Geoptimaliseerd afdichtings proces en real-time bewaking van glas-naar-metaal afdichtings constructies
Summary
De belangrijkste procedures om het afdichtings proces te optimaliseren en de real-time bewaking van de MTGS-structuur (metaal-naar-glas afdichting) te realiseren, worden gedetailleerd beschreven. De embedded Fiber Bragg rooster (FBG) sensor is ontworpen om online monitoring van temperatuur en hoog niveau restspanning in de mtg’s met gelijktijdige milieudruk monitoring te bereiken.
Abstract
Restspanning is een essentiële factor om de hermeticiteit en robuustheid van een glas-op-metaal afdichtings structuur te behouden. Het doel van dit verslag is om een nieuw protocol aan te tonen om de restspanning in een glas-op-metaal afdichtings structuur te karakteriseren en te meten zonder de isolatie en hermeticiteit van afdichtingsmaterialen te vernietigen. In dit onderzoek wordt een femto-Laser-ingeschreven Fiber Bragg-rooster sensor gebruikt. De te meten glas-op-metaal afdichtings structuur bestaat uit een metalen omhulsel, afdichtings glas en Kovar-geleider. Om de metingen de moeite waard te maken, wordt de specifieke warmtebehandeling van de MTGS-structuur (metaal-naar-glas afdichting) verkend om het model te verkrijgen met de beste hermeticiteit. Vervolgens wordt de FBG-sensor ingebed in het pad van het afdichtings glas en wordt deze goed gesmolten met het glas als de temperatuur afkoelt naar RT. De Bragg golflengte van FBG verschuift met de restspanning die wordt gegenereerd bij het afdichten van het glas. Om de restspanning te berekenen wordt de relatie tussen Bragg golflengte verschuiving en stam toegepast, en de eindige element methode wordt ook gebruikt om de resultaten betrouwbaar te maken. De online monitoring experimenten van restspanning in afdichtings glas worden uitgevoerd bij verschillende belastingen, zoals hoge temperatuur en hoge druk, om de functies van dit protocol in zware omgevingen te verbreden.
Introduction
Metaal-naar-glas afdichting is een geavanceerde technologie die interdisciplinaire kennis (d.w.z. mechanica, materialen en Elektrotechniek) combineert en op grote schaal wordt toegepast in de ruimtevaartindustrie1, nucleaire energie2en biomedische toepassingen 3. het heeft unieke voordelen zoals hogere temperatuur en druk uithoudingsvermogen in vergelijking met organische materiaal afdichting structuren. Volgens het verschil van de coëfficiënt van thermische expansie (CTE), MTG’S kunnen worden onderverdeeld in twee typen: matched Seal en Mismatched Seal4. Wat de gecompenseerde afdichting betreft, zijn de CTE van metaal (α-metaal) en afdichtings glas (α-glas) nagenoeg gelijk om de thermische belasting in afdichtingsmaterialen te verminderen. Om een goede hermeticiteit en mechanische robuustheid van de afdichtings structuur in zware omgevingen te behouden (d.w.z. hoge temperatuur en hoge druk), geeft de niet-overeenkomende afdichting betere prestaties dan de overeenkomende afdichting. Door het verschil tussen α-metaal en α-glasgenereert de restspanning in afdichtings glas na het GLOEIEN van de mtgs-structuur. Als de restspanning te groot is (zelfs de drempelwaarde overschrijdt), vertoont het afdichtings glas kleine defecten, zoals scheuren. Als de restspanning te klein is, verliest het afdichtings glas zijn hermeticiteit. Als gevolg hiervan is de waarde van restspanning een belangrijke meting.
Analyse van de restspanning in MTGS structuren heeft de onderzoeksbelangen van vele groepen over de hele wereld gewekt. Het numerieke model van axiale en radiale spanning werd gebouwd op basis van de dunne schaal theorie5. De eindige-element methode werd toegepast om de mondiale spanningsverdeling van een mtgs-structuur na het gloeien te verkrijgen, wat consistent was met de experimentele resultaten6,7. Vanwege beperkingen met betrekking tot geringe omvang en elektromagnetische interferentie zijn veel geavanceerde sensoren echter niet geschikt voor deze omstandigheden. De inkeping crack lengte methode werd gerapporteerd voor het meten van de restspanning in het afdichtingsmateriaal van MTG; echter, deze methode was destructief en kon niet bereiken real-time online controle van stress veranderingen in glas.
Fiber Bragg roosters (FBG) sensoren zijn klein van formaat (~ 100 μm) en bestand tegen elektromagnetische interferentie en zware omgevingen8. Bovendien zijn de componenten van de vezels vergelijkbaar met die van het afdichtings glas (SiO2), dus hebben FBG-sensoren geen invloed op de hermeticiteit en isolatie van het afdichtingsmateriaal. FBG-sensoren zijn toegepast op de residuele spanningsmeting in samengestelde structuren9,10,11, en de resultaten toonden aan dat het goede meetnauwkeurigheid en signaal respons vertoonde. Simultane temperatuur-en stress metingen kunnen worden gerealiseerd door Fiber Bragg roosters op één optische vezel12,13.
In deze studie wordt een nieuw protocol op basis van een FBG-sensor gedemonstreerd. De juiste voorbereiding voor de speciale MTGS-structuur is onderzocht door de maximale warmte temperatuur aan te passen om de goede hermeticiteit van de MTGS-structuur te garanderen. De FBG-sensor is ingebed in het bereide pad van het afdichtings glas om de FBG en het glas na de hittebehandeling samen te smelten. Vervolgens kan de restspanning worden verkregen door de Bragg golflengte verschuiving van de FBG. De MTGS-structuur met de FBG-sensor wordt geplaatst onder hoge temperaturen en hoge druk omgevingen om online monitoring van restspanning onder veranderende belastingen te bereiken. In deze studie worden de gedetailleerde stappen beschreven om een MTS-structuur met een FBG-sensor te produceren. De resultaten tonen de haalbaarheid van dit nieuwe protocol aan en vestigen de basis voor de mislukte diagnose van een MTGS-structuur.
Protocol
Representative Results
Discussion
De kritische stappen voor de stress meting van afdichtingsmateriaal van MTGS-structuur bij hoge temperatuur en hoge druk omvatten 1) vervaardiging van de MTGS-modellen met de FBG-sensor, waarvan het rooster gebied zich midden in het afdichtings glas bevindt; 2) verwarmen van het hele model met behulp van een standaard warmtebehandelingsproces, en nadat het model afkoelt naar RT, wordt de FBG-sensor goed gefuseerd met MTGS-model, en de restspanning kan worden gemeten met de Bragg golflengte verschuiving; 3) het plaatsen v…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door het nationale S & T grote project van China (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 |
References
- 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).
