Processo di sigillamento ottimizzato e monitoraggio in tempo reale delle strutture sigillanti vetro-metallo
Summary
Le procedure chiave per ottimizzare il processo di sigillamento e ottenere il monitoraggio in tempo reale della struttura di guarnizione metallo-vetro (MTGS) sono descritte in dettaglio. Il sensore integrato di griglia in fibra Bragg (FBG) è progettato per ottenere il monitoraggio online della temperatura e lo stress residuo di alto livello nel MTGS con monitoraggio simultaneo della pressione ambientale.
Abstract
Lo stress residuo è un fattore essenziale per mantenere l’ermetità e la robustezza di una struttura di tenuta vetro-metallo. Lo scopo della presente relazione è dimostrare un nuovo protocollo per caratterizzare e misurare lo stress residuo in una struttura di guarnizione da vetro a metallo senza distruggere l’isolamento e l’ermeticia dei materiali di sigillamento. In questa ricerca, viene utilizzato un sensore di grating in fibra incisa femto-laser Bragg. La struttura di guarnizione vetro-metallo misurata è costituita da un guscio metallico, vetro di sigillazione e conduttore Kovar. Per rendere le misurazioni utili, viene esplorato il trattamento termico specifico della struttura di guarnizione metallo-vetro (MTGS) per ottenere il modello con la migliore ermeticità. Quindi, il sensore FBG è incorporato nel percorso del vetro di sigillazione e diventa ben fuso con il vetro come la temperatura si raffredda a RT. La lunghezza d’onda Bragg di FBG si sposta con lo stress residuo generato nel sigillare il vetro. Per calcolare la sollecitazione residua, viene applicata la relazione tra spostamento e deformazione della lunghezza d’onda di Bragg e viene utilizzato anche il metodo dell’elemento finito per rendere affidabili i risultati. Gli esperimenti di monitoraggio online dello stress residuo nel vetro di sigillamento vengono effettuati con carichi diversi, come l’alta temperatura e l’alta pressione, per ampliare le funzioni di questo protocollo in ambienti difficili.
Introduction
La sigillazione metallo-vetro è una tecnologia sofisticata che combina conoscenze interdisciplinari (meccanica, materiali e ingegneria elettrica) ed è ampiamente applicata nell’aerospazio1, energia nucleare2e applicazioni biomediche 3.Ha vantaggi unici come la temperatura più elevata e la resistenza a pressione rispetto alle strutture di sigillazione dei materiali organici. In base alla differenza di coefficiente di espansione termica (CTE), MTGS può essere diviso in due tipi: sigillo abbinato e sigillo non corrispondente4. Per quanto riguarda la guarnizione abbinata, la CTE dimetallo(metallo)e il vetro di sgelazione (z vetro) sono quasi gli stessi per ridurre lo stress termico nei materiali di sigillazione. Tuttavia, per mantenere una buona ermetiera e robustezza meccanica della struttura della guarnizione in ambienti difficili (ad esempio, alta temperatura e alta pressione), la guarnizione non corrispondente mostra prestazioni migliori rispetto alla guarnizione corrispondente. A causa della differenza tra ilmetallo e ilvetro, lo stress residuo genera nel vetro di sigillazione dopo il processo di annessione della struttura MTGS. Se lo stress residuo è troppo grande (anche superando il valore soglia), il vetro di tenuta mostra piccoli difetti, come le crepe. Se lo stress residuo è troppo piccolo, il vetro di sifatura perde la sua ermetità. Di conseguenza, il valore della sollecitazione residua è una misura importante.
L’analisi dello stress residuo nelle strutture MTGS ha suscitato gli interessi di ricerca di molti gruppi in tutto il mondo. Il modello numerico di sollecitazione assiale e radiale è stato costruito sulla base della teoria del guscio sottile5. Il metodo dell’elemento finito è stato applicato per ottenere la distribuzione globale della sollecitazione di una struttura MTGS dopo il processo di annealing, che era coerente con i risultati sperimentali6,7. Tuttavia, a causa delle limitazioni che coinvolgono piccole dimensioni e interferenze elettromagnetiche, molti sensori avanzati non sono adatti a queste circostanze. Il metodo della lunghezza della fessura di indentazione è stato segnalato per misurare la sollecitazione residua nel materiale di sguarsione di MTG; tuttavia, questo metodo era distruttivo e non poteva ottenere il monitoraggio online in tempo reale dei cambiamenti di stress nel vetro.
I sensori di griglia in fibra Bragg (FBG) sono di piccole dimensioni (100 m) e resistenti alle interferenze elettromagnetiche e agli ambienti difficili8. Inoltre, i componenti della fibra sono simili a quelli delvetro di sigillamento (SiO 2), quindi i sensori FBG non hanno effetti sull’ermetità e sull’isolamento del materiale di sguarsione. I sensori FBG sono stati applicati alla misura della sollecitazione residua nelle strutture composite9,10,11, e i risultati hanno mostrato che mostrava una buona precisione di misurazione e risposta del segnale. Le misurazioni simultanee della temperatura e dello stress possono essere ottenute da array di griglia in fibra Bragg su una fibra ottica12,13.
In questo studio viene dimostrato un nuovo protocollo basato su un sensore FBG. La preparazione appropriata per la speciale struttura MTGS è stata esplorata regolando la temperatura massima di calore per garantire la buona ermetità della struttura MTGS. Il sensore FBG è incorporato nel percorso preparato di sigillamento vetro per fondere l’FBG e vetro insieme dopo il trattamento termico. Quindi, la sollecitazione residua può essere ottenuta dallo spostamento della lunghezza d’onda Di Bragg dell’FBG. La struttura MTGS con il sensore FBG è posta in ambienti ad alta temperatura e ad alta pressione per ottenere il monitoraggio online dello stress residuo sotto carichi mutevoli. In questo studio vengono delineati i passaggi dettagliati per produrre una struttura MTS con sensore FBG. I risultati mostrano la fattibilità di questo nuovo protocollo e stabiliscono le basi per la diagnosi di guasto di una struttura MTGS.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le fasi critiche per la misurazione della sollecitazione del materiale di suggelazione della struttura MTGS ad alta temperatura e ad alta pressione comprendono 1) la produzione dei modelli MTGS con il sensore FBG, di cui si trova la regione di grattugia al centro del vetro di suggsimento; 2) riscaldamento dell’intero modello utilizzando un processo di trattamento termico standard, e dopo che il modello si raffredda a RT, il sensore FBG diventerà ben fuso con il modello MTGS, e la sollecitazione residua può essere misur…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dal National S&T Major Project of China (X069).
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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