en MTGS struktur.
Protocol
Representative Results
Discussion
De kritiska stegen för stressmätning av tätningsmaterial av MTGS struktur vid hög temperatur och högt tryck inkluderar 1) tillverkning av MTGS-modellerna med FBG-sensorn, varav gallerregionen ligger mitt i tätnings glaset; 2) uppvärmning av hela modellen med hjälp av en standard värmebehandlingsprocessen, och efter modellen kyls till RT, FBG sensorn blir väl smält med MTGS modell, och restspänningen kan mätas genom Bragg våglängd Skift; 3) placering av den kompletta modellen i ugnen för att uppleva den f?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete har fått stöd av National S & T större 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).
