Optimert tetting forarbeide og virkelig-tid avlytting av glass-å-metallisk sel strukturer
Summary
Viktige prosedyrer for å optimalisere forseglingsprosessen og oppnå sanntidsovervåkning av strukturen i metall-til-glass-forseglingen (MTGS) er beskrevet i detalj. Den innebygde fiber Bragg rist (FBG) sensor er utformet for å oppnå online overvåking av temperatur og høyt nivå gjenværende stress i MTGS med samtidig miljø trykk overvåking.
Abstract
Resterende stress er en viktig faktor for å holde hermeticity og robusthet av en glass-til-metall segl struktur. Formålet med denne rapporten er å demonstrere en ny protokoll for å karakterisere og måle gjenværende stress i et glass-til-metall segl struktur uten å ødelegge isolasjonen og hermeticity av tetningsmaterialer. I denne forskningen, en femto-laser innskrevet fiber Bragg gitter sensor brukes. Den glass-til-metall segl struktur som måles består av et metall skall, tetting glass, og Kovar dirigent. For å gjøre målingene verdt, er den spesifikke varmebehandling av metall-til-glass segl (MTGS) struktur utforsket for å få modellen med best hermeticity. Deretter FBG sensoren er innebygd i banen til tetting glass og blir godt smeltet sammen med glasset som temperaturen kjøler til RT. Bragg bølgelengde av FBG Skift med gjenværende stress generert i tetting glasset. For å beregne gjenværende stress, er forholdet mellom Bragg bølgelengde Skift og belastning brukt, og den endelige elementmetoden brukes også til å gjøre resultatene pålitelige. Den elektroniske overvåking eksperimenter av gjenværende stress i tetnings glass utføres ved ulike belastninger, for eksempel høy temperatur og høyt trykk, for å utvide funksjonene i denne protokollen i tøffe miljøer.
Introduction
Metall-til-glass tetting er en sofistikert teknologi som kombinerer tverrfaglig kunnskap (dvs. mekanikk, materialer og elektroteknikk) og er mye brukt i luftfart1, kjernekraft2, og biomedisinsk programmer 3. it har unike fordeler som høyere temperatur og trykk utholdenhet sammenlignet med organisk materiale tetting strukturer. I henhold til forskjellen i koeffisient av termisk ekspansjon (CTE), kan MTGS deles inn i to typer: matchet tetning og feilaktige segl4. Når det passer til forseglingen, er CTE av metall (αmetall) og tetnings glass (αglass) nesten det samme for å redusere den termiske belastningen i tetningsmaterialer. For å opprettholde god hermeticity og mekanisk robusthet av tetnings strukturen i tøffe miljøer (dvs. høy temperatur og høyt trykk), viser imidlertid forseglingen som ikke samsvarer bedre ytelse enn den samsvarende forseglingen. På grunn av forskjellen mellom αmetall og αglass, genererer rest stresset i Forseglings glass etter annealing prosessen med MTGS-struktur. Hvis gjenværende stress er for stor (selv overskrider terskelverdien), viser Forseglings glasset små defekter, for eksempel sprekker. Hvis gjenværende stress er for liten, mister tetnings glasset sin hermeticity. Som et resultat, er verdien av gjenværende stress en viktig måling.
Analyse av gjenværende stress i MTGS strukturer har vekket forsknings interessene til mange grupper rundt om i verden. Den numeriske modellen av aksial og radial stress ble bygget basert på tynne skallet teori5. Den endelige elementmetoden ble brukt for å oppnå global stress fordeling av en MTGS struktur etter annealing prosessen, som var forenlig med eksperimentelle resultater6,7. Men på grunn av begrensninger som involverer liten størrelse og elektromagnetisk interferens, er mange avanserte sensorer ikke egnet for disse omstendighetene. Lengde metoden for innrykket ble rapportert for å måle gjenværende stress i tetnings materialet til MTG. Imidlertid var denne metoden ødeleggende og kunne ikke oppnå sanntids online overvåking av stress endringer i glass.
Fiber Bragg rist (FBG) sensorer er små i størrelse (~ 100 μm) og motstandsdyktig mot elektromagnetisk interferens og tøffe miljøer8. I tillegg er komponentene i fiber ligner på de av tetnings glass (SiO2), så FBG sensorer har ingen effekter på hermeticity og isolering av tetnings materialet. FBG sensorer er påført den gjenværende stress målingen i sammensatte strukturer9,10,11, og resultatene viste at den viste god måle presisjon og signal respons. Samtidige temperatur-og stress målinger kan oppnås ved fiber Bragg rist arrays på en optisk fiber12,13.
En ny protokoll basert på en FBG-sensor er demonstrert i denne studien. Den egnede forberedelsen til den spesielle MTGS-strukturen har blitt utforsket ved å justere den maksimale varme temperaturen for å sikre god hermeticity av MTGS-strukturen. Den FBG sensoren er innebygd i den preparerte banen av tetting glass for å fusjonere FBG og glass sammen etter varmebehandling. Deretter kan den gjenværende stress oppnås av Bragg bølgelengde forskyvning av FBG. MTGS-strukturen med FBG-sensoren er plassert under høy temperatur og høytrykks miljøer for å oppnå online overvåking av gjenværende stress under skiftende belastninger. I denne studien er det beskrevet detaljerte trinn for å produsere en MTS-struktur med en FBG-sensor. Resultatene viser muligheten for denne romanen protokollen og etablere grunnlaget for svikt diagnostisering av en MTGS struktur.
Protocol
Representative Results
Discussion
De kritiske trinnene for stressmåling av tetningsmateriale av MTGS struktur ved høy temperatur og høyt trykk inkluderer 1) produksjon av MTGS-modeller med FBG sensor, hvorav rist regionen er plassert på midten av tetnings glass; 2) oppvarming av hele modellen ved hjelp av en standard varmebehandlings prosessen, og etter at modellen kjøles til RT, vil FBG-sensoren bli godt smeltet sammen med MTGS-modellen, og gjenværende stress kan måles ved Bragg bølgelengde forskyvning; 3) plassering av den komplette modellen i …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet har blitt støttet av National S & T Major Project of 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).
