Camdan Metale Sızdırmazlık Yapılarının Optimize Edilmiş Sızdırmazlık Süreci ve Gerçek Zamanlı İzlemesi
Summary
Sızdırmazlık işlemini optimize etmek ve metalden cama (MTGS) yapısının gerçek zamanlı olarak izlenmesini sağlamak için gerekli prosedürler ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Gömülü fiber Bragg ızgara (FBG) sensörü, mtgs’de aynı anda çevresel basınç izleme ile sıcaklık ve üst düzey artık gerilimin çevrimiçi izlenmesini sağlamak üzere tasarlanmıştır.
Abstract
Artık gerilim, camdan metale bir sızdırmazlık yapısının hermetiliğini ve sağlamlığını korumak için önemli bir faktördür. Bu raporun amacı, sızdırmazlık malzemelerinin yalıtımı ve hermetiliğini yok etmeden camdan metale bir sızdırmazlık yapısındaki artık gerilimi karakterize etmek ve ölçmek için yeni bir protokol göstermektir. Bu araştırmada femto-lazer yazılı fiber Bragg ızgara sensörü kullanılmıştır. Ölçülen camdan metale conta yapısı metal bir kabuk, sızdırmazlık camı ve Kovar iletkeninden oluşur. Ölçümleri değerli kılmak için, metalden cama mühür (MTGS) yapısının özel ısıl işlem yöntemi incelenir ve en iyi hermetisite ile model elde edilir. Daha sonra, FBG sensörü sızdırmazlık cam yoluna gömülü ve sıcaklık RT soğur gibi cam ile iyi erimiş olur. FBG Bragg dalga boyu cam sızdırmazlık üretilen artık gerilim ile kaydırın. Artık gerilimi hesaplamak için Bragg dalga boyu kayması ve gerinim arasındaki ilişki uygulanır ve sonlu elemanlar yöntemi de sonuçları güvenilir hale getirmek için kullanılır. Sızdırmazlık camında artık gerilimin çevrimiçi izleme deneyleri, bu protokolün işlevlerini zorlu ortamlarda genişletmek için yüksek sıcaklık ve yüksek basınç gibi farklı yüklerde gerçekleştirilir.
Introduction
Metal-to-cam sızdırmazlık disiplinlerarası bilgi (yani, mekanik, malzeme ve elektrik mühendisliği) birleştiren sofistike bir teknolojidir ve yaygın havacılık1, nükleer enerji2, ve biyomedikal uygulamalar da uygulanır 3. Organik malzeme sızdırmazlık yapılarına göre daha yüksek sıcaklık ve basınç dayanıklılığı gibi benzersiz avantajları vardır. Termal genleşme katsayısı (CTE) farkı göre, MTGS iki tipe ayrılabilir: eşleşen mühür ve uyumsuz mühür4. Eşleşen sızdırmazlık gelince, cte metal(α metal) ve sızdırmazlık cam (αcam)sızdırmazlık malzemeleri termal stresi azaltmak için hemen hemen aynıdır. Ancak, sert ortamlarda (yani, yüksek sıcaklık ve yüksek basınç) sızdırmazlık yapısının iyi hermeticity ve mekanik sağlamlığını korumak için, uyumsuz mühür eşleşen mühür daha iyi performans görüntüler. αmetal ve αcamarasındaki fark nedeniyle, MTGS yapısının yapıştırma işleminden sonra sızdırmazlık camında artık gerilim oluşturur. Artık gerilim çok büyükse (eşik değerini bile aşsa), sızdırmazlık camı çatlaklar gibi küçük kusurlar görüntüler. Artık gerilim çok küçükse, sızdırmazlık camı her meticity kaybeder. Sonuç olarak, artık stres değeri önemli bir ölçümdür.
MTGS yapılarında artık stresin analizi, dünya çapında birçok grubun araştırma çıkarlarını ortaya çıkarmıştır. Eksenel ve radyal stresin sayısal modeli ince kabukteorisi5’e dayalı olarak oluşturulmuştur. Sonlu elemanlar yöntemi, deneysel sonuçlar6,7ile tutarlı olan annealing işleminden sonra bir MTGS yapısının küresel stres dağılımını elde etmek için uygulanmıştır. Ancak, küçük boyut ve elektromanyetik girişim içeren sınırlamalar nedeniyle, birçok gelişmiş sensörler bu koşullar için uygun değildir. Girinti çatlak uzunluğu yöntemi MTG sızdırmazlık malzemesi artık stres ölçmek için bildirilmiştir; ancak, bu yöntem yıkıcı ve cam stres değişiklikleri gerçek zamanlı online izleme elde edemedi.
Fiber Bragg ızgara (FBG) sensörleri boyutu küçük (~ 100 μm) ve elektromanyetik girişim ve sert ortamlara dayanıklı8. Buna ek olarak, elyaf bileşenleri sızdırmazlık cam (SiO2)benzer, bu nedenle FBG sensörleri hermeticity ve sızdırmazlık malzeme yalıtımı üzerinde hiçbir etkisi yoktur. FBG sensörleri kompozit yapılarda kalan gerilim ölçümü ne uygulanmıştır9,10,11, ve sonuçlar iyi ölçüm hassasiyeti ve sinyal tepkisi gösterdiğini göstermiştir. Eşzamanlı sıcaklık ve stres ölçümleri bir optik fiber12,13üzerinde fiber Bragg ızgara dizileri ile elde edilebilir.
Bu çalışmada FBG sensörüne dayalı yeni bir protokol gösterilmiştir. Özel MTGS yapısı için uygun hazırlık, MTGS yapısının iyi hermeticity sağlamak için maksimum ısı sıcaklığı ayarlayarak keşfedilmiştir. FBG sensörü, ısıl işlemden sonra FBG ve camı birleştirmek için hazırlanan sızdırmazlık yoluna gömülür. Daha sonra, artık stres FBG Bragg dalga boyu kayması ile elde edilebilir. FBG sensörlü MTGS yapısı, değişen yükler altında artık gerilimin çevrimiçi olarak izlenmesini sağlamak için yüksek sıcaklık ve yüksek basınç ortamları altına yerleştirilir. Bu çalışmada, FBG sensörlü bir MTS yapısı üretmek için ayrıntılı adımlar özetlenmiştir. Sonuçlar bu yeni protokolün fizibilitesini göstermekte ve bir MTGS yapısının başarısızlık tanısıiçin temel oluşturmuştur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Yüksek sıcaklık ve yüksek basınçta MTGS yapısının sızdırmazlık malzemesinin gerilim ölçümü için kritik adımlar 1) ızgara bölgesisızma camın ortasında bulunan FBG sensörü ile MTGS modellerinin imalatı; 2) standart bir ısıl işlem süreci kullanarak tüm modelin ısıtma, ve model RT soğuduktan sonra, FBG sensörü iyi MTGS modeli ile erimiş olacak, ve artık stres Bragg dalga boyu kayması ile ölçülebilir; 3) değişen termal yükleri deneyimlemek için fırıniçine tam model yerleştirer…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Çin Ulusal S & T Major Projesi (ZX069) tarafından desteklenmiştir.
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).
