Processus d'étanchéité optimisé et surveillance en temps réel des structures d'étanchéité de verre à métal
Summary
Les principales procédures visant à optimiser le processus d’étanchéité et à assurer une surveillance en temps réel de la structure du joint métal-verre (MTGS) sont décrites en détail. Le capteur de râpage Bragg (FBG) en fibre embarquée est conçu pour assurer une surveillance en ligne de la température et du stress résiduel de haut niveau dans le MTGS avec surveillance simultanée de la pression environnementale.
Abstract
Le stress résiduel est un facteur essentiel pour conserver l’herménicité et la robustesse d’une structure de joint de verre à métal. Le but du présent rapport est de démontrer un nouveau protocole pour caractériser et mesurer le stress résiduel dans une structure de joint de verre à métal sans détruire l’isolation et l’herméicité des matériaux d’étanchéité. Dans cette recherche, un capteur de grille de fibre Bragg gravé au laser femto est utilisé. La structure d’étanchéité en verre à métal qui est mesurée se compose d’une coquille métallique, de verre d’étanchéité et d’un conducteur Kovar. Pour rendre les mesures valables, le traitement thermique spécifique de la structure du sceau métal-verre (MTGS) est exploré pour obtenir le modèle avec la meilleure herménicité. Ensuite, le capteur FBG est intégré dans le chemin du verre d’étanchéité et devient bien fusionné avec le verre que la température se refroidit à RT. La longueur d’onde Bragg de FBG change avec le stress résiduel généré dans l’étanchéité du verre. Pour calculer le stress résiduel, la relation entre le décalage de longueur d’onde Bragg et la souche est appliquée, et la méthode de l’élément fini est également utilisée pour rendre les résultats fiables. Les expériences de surveillance en ligne du stress résiduel dans le verre d’étanchéité sont effectuées à différentes charges, telles que la température élevée et la haute pression, pour élargir les fonctions de ce protocole dans des environnements difficiles.
Introduction
L’étanchéité métal-verre est une technologie sophistiquée qui combine les connaissances interdisciplinaires (c.-à-d. la mécanique, les matériaux et le génie électrique) et est largement appliquée dans l’aérospatiale1, l’énergie nucléaire2, et les applications biomédicales 3. Il a des avantages uniques tels que la température plus élevée et l’endurance de pression comparée aux structures organiques d’étanchéité de matière. Selon la différence de coefficient d’expansion thermique (CTE), MTGS peut être divisé en deux types : joint assorti et joint dépareillé4. En ce qui concerne le joint assorti, le CTE du métal (métal) et le verre d’étanchéité (verre) sont presque les mêmes pour réduire le stress thermique dans les matériaux d’étanchéité. Cependant, pour conserver une bonne herménicité et la robustesse mécanique de la structure du joint dans des environnements difficiles (c.-à-d. haute température et haute pression), le joint dépareillé affiche de meilleures performances que le joint assorti. En raison de la différence entre lemétal et leverre,le stress résiduel génère dans le verre d’étanchéité après le processus d’annealing de la structure MTGS. Si le stress résiduel est trop important (même en dépassant la valeur seuil), le verre d’étanchéité présente de petits défauts, tels que des fissures. Si le stress résiduel est trop faible, le verre d’étanchéité perd son hermétisme. Par conséquent, la valeur du stress résiduel est une mesure importante.
L’analyse du stress résiduel dans les structures du MTGS a suscité des intérêts de recherche de nombreux groupes à travers le monde. Le modèle numérique du stress axial et radiala été construit basé sur la théorie mince de coquille 5. La méthode de l’élément fini a été appliquée pour obtenir la distribution globale du stress d’une structure MTGS après le processus d’annealing, ce qui était compatible avec les résultats expérimentaux6,7. Cependant, en raison des limitations impliquant la petite taille et l’interférence électromagnétique, beaucoup de capteurs avancés ne sont pas appropriés pour ces circonstances. La méthode de longueur de fissure d’indentation a été rapportée pour mesurer le stress résiduel dans le matériel d’étanchéité de MTG ; cependant, cette méthode était destructrice et ne pouvait pas réaliser la surveillance en ligne en temps réel des changements de stress dans le verre.
Les capteurs de grille de vantardise de fibre (FBG) sont de petite taille (100 m) et résistants aux interférences électromagnétiques et aux environnements durs8. En outre, les composants de la fibre sont similaires à ceux du verre d’étanchéité (SiO2), de sorte que les capteurs FBG n’ont aucun effet sur l’herménicité et l’isolation du matériau d’étanchéité. Les capteurs FBG ont été appliqués à la mesure du stress résiduel dans les structures composites9,10,11, et les résultats ont montré qu’il a montré une bonne précision de mesure et la réponse du signal. Des mesures simultanées de température et de contrainte peuvent être réalisées par des tableaux de râpage de Bragg de fibre sur une fibre optique12,13.
Un nouveau protocole basé sur un capteur FBG est démontré dans cette étude. La préparation appropriée pour la structure spéciale de MTGS a été explorée en ajustant la température maximale de chaleur pour assurer la bonne herméicité de la structure de MTGS. Le capteur FBG est intégré dans la voie préparée du verre d’étanchéité pour fusionner le FBG et le verre ensemble après le traitement thermique. Ensuite, le stress résiduel peut être obtenu par le décalage de longueur d’onde Bragg du FBG. La structure MTGS avec le capteur FBG est placée sous des environnements à haute température et à haute pression pour assurer la surveillance en ligne du stress résiduel sous des charges changeantes. Dans cette étude, les étapes détaillées pour produire une structure MTS avec un capteur FBG sont décrites. Les résultats montrent la faisabilité de ce nouveau protocole et établissent les bases pour le diagnostic d’échec d’une structure de MTGS.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les étapes critiques pour la mesure du stress du matériau d’étanchéité de la structure MTGS à haute température et haute pression comprennent 1) la fabrication des modèles MTGS avec le capteur FBG, dont la région de râpage est situé au milieu du verre d’étanchéité; 2) le chauffage de l’ensemble du modèle à l’aide d’un processus standard de traitement thermique, et après que le modèle refroidit à RT, le capteur FBG deviendra bien fusionné avec le modèle MTGS, et le stress résiduel peut être mesuré …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le 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).
