Оптимизированный процесс уплотнения и мониторинг в режиме реального времени структур уплотнения стекло-металл
Summary
Подробно описаны ключевые процедуры оптимизации процесса герметизации и обеспечения мониторинга в режиме реального времени структуры уплотнения из металла в стекло (MTGS). Встроенный датчик решетки волокна Bragg (FBG) предназначен для достижения онлайн-мониторинга температуры и высокого уровня остаточного стресса в MTGS с одновременным мониторингом давления окружающей среды.
Abstract
Остаточный стресс является важным фактором для поддержания герметичности и надежности структуры уплотнения стекло-металл. Цель настоящего доклада состоит в том, чтобы продемонстрировать новый протокол для характеристики и измерения остаточного стресса в структуре уплотнения стекло-металл, не разрушая изоляцию и герметичность уплотнительных материалов. В этом исследовании, фемто-лазер вписаны волокна Брэгг решетки датчик используется. Измеряемая структура уплотнения стекло-металл состоит из металлической оболочки, уплотнения стекла и проводника Ковара. Для того чтобы сделать измерения стоит, специфическая обработка жары уплотнения металла к-стеклянному (MTGS) исследуется для того чтобы получить модель с самой лучшей герметичностью. Затем датчик FBG встраивается в путь уплотнения стекла и хорошо сливается со стеклом, как температура охлаждается до RT. Длина волны Брэгга FBG смещается с остаточным стрессом, порождаемым при герметизации стекла. Для расчета остаточного стресса применяется взаимосвязь между сдвигом длины волны И напряжением Брэгга, а для того, чтобы сделать результаты надежными, используется метод конечного элемента. Эксперименты онлайн-мониторинга остаточного стресса в герметичном стекле проводятся при различных нагрузках, таких как высокая температура и высокое давление, для расширения функций этого протокола в суровых условиях.
Introduction
Уплотнение металло-стекла является сложной технологией, которая сочетает в себе междисциплинарные знания (т.е. механика, материалы и электротехника) и широко применяется в аэрокосмической1,ядерной энергии2, и биомедицинских приложений 3. Он имеет уникальные преимущества, такие как более высокая температура и выносливость давления по сравнению с органическими структурами уплотнения материала. В соответствии с разницей коэффициента теплового расширения (CTE), MTGS можноразделить на два типа: совмещенный уплотнение и несовпадающее уплотнение 4. Что касается совмещенного уплотнения, то CTE металла (яп.)и уплотнительного стекла(стекло)почти одинаковы для уменьшения теплового стресса в уплотняющих материалах. Однако, чтобы сохранить хорошую герметичность и механическую прочность структуры уплотнения в суровых условиях (т.е. высокой температуры и высокого давления), несоответствие уплотнения отображает лучшую производительность, чем соответствующие уплотнения. Из-за разницы между металлом истеклом,остаточный стресс генерирует в герметичном стекле после аннулирования процесса структуры MTGS. Если остаточный стресс слишком велик (даже превышает пороговое значение), уплотнение стекла отображает небольшие дефекты, такие как трещины. Если остаточный стресс слишком мал, уплотнительное стекло теряет свою герметичность. В результате, значение остаточного стресса является важным измерением.
Анализ остаточного стресса в структурах MTGS вызвал исследовательские интересы многих групп по всему миру. Численная модель осевого и радиального стресса была построена на основе теории тонкой оболочки5. Метод конечного элемента был применен для получения глобального распределения стресса структуры MTGS после процессааннулирования, который соответствовал экспериментальным результатам 6,7. Однако, из-за ограничений, связанных с небольшими размерами и электромагнитными помехами, многие современные датчики не подходят для этих обстоятельств. Сообщалось, что метод длины отступов для измерения остаточного стресса в уплотнительном материале MTG; однако, этот метод был разрушительным и не мог достичь в режиме реального времени онлайн-мониторинга стрессовых изменений в стекле.
Волокно Брэгг решетки (FBG) датчики малы по размеру (100 мкм) и устойчивы к электромагнитных помех и суровых средах8. Кроме того, компоненты волокна аналогичны уплотняющим стеклам(SiO 2), поэтому датчики FBG не оказывают влияния на герметичность и изоляцию уплотнительного материала. Датчики FBG были применены к остаточномуизмерению стресса в композитных структурах 9,10,11,и результаты показали, что он показал хорошую точность измерения и реакцию сигнала. Одновременноизмерения температуры и стресса могут быть достигнуты путем волокна Bragg решетки массивов на одном оптическом волокне12,13.
В этом исследовании показан новый протокол, основанный на датчике FBG. Соответствующая подготовка к специальной структуре MTGS была изучена путем корректировки максимальной температуры тепла для обеспечения хорошей герметичности структуры MTGS. Датчик FBG встроен в подготовленный путь уплотнения стекла, чтобы сплавить FBG и стекло вместе после тепловой обработки. Затем остаточный стресс может быть получен с помощью смены длины волны Брэгга FBG. Структура MTGS с датчиком FBG находится под высокой температурой и высоким давлением среды для достижения онлайн-мониторинга остаточного стресса при меняющихся нагрузках. В этом исследовании изложены подробные шаги по созданию структуры МТС с датчиком FBG. Результаты показывают осуществимость этого нового протокола и закладывают основу для диагностики отказа структуры MTGS.
Protocol
Representative Results
Discussion
Критические шаги для измерения напряжения уплотнительного материала структуры MTGS при высокой температуре и высоком давлении включают 1) изготовление моделей MTGS с датчиком FBG, из которых область решетки расположена в середине уплотняющего стекла; 2) нагревание всей модели с использован…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Национальным проектом По годы китайской области по вопросам s и T (NoX069).
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).
