عملية الختم الأمثل والرصد في الوقت الحقيقي لهياكل الختم من الزجاج إلى المعدن
Summary
يتم وصف الإجراءات الرئيسية لتحسين عملية الختم وتحقيق الرصد في الوقت الحقيقي لهيكل الختم من المعدن إلى الزجاج (MTGS) بالتفصيل. تم تصميم الألياف المدمجة Bragg صريف (FBG) الاستشعار لتحقيق الرصد على الانترنت من درجة الحرارة والإجهاد المتبقية عالية المستوى في MTGS مع رصد الضغط البيئي في وقت واحد.
Abstract
الإجهاد المتبقي هو عامل أساسي للحفاظ على الهميتية وقوة هيكل ختم الزجاج إلى المعدن. والغرض من هذا التقرير هو إظهار بروتوكول جديد لتوصيف وقياس الإجهاد المتبقي في هيكل ختم من الزجاج إلى المعدن دون تدمير العزل وهرميتية مواد الختم. في هذا البحث، يتم استخدام جهاز استشعار الألياف المنقوشة بالليزر فيمتو براغ. يتكون هيكل الختم من الزجاج إلى المعدن الذي يتم قياسه من قشرة معدنية، وزجاج ختم، وموصل كوفار. لجعل القياسات جديرة بالاهتمام، يتم استكشاف المعالجة الحرارية المحددة لهيكل ختم من المعدن إلى الزجاج (MTGS) للحصول على النموذج مع أفضل hermeticity. ثم، يتم تضمين جهاز استشعار FBG في مسار الزجاج الختم ويصبح جيدا تنصهر مع الزجاج كما تبرد درجة الحرارة إلى RT. يتحول الطول الموجي براغ من FBG مع الإجهاد المتبقية المتولدة في ختم الزجاج. لحساب الإجهاد المتبقي، يتم تطبيق العلاقة بين تحول الطول الموجي براغ والإجهاد، ويتم استخدام طريقة عنصر محدود أيضا لجعل النتائج موثوق بها. يتم إجراء تجارب الرصد عبر الإنترنت للإجهاد المتبقي في الزجاج الختم في أحمال مختلفة، مثل ارتفاع درجة الحرارة وارتفاع الضغط، لتوسيع وظائف هذا البروتوكول في البيئات القاسية.
Introduction
ختم من المعدن إلى الزجاج هو تكنولوجيا متطورة تجمع بين المعرفة متعددة التخصصات (أي الميكانيكا والمواد والهندسةالكهربائية) ويتم تطبيقها على نطاق واسع في الفضاء الجوي 1، الطاقة النووية2،والتطبيقات الطبية الحيوية 3.لديها مزايا فريدة من نوعها مثل ارتفاع درجة الحرارة والقدرة على التحمل الضغط مقارنة مع هياكل ختم المواد العضوية. وفقا لاختلاف معامل التوسع الحراري (CTE)، يمكن تقسيم MTGS إلى نوعين:ختم المتطابقة وختم غير متطابقة 4. أما بالنسبة للختم المتطابقة، وCTE من المعدن (αالمعادن)وختم الزجاج (αالزجاج)هي نفسها تقريبا للحد من الإجهاد الحراري في مواد الختم. ومع ذلك، للحفاظ على الهميتية جيدة والمتانة الميكانيكية لهيكل الختم في البيئات القاسية (أي ارتفاع درجة الحرارة وارتفاع الضغط)، ختم غير متطابقة يعرض أداء أفضل من الختم المتطابقة. بسبب الفرق بينα المعادن والزجاجα،والإجهاد المتبقي يولد في ختم الزجاج بعد عملية الصلب من هيكل MTGS. إذا كان الإجهاد المتبقي كبيرًا جدًا (حتى يتجاوز قيمة العتبة)، يعرض زجاج الختم عيوبًا صغيرة، مثل الشقوق. إذا كان الإجهاد المتبقي صغير جدا، والزجاج الختم يفقد hermeticity. ونتيجة لذلك، فإن قيمة الإجهاد المتبقي هو قياس هام.
وقد أثار تحليل الإجهاد المتبقي في هياكل الأفرقة العاملة في مجال النقل البحري اهتمامات البحثية اهتمامات بحثية لدى العديد من المجموعات في جميع أنحاء العالم. تم بناء النموذج العددي للإجهاد المحوري وشعاعي على أساس نظرية قذيفة رقيقة5. تم تطبيق طريقة العنصر المحدود للحصول على توزيع الإجهاد العالمي لهيكل MTGS بعد عملية الصلب، والتي كانت متسقة مع النتائج التجريبية6و7. ومع ذلك، وبسبب القيود التي تنطوي على صغر الحجم والتداخل الكهرومغناطيسي، فإن العديد من أجهزة الاستشعار المتقدمة ليست مناسبة لهذه الظروف. وأُبلغ عن طريقة طول صدع المسافة البادئة لقياس الإجهاد المتبقي في مادة الختم في مجموعة MTG؛ ومع ذلك، كانت هذه الطريقة مدمرة ولم تتمكن من تحقيق الرصد في الوقت الحقيقي على الانترنت من التغيرات الإجهاد في الزجاج.
أجهزة استشعار الألياف براغ صريف (FBG) صغيرة الحجم (~ 100 درجةمئوية) ومقاومة للتداخل الكهرومغناطيسي والبيئات القاسية 8. وبالإضافة إلى ذلك، فإن مكونات الألياف مماثلة لتلكالتي من ختم الزجاج (SiO 2)، لذلك أجهزة الاستشعار FBG ليس لها أي آثار على hermeticity والعزل من المواد الختم. وقد تم تطبيق أجهزة الاستشعار FBG لقياسالإجهاد المتبقية في الهياكل المركبة 9،10،11،وأظهرت النتائج أنه عرض دقة قياس جيدة واستجابة إشارة. ويمكن تحقيق درجات الحرارة في وقت واحد وقياسات الإجهاد عن طريق الألياف Bragg صفائف صريف على الألياف البصرية واحدة12،13.
يظهر بروتوكول جديد يستند إلى جهاز استشعار FBG في هذه الدراسة. وقد تم استكشاف الإعداد المناسب لهيكل MTGS الخاص عن طريق ضبط درجة الحرارة القصوى لضمان وجود حزام جيد لهيكل MTGS. يتم تضمين جهاز استشعار FBG في المسار المعدة من الزجاج الختم لصهر FBG والزجاج معا بعد المعالجة الحرارية. ثم، يمكن الحصول على الإجهاد المتبقية عن طريق التحول الطول الموجي براغ من FBG. يتم وضع هيكل MTGS مع جهاز استشعار FBG تحت درجة حرارة عالية وبيئات الضغط العالي لتحقيق الرصد عبر الإنترنت للإجهاد المتبقي تحت الأحمال المتغيرة. في هذه الدراسة، يتم تحديد الخطوات التفصيلية لإنتاج هيكل MTS مع جهاز استشعار FBG. وتظهر النتائج جدوى هذا البروتوكول الجديد وإرساء الأساس لفشل تشخيص هيكل MTGS.
Protocol
Representative Results
Discussion
وتشمل الخطوات الحاسمة لقياس الإجهاد من المواد الختم من هيكل MTGS في درجة حرارة عالية والضغط العالي 1) تصنيع نماذج MTGS مع جهاز استشعار FBG، والتي تقع منطقة صريف في منتصف الزجاج الختم؛ 2) تسخين النموذج كله باستخدام عملية المعالجة الحرارية القياسية، وبعد أن يبرد نموذج إلى RT، فإن جهاز استشعار FBG يصب…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم دعم هذا العمل من قبل المشروع الوطني للS & T الرئيسي في الصين (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).
