최적화된 밀봉 공정 및 유리-금속 씰 구조의 실시간 모니터링
Summary
밀봉 공정을 최적화하고 금속-유리 밀봉(MTGS) 구조의 실시간 모니터링을 달성하기 위한 주요 절차에 대해 자세히 설명합니다. 임베디드 파이버 브래그 격자(FBG) 센서는 동시 환경 압력 모니터링을 통해 MTGS의 온도 및 고수준 잔류 응력에 대한 온라인 모니터링을 달성하도록 설계되었습니다.
Abstract
잔류 응력은 유리 대 금속 씰 구조의 밀폐성과 견고성을 유지하는 데 필수적인 요소입니다. 이 보고서의 목적은 밀봉 재료의 절연 및 밀폐성을 파괴하지 않고 유리 대 금속 씰 구조의 잔류 응력을 특성화하고 측정하는 새로운 프로토콜을 입증하는 것입니다. 이 연구에서는 펨토 레이저가 새겨진 섬유 브래그 격자 센서가 사용됩니다. 측정되는 유리-금속 밀봉 구조는 금속 쉘, 밀봉 유리 및 Kovar 도체로 구성됩니다. 측정을 가치 있게 만들기 위해 금속 대 유리 씰(MTGS) 구조의 특정 열처리를 탐색하여 최상의 밀폐성을 갖춘 모델을 얻습니다. 그런 다음 FBG 센서가 밀봉 유리 경로에 내장되어 온도가 RT로 냉각됨에 따라 유리와 잘 융합됩니다. FBG의 브래그 파장은 유리를 밀봉할 때 발생하는 잔류 응력과 함께 이동합니다. 잔류 응력계산을 위해 브래그 파장 시프트와 스트레인 간의 관계가 적용되고 유한 요소 방법도 결과를 신뢰할 수 있도록 하는 데 사용됩니다. 밀봉 유리의 잔류 응력에 대한 온라인 모니터링 실험은 열악한 환경에서 이 프로토콜의 기능을 넓히기 위해 고온 및 고압과 같은 다양한 부하에서 수행됩니다.
Introduction
금속-유리 밀봉은 학제간 지식(예: 역학, 재료 및 전기 공학)을 결합한 정교한 기술로 항공우주1, 원자력에너지 2및 생물 의학 응용 분야에 널리 적용됩니다. 3. 유기 재료 밀봉 구조에 비해 고온 및 압력 내구성과 같은 독특한 장점이 있습니다. 열 팽창계수(CTE)의 차이에 따라 MTGS는 두 가지 유형으로 나눌 수있습니다: 일치하는 씰 및 불일치 씰 4. 일치하는 씰에 관해서는, 금속 (α 금속)과 밀봉 유리 (α유리)의CTE는 밀봉 재료의 열 응을 줄이기 위해 거의 동일합니다. 그러나 열악한 환경(예: 고온 및 고압)에서 씰 구조의 밀폐성과 기계적 견고성을 유지하기 위해 일치하지 않는 씰은 일치하는 씰보다 더 나은 성능을 발휘합니다. α 금속과 α 유리의차이로 인해 MTGS 구조의 어닐링 공정 후 밀봉 유리에서 잔류 응력이 발생합니다. 잔류 응력(임계값 초과)이 너무 크면 밀봉 유리에 균열과 같은 작은 결함이 표시됩니다. 잔류 응력이 너무 작으면 밀봉 유리가 밀폐성을 잃습니다. 그 결과, 잔류 응력의 값은 중요한 측정입니다.
MTGS 구조에 있는 잔류 응력의 분석은 세계 각국의 많은 단의 연구 관심사를 자극했습니다. 축 방향 및 방사형 응력의 수치 모델은 얇은 쉘이론 5를 기반으로 구축되었습니다. 유한 요소 방법은 어닐링 공정 후 MTGS 구조의 글로벌 응력 분포를 얻기 위해적용하였고, 이는 실험 결과 6,7과일치하였다. 그러나 크기가 작고 전자기 간섭이 수반되는 제한 사항으로 인해 많은 고급 센서가 이러한 상황에 적합하지 않습니다. 상기 들여쓰기 크랙 길이 방법은 MTG의 밀봉물질에서 잔류 응수를 측정하는 것으로 보고되었다; 그러나 이 방법은 파괴적이며 유리의 응력 변화에 대한 실시간 온라인 모니터링을 달성할 수 없었습니다.
섬유 브래그 격자 (FBG) 센서는 크기가 작고 (~ 100 μm)전자기 간섭 및 가혹한 환경에 대한 내성 8. 또한, 섬유의 구성 요소는 밀봉 유리 (SiO 2)의 것과 유사하므로 FBG 센서는 밀봉 재료의 밀폐성 및 절연에 영향을 받지 않습니다. FBG 센서는 복합 구조물9,10,11의잔응력 측정에 적용되었으며, 결과는 양호한 측정 정밀도와 신호 응답을 나타냈다. 동시 온도 및 응력 측정은 하나의 광섬유12,13에대한 광섬유 브래그 격자 어레이에 의해 달성될 수 있다.
FBG 센서를 기반으로 하는 새로운 프로토콜이 이 연구에서 입증되었습니다. 특수 MTGS 구조에 대한 적절한 준비는 MTGS 구조의 좋은 미수성을 보장하기 위해 최대 열 온도를 조정하여 탐구되었습니다. FBG 센서는 열처리 후 FBG와 유리를 함께 융합하기 위해 유리를 밀봉하는 준비된 경로에 내장되어 있습니다. 이어서, 잔류 응력은 FBG의 브래그 파장 시프트에 의해 얻어질 수 있다. FBG 센서가 있는 MTGS 구조는 고온 및 고압 환경에 배치되어 변화하는 부하하에서 잔류 응력의 온라인 모니터링을 달성합니다. 이 연구에서는 FBG 센서를 사용하여 MTS 구조를 생성하는 자세한 단계에 대해 설명합니다. 결과는 이 새로운 프로토콜의 타당성을 보여주고 MTGS 구조물의 실패 진단을 위한 기초를 확립합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
고온 및 고압에서 MTGS 구조의 밀봉 재료의 응력 측정을위한 중요한 단계는 1) 격자 영역이 밀봉 유리의 중간에있는 FBG 센서와 MTGS 모델의 제조를 포함한다; 2) 표준 열처리 공정을 사용하여 전체 모델의 가열, 모델이 RT로 냉각 된 후, FBG 센서는 MTGS 모델과 잘 융합되고, 잔류 응력은 브래그 파장 변화에 의해 측정 될 수있다; 3) 전체 모델을 용광로에 배치하여 변화하는 열 하중을 경험하고, 온라인 동?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 중국의 국가 S&T 주요 프로젝트 (ZX069)에 의해 지원되었습니다.
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 |
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