Optimierter Versiegelungsprozess und Echtzeitüberwachung von Glas-Metall-Dichtungsstrukturen
Summary
Wichtige Verfahren zur Optimierung des Dichtungsprozesses und zur Echtzeitüberwachung der Metall-Glas-Dichtungsstruktur (MTGS) werden ausführlich beschrieben. Der Embedded Fiber Bragg Gittersensor (FBG) wurde entwickelt, um eine Online-Überwachung von Temperatur und hoher Restspannung im MTGS bei gleichzeitiger Umgebungsdrucküberwachung zu erreichen.
Abstract
Restspannung ist ein wesentlicher Faktor, um die Hermetie und Robustheit einer Glas-Metall-Dichtungsstruktur zu erhalten. Der Zweck dieses Berichts besteht darin, ein neuartiges Protokoll zur Charakterisierung und Messung der Restspannung in einer Glas-Metall-Dichtungsstruktur zu demonstrieren, ohne die Isolierung und Hermetizität von Dichtungsmaterialien zu zerstören. In dieser Forschung wird ein Femto-Laser-eingeschriebener Faser-Bragg-Gittersensor verwendet. Die gemessene Glas-Metall-Dichtungsstruktur besteht aus einer Metallschale, einem Dichtglas und einem Kovar-Leiter. Um die Messungen lohnenswert zu machen, wird die spezifische Wärmebehandlung der Metall-Glas-Dichtung (MTGS) untersucht, um das Modell mit bester Hermetizität zu erhalten. Dann wird der FBG-Sensor in den Weg des Dichtungsglases eingebettet und wird gut mit dem Glas verschmolzen, wenn die Temperatur auf RT abkühlt. Die Bragg-Wellenlänge der FBG verschiebt sich mit der Restspannung, die bei der Versiegelung des Glases entsteht. Um die Restspannung zu berechnen, wird die Beziehung zwischen Bragg Wellenlängenverschiebung und Dehnung angewendet, und die Finite-Elemente-Methode wird auch verwendet, um die Ergebnisse zuverlässig zu machen. Die Online-Überwachungsexperimente der Restspannung im Dichtungsglas werden bei unterschiedlichen Belastungen, wie hochtemperatur und hochdruckweise, durchgeführt, um die Funktionen dieses Protokolls in rauen Umgebungen zu erweitern.
Introduction
Metall-Glas-Dichtung ist eine ausgeklügelte Technologie, die interdisziplinäres Wissen (d. h. Mechanik, Werkstoffeund Elektrotechnik) kombiniert und in der Luft- und Raumfahrt 1, Kernenergie2und biomedizinische Anwendungen weit verbreitet ist. 3. Es hat einzigartige Vorteile wie höhere Temperatur und Druckbeständigkeit im Vergleich zu organischen Materialdichtungsstrukturen. Je nach Differenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) kann MTGS in zwei Typen unterteilt werden: abgestimmte Dichtung und nicht übereinstimmende Dichtung4. Was die abgestimmte Dichtung betrifft, so sind die CTE aus Metall(Metall)und Dichtungsglas(Glas)fast identisch, um die thermische Belastung in Dichtungsmaterialien zu reduzieren. Um jedoch eine gute Hermetizität und mechanische Robustheit der Dichtungsstruktur in rauen Umgebungen (d. h. hohe Temperatur und hoher Druck) zu gewährleisten, zeigt die nicht übereinstimmende Dichtung eine bessere Leistung als die abgestimmte Dichtung. Aufgrund der Differenz zwischenMetall undGlaserzeugt die Restspannung im Dichtungsglas nach dem Glühprozess der MTGS-Struktur. Wenn die Restspannung zu groß ist (auch über den Schwellenwert hinaus), weist das Dichtungsglas kleine Defekte wie Risse auf. Ist die Restspannung zu gering, verliert das Dichtglas seine Hermetizität. Daher ist der Wert der Restspannung eine wichtige Messung.
Die Analyse von Reststress in MTGS-Strukturen hat Forschungsinteressen vieler Gruppen auf der ganzen Welt geweckt. Das numerische Modell der axialen und radialen Spannung wurde auf der Grundlage der Dünnschalentheorie5erstellt. Die Finite-Elemente-Methode wurde angewendet, um die globale Spannungsverteilung einer MTGS-Struktur nach dem Glühprozess zu erhalten, die mit den experimentellen Ergebnissen6,7übereinstimmte. Aufgrund von Einschränkungen mit geringer Größe und elektromagnetischen Störungen sind viele fortschrittliche Sensoren jedoch für diese Umstände nicht geeignet. Das Einrückungsrisslängenverfahren wurde zur Messung der Restspannung im Dichtungsmaterial von MTG gemeldet; Diese Methode war jedoch destruktiv und konnte keine Echtzeit-Online-Überwachung von Spannungsänderungen im Glas erreichen.
Fiber Bragg Gitter (FBG) Sensoren sind klein (ca. 100 m) und beständig gegen elektromagnetische Störungen und raue Umgebungen8. Darüber hinaus ähneln die Komponenten der Faser denen von Dichtungsglas (SiO2), so dass FBG-Sensoren keine Auswirkungen auf die Hermetizität und Isolierung des Dichtungsmaterials haben. FBG-Sensoren wurden bei der Restspannungsmessung in Verbundstrukturen9,10,11eingesetzt, und die Ergebnisse zeigten, dass sie eine gute Messgenauigkeit und Signalreaktion zeigten. Gleichzeitige Temperatur- und Spannungsmessungen können durch Faser-Bragg-Gitter-Arrays auf einer Glasfaser erreicht werden12,13.
In dieser Studie wird ein neuartiges Protokoll auf Basis eines FBG-Sensors demonstriert. Die geeignete Vorbereitung für die spezielle MTGS-Struktur wurde durch die Einstellung der maximalen Wärmetemperatur untersucht, um die gute Hermetizität der MTGS-Struktur zu gewährleisten. Der FBG-Sensor ist in den vorbereiteten Weg des Dichtungsglases eingebettet, um FBG und Glas nach der Wärmebehandlung miteinander zu verschmelzen. Dann kann die Restspannung durch die Bragg-Wellenlängenverschiebung der FBG erhalten werden. Die MTGS-Struktur mit dem FBG-Sensor wird unter Hochtemperatur- und Hochdruckumgebungen platziert, um eine Online-Überwachung der Restspannung unter wechselnden Lasten zu erreichen. In dieser Studie werden die detaillierten Schritte zur Erstellung einer MTS-Struktur mit einem FBG-Sensor beschrieben. Die Ergebnisse zeigen die Machbarkeit dieses neuartigen Protokolls und legen die Grundlage für die Fehlerdiagnose einer MTGS-Struktur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zu den kritischen Schritten für die Spannungsmessung des Dichtmaterials der MTGS-Struktur bei hoher Temperatur und hohem Druck gehören 1) die Herstellung der MTGS-Modelle mit dem FBG-Sensor, von dem sich der Gitterbereich in der Mitte des Dichtungsglases befindet; 2) Erhitzung des gesamten Modells mit einem Standard-Wärmebehandlungsprozess, und nachdem das Modell auf RT abgekühlt ist, wird der FBG-Sensor gut mit dem MTGS-Modell verflochten, und die Restspannung kann durch Bragg Wellenlängenverschiebung gemessen werd…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde vom National S&T Major Project of China (ZX069) unterstützt.
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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