תהליך איטום מיטבי וניטור זמן-אמת של מבני חותם זכוכית-מתכת
Summary
נוהלי מפתח למיטוב תהליך האיטום והשגת ניטור בזמן אמת של מבנה החותם ממתכת לזכוכית (MTGS ‘) מתוארים בפרוטרוט. החיישן המוטבע בראג (FBG) מיועד להשיג ניטור מקוון של הטמפרטורה ברמה גבוהה מתח שיורית ב MTGS ‘ י עם ניטור הסביבה בו הלחץ.
Abstract
שרידי מתח הוא גורם חיוני לשמירת הנזירות והחוסן של מבנה החותם מזכוכית למתכת. מטרת הדו ח היא להדגים את הפרוטוקול החדשני לאפיון ולמדידת מתחים במבנה מזכוכית למתכת מבלי להרוס את הבידוד והרמבוליות של חומרי איטום. במחקר זה, משתמשים בחיישן שאינו משמש לייזר באמצעות סיבי בראג. מבנה החותם מזכוכית למתכת הנמדד כולל קליפת מתכת, איטום זכוכית ומנצח Kovar. כדי להפוך את המידות למשתלם, הטיפול התרמי הספציפי במבנה המתכת-לזכוכית (MTGS ‘) מתבצע בכדי להשיג את המודל עם הרמבוליות הטובה ביותר. לאחר מכן, חיישן FBG מוטבע בנתיב של איטום זכוכית והופך היטב עם זכוכית כמו הטמפרטורה מתקררת RT. אורך הגל של בראג של FBG משתנה עם המתח השאריות שנוצר באיטום הזכוכית. כדי לחשב את הלחץ שיורית, את הקשר בין משמרת בראג אורך הגל והזן מוחל, ואת שיטת האלמנט הסופי משמש גם כדי להפוך את התוצאות אמין. הניסויים בניטור מקוון של מתח שיורית זכוכית איטום מתבצעים בעומסים שונים, כגון טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה, כדי להרחיב את הפונקציות של פרוטוקול זה בסביבות קשות.
Introduction
איטום מתכת לזכוכית היא טכנולוגיה מתוחכמת המשלבת ידע בין תחומי (כלומר, מכניקה, חומרים והנדסת חשמל) והיא מיושמת באופן נרחב בתחום התעופה1, אנרגיה גרעינית2ויישומים ביו-רפואיים 3. יש לו יתרונות ייחודיים כגון טמפרטורה גבוהה יותר סיבולת הלחץ לעומת מבנים אורגניים חומר איטום. על פי ההבדל של מקדם התרחבות תרמית (CTE), MTGS ‘ י יכול להיות מחולק לשני סוגים: חותם תואם וחותם לא תואם4. באשר לחותם תואם, CTE של מתכת (αמתכת) ו איטום זכוכית (αזכוכית) הם כמעט אותו דבר כדי להפחית את הלחץ התרמי בחומרי איטום. עם זאת, כדי לשמור על הרמבוליות טובה וחוסן מכני של מבנה החותם בסביבות קשות (כלומר, טמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה), חותם לא תואם מציג ביצועים טובים יותר מאשר חותם תואם. בשל ההבדל בין αמתכת לבין αזכוכית, המתח השאריות מייצר זכוכית איטום לאחר תהליך הריפוי של מבנה mtgs. אם המתח השרידי גדול מדי (אפילו מעבר לערך הסף), זכוכית האיטום מציגה פגמים קטנים, כגון סדקים. אם המתח השרידי קטן מדי, הזכוכית המסוגרת מאבדת את הרמיותיה. כתוצאה מכך, הערך של שרידי מתח הוא מדידה חשובה.
ניתוח של שרידי מתח במבנים MTGS ס עוררה התעניינות מחקרית של קבוצות רבות ברחבי העולם. המודל המספרי של צירית וסטרס רדיאלי נבנה על בסיס תיאורית המעטפת הדק5. שיטת האלמנט הסופי הוחלה על מנת להשיג את התפלגות המתח הגלובלית של מבנה mtgs לאחר תהליך הריפוי, שהיה עקבי עם תוצאות נסיוניות6,7. עם זאת, בשל המגבלות הכרוכות בגודל קטן ובהפרעות אלקטרומגנטיות, חיישנים מתקדמים רבים אינם מתאימים לנסיבות אלה. שיטת הסדק באורך החריץ דווחה כדי למדוד את המתח השאריות בחומר איטום של MTG; עם זאת, שיטה זו הייתה הרסנית ולא הצליחה להשיג ניטור מקוון בזמן אמת של שינויי מתח בזכוכית.
החיישנים בז בראג (FBG) הם קטנים בגודל (~ 100 μm) ועמידים בפני הפרעה אלקטרומגנטית וסביבות קשות8. בנוסף, המרכיבים של סיבים דומים לאלה של איטום זכוכית (SiO2), ולכן חיישנים fbg אין השפעות על הרמבוליות ובידוד של חומר איטום. חיישנים fbg הוחלו על מדידת הלחץ שיורית במבנים מרוכבים9,10,11, ותוצאות הראו כי הוא מוצג טוב מדידה מדויק ותגובת אות. הטמפרטורה ומדידות הסטרס בו ניתן להשיג על-ידי מערכים של סיבי בראג בסיבים אופטיים אחד12,13.
פרוטוקול הרומן מבוסס על חיישן FBG מוצג במחקר זה. ההכנה המתאימה למבנה ה-MTGS מיוחד, כבר נחקרו על-ידי התאמת טמפרטורת החום המירבית כדי להבטיח את הנזירות הטובות של מבנה MTGS ‘. חיישן FBG מוטבע בנתיב מוכן של איטום זכוכית לנתיך FBG וזכוכית יחד לאחר הטיפול בחום. לאחר מכן, ניתן להשיג את שרידי המתח על ידי משמרת אורך הגל של בראג של FBG. מבנה MTGS עם חיישן FBG ממוקם תחת טמפרטורה גבוהה וסביבות בלחץ גבוה כדי להשיג ניטור מקוון של מתח שיורית תחת שינוי עומסים. במחקר זה, השלבים המפורטים להפקת מבנה MTS עם חיישן FBG מתוארים באופן מיתאר. התוצאות מציגות את הכדאיות של פרוטוקול הרומן הזה ומקימים את הבסיס לאבחון כישלון של מבנה MTGS m.
Protocol
Representative Results
Discussion
הצעדים הקריטיים למדידת הלחץ של חומר איטום של מבנה MTGS בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה כוללים 1) ייצור של דגמי MTGS עם חיישן FBG, אשר אזור הסורגים ממוקם באמצע איטום זכוכית; 2) חימום של המודל כולו באמצעות תהליך הטיפול בחום סטנדרטי, ואחרי המודל מתקרר RT, חיישן FBG יהיה התמזגו היטב עם המודל MTGS ואת הלחץ שיורית…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכת על ידי הלאומי S & T מייג פרויקט של סין (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).
