玻璃到金属密封结构的优化密封工艺和实时监控
Summary
详细介绍了优化密封工艺和实现金属-玻璃密封 （MTGS） 结构实时监控的关键程序。嵌入式光纤布拉格光栅 （FBG） 传感器旨在通过同时环境压力监测实现 MTGS 中温度和高电平残余应力的在线监控。
Abstract
残余应力是保持玻璃-金属密封结构的密封性和坚固性的重要因素。本报告的目的是展示一种新颖的协议，在不破坏密封材料的绝缘性和密封性的情况下，对玻璃-金属密封结构中的残余应力进行表征和测量。在本研究中，使用了一种飞向激光刻板的光纤布拉格光栅传感器。测量的玻璃-金属密封结构由金属外壳、密封玻璃和科瓦尔导体组成。为了使测量物有所值，探索金属-玻璃密封（MTGS）结构的具体热处理，以获得最佳密封性模型。然后，FBG 传感器嵌入密封玻璃路径中，当温度冷却至 RT 时，与玻璃很好地融合。FBG 的布拉格波长随密封玻璃中产生的残余应力而移动。为了计算残余应力，应用了布拉格波长偏移与应变的关系，并采用有限元法使结果可靠。在高温高压等不同载荷下进行密封玻璃残余应力的在线监测实验，以扩大该协议在恶劣环境下的功能。
Introduction
金属到玻璃密封是一种复杂的技术，结合了跨学科的知识（即力学、材料和电气工程），并广泛应用于航空航天1、核能2和生物医学应用3.与有机材料密封结构相比，具有更高的温度和压力耐久性等独特优势。根据热膨胀系数（CTE）的差异，MTGS可分为两种类型：匹配密封和不匹配的密封4。至于匹配的密封，金属（α金属）和密封玻璃（*玻璃）的CTE几乎相同，以减少密封材料的热应力。但是，为了在恶劣环境（即高温高压）下保持密封结构的良好密封性和机械坚固性，不匹配的密封件比匹配的密封件表现出更好的性能。由于金属和α玻璃之间的差异，在MTGS结构退火过程后，密封玻璃会产生残余应力。如果残余应力过大（甚至超过阈值），密封玻璃会显示小缺陷，如裂纹。如果残余应力过小，密封玻璃就会失去密封性。因此，残余应力值是一个重要的测量指标。
对MTGS结构残余应力的分析引起了世界各地许多群体的研究兴趣。轴向应力和径向应力的数值模型是建立在薄壳理论5的基础上的。应用有限元法求在退火过程后MTGS结构的全局应力分布，与实验结果6、7一致。但是，由于涉及小尺寸和电磁干扰的限制，许多高级传感器不适合这些情况。报告了压痕裂纹长度法，以测量MTG密封材料中的残余应力;然而，这种方法具有破坏性，不能实现玻璃应力变化的实时在线监测。
光纤布拉格光栅（FBG）传感器体积小（±100 μm），耐电磁干扰和恶劣环境8。此外，纤维的成分与密封玻璃（SiO 2）的部件相似，因此FBG传感器对密封材料的密封性和绝缘性没有影响。FBG传感器已应用于复合结构9、10、11的残余应力测量，结果表明具有良好的测量精度和信号响应。同步的温度和应力测量可以通过光纤布拉格光栅阵列在一个光纤12，13。
本研究演示了一种基于FBG传感器的新型方案。通过调整最高热温，对特殊MTGS结构进行了适当的准备，以确保MTGS结构的良好密封性。FBG 传感器嵌入密封玻璃的制备路径中，在热处理后将 FBG 和玻璃熔合在一起。然后，通过FBG的布拉格波长偏移获得残余应力。带 FBG 传感器的 MTGS 结构置于高温和高压环境中，以实现在不断变化的负载下对残余应力进行在线监控。在本研究中，概述了使用 FBG 传感器生成 MTS 结构的详细步骤。结果表明了该新方案的可行性，为MTGS结构故障诊断奠定了基础。
Protocol
Representative Results
Discussion
在高温高压下MTGS结构密封材料应力测量的关键步骤包括：1）使用FBG传感器制造MTGS模型，其中光栅区域位于密封玻璃中间;2）采用标准热处理工艺加热整个模型，模型冷却至RT后，FBG传感器将与MTGS模型很好地融合，残余应力可以通过布拉格波长偏移进行测量;3） 将完整的模型放入熔炉中，体验不断变化的热负荷，然后通过一条光纤上的两个FBG阵列的波长偏移差实现在线同时温度和应力监测;4）将整…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了中国国家科技重大项目（ZX069）的支持。
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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