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 النووية^2،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 (α_{المعادن)}وختم الزجاج (α_{الزجاج)}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 بين_{α المعادن} والزجاج_α،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 التجريبية^6و7. 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 واحدة^12،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

1. إنتاج هيكل MTGS مع hermeticity جيدة

ملاحظة: تشمل إجراءات هيكل MTGS الاستعدادات لمكونات الهيكل المشترك، وعملية المعالجة الحرارية، وفحوصات أداء عينات MTGS. يتكون هيكل MTGS الكامل من قذيفة من الصلب، موصل كوفار، وختم الزجاج. انظر الرسم التخطيطي والأبعاد المبينة في الشكل 1 والجدول 1 على التوالي.

1. صب مسحوق الزجاج الحبيبية (~ 1.1 غرام) في القالب، ثم وضع القالب على آلة الصحافة لمعالجة الزجاج الحبيبية كما هو مبين في الشكل 2أ،ب.
2. قم بتشغيل آلة الضغط (اضغط على الزر الأحمر) لضغط الزجاج المحبب في الاسطوانة الزجاجية كما هو موضح في الشكل 2ج،د.
   ملاحظة: التحكم في كثافة اسطوانة الزجاج مهم لأداء هيكل MTGS، لأن الكثير من المسام في الاسطوانة الزجاجية سيؤدي إلى فشل hermeticity من هيكل MTGS.
3. ضع الاسطوانة الزجاجية في فرن التدفئة ليتم تلبدها (انظر الشكل3).
4. يتم تصنيع اسطوانة الزجاج متكلس، قذيفة الصلب، وموصل كوفار مع طوقا الجرافيت خاصة، كما هو مبين في الشكل4. ضع هذا النموذج على الحاجز الكوارتز في فرن التدفئة باستخدام مخلب للمعالجة الحرارية (انظر الشكل4). الحفاظ على معدل التبريد كما 0.5 درجة مئوية / دقيقة لتجنب كسر الألياف البصرية.
5. استخدام الفحص البصري لتحديد التضاريس السطحية من الزجاج الختم بعد استرداد النموذج من فرن التدفئة.
6. استخدام خط أنابيب الضغط العالي لفحص hermeticity من نموذج MTGS. تثبيت النموذج على خط الأنابيب عن طريق نوع الأكمام بطاقة مشتركة. تغيير الضغط ببطء من 1 MPa إلى 8 MPa، وعقد كل ضغط لمدة 24 ساعة.
7. استخدم المجهر الإلكتروني للمسح الضوئي (SEM) لتحديد الواجهة المجهرية بين الزجاج الختمي والأجزاء المعدنية كما هو موضح في الشكل5. استخدام 15 كيلو فولت و 500x التكبير لمراقبة واجهة بوضوح.
   ملاحظة: من فحص التصوير الشعاعي ونتائج SEM، يتم تعيين درجة حرارة التدفئة القصوى القياسية على أنها 450 درجة مئوية للحصول على نموذج MTGS مع hermeticity جيدة. يتم تعريف العلاج القياسي للتدفئة على النحو التالي: زيادة درجة الحرارة من (درجة حرارة الغرفة) RT إلى 450 درجة مئوية في زيادات 5 درجة مئوية / دقيقة، ثم إسقاط درجة الحرارة إلى RT كما 0.5 درجة مئوية / دقيقة.

2. قياس الإجهاد المتبقية في الزجاج الختم

ملاحظة: تم تصميم مستشعر FBG كطريقة مناسبة لقياس الإجهاد في MTGS. طول صريف من جهاز استشعار FBG هو 5 ملم لتتناسب مع ارتفاع الزجاج (5 ملم) جيدا.

1. ضغط مسحوق الزجاج الحبيبية في اسطوانة الزجاج كما هو موضح في الخطوات 1.1-1.2.
   ملاحظة: ارتفاع اسطوانة الزجاج مهم، لأنه إذا كانت الاسطوانة عالية جدا (> 6 ملم)، سيكون من الصعب جعل من خلال مسار لاستشعار FBG دون تدمير المواد الزجاجية.
2. حفر اسطوانة الزجاج باستخدام سرعة الحفر من 5000 دورة في الدقيقة لإنتاج ثلاثة متباعدة على قدم المساواة من خلال الثقوب لإعداد مسارات لأجهزة الاستشعار الألياف البصرية (قطرها 0.45 ملم). تلبد اسطوانة الزجاج مع الثقوب باستخدام نفس المعالجة الحرارية كما هو مبين في الشكل4.
3. تصنيع نموذج MTGS كما هو موضح في الخطوة 1.4. ثم، وضع الألياف من خلال المسار في الزجاج الختم ووضع منطقة صريف من FBG بالضبط داخل الزجاج.
   ملاحظة: لأن التدفق في الفرن الرأسي يمكن أن تنفجر منطقة صريف، مما يؤدي إلى عدم تطابق FBG والزجاج، يجب أن تعلق ذيل الألياف البصرية مع مسمار صغير للحفاظ على موقف FBG دقيقة.
4. يُدمج رأس الألياف البصرية مع موصل FC بواسطة اللصقات المختلطة. ثم، قم بمطابقة موصل FC مع OPM-T400، وهو مستجوبي لإزالة بيانات الطول الموجي وطيف FBG. يتم توصيل OPM-T400 إلى جهاز كمبيوتر، ويمكن للبرنامج الداعم على الكمبيوتر الحصول على البيانات التجريبية.
5. معالجة النموذج كله في فرن من قبل المعالجة الحرارية القياسية التي تم الحصول عليها سابقا. رفع درجة الحرارة من RT إلى 450 درجة مئوية كما 5 درجة مئوية / دقيقة، ثم إسقاط درجة الحرارة إلى RT في زيادات من 0.5 درجة مئوية / دقيقة. سوف تصبح منطقة صريف تنصهر مع الزجاج الختم كما يتم تسخينها لتذوب. عندما تبرد درجة الحرارة وصولا الى RT، فإن الزجاج ترسيخ وأجهزة الاستشعار FBG سوف تصبح تنصهر بشكل جيد مع المواد الختم.
6. تسجيل البيانات الطول الموجي براغ في الوقت الحقيقي باستخدام البرنامج (هو مبين في الشكل 6). العامل الوحيد الذي يحفز التغيرات في الطول الموجي والطيف هو الإجهاد المتبقي المتولد في الزجاج الختم، لأن درجة الحرارة قبل وبعد هذه الخطوة هو على حد سواء RT.

ملاحظة: يمكن حساب الإجهاد المتبقي من خلال العلاقة بين اللموجة من FBG¹⁴ وقانون هوك، كما هو موضح أدناه.

حيث: Δי_B هو تحول الطول الموجي براغ الناجمة عن الإجهاد المتبقية، وB هو الطول الموجي الأولي من FBG، P_ه هو معامل سلالة البصرية، وهو المتبقية سلالة في الزجاج، E هو معامل الشباب من الزجاج الختم، وووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووووو

3. منع فشل هيكل MTGS تحت درجة حرارة عالية

ملاحظة: عند العمل في درجة حرارة عالية، سوف تتأثر hermeticity من هيكل MTGS، لأن التوسع الحراري للقشرة الصلب يؤدي إلى انخفاض الإجهاد المتبقية في الزجاج الختم. وبالتالي، فمن الممكن أن هذا البروتوكول يمكن أن تمنع فشل hermeticity بسبب الرصد على الانترنت من تغيير الإجهاد المتبقية في ختم الزجاج.

1. تصنيع نموذج MTGS كما هو الحال في الخطوة 1.4. نوع FBG لمراقبة درجة الحرارة والإجهاد في وقت واحد هو الألياف Bragg تصنيف صفيف الاستشعار، بما في ذلك منطقتين صريف على الألياف واحدة، مع مسافة 10 ملم بين هذين الاستشعار.
   ملاحظة: يتم تعريف هذه صريف اثنين FBG-1 و FBG-2. الطول الموجي براغ الأولية من FBG-1 و FBG-2 هي 1545 نانومتر و 1550 نانومتر، على التوالي.
2. ضع FBG-1 في اسطوانة الزجاج المعلب لمراقبة الإجهاد ودرجة الحرارة. وضع FBG-2 خارج الزجاج لمراقبة درجة الحرارة فقط، كما هو مبين في الشكل 7a،ب. وبهذه الطريقة، يتأثر FBG-1 من قبل كل من درجة الحرارة وتغير الإجهاد المتبقية، وFBG-2 يتأثر فقط بدرجة حرارة الزجاج الختم.
3. ضع نموذج MTGS مع الألياف البصرية في الفرن كما هو موضح في الخطوات 2.2-2.3. استخدم المعالجة الحرارية القياسية لمعالجة نموذج MTGS مع مستشعر FBG مضمن.
4. فرض درجات حرارة 100 درجة مئوية، 200 درجة مئوية، 300 درجة مئوية، و 400 درجة مئوية على النموذج وعقد كل درجة حرارة لمدة 100 دقيقة.

ملاحظة: يراقب FBG-1 الإجهاد ودرجة الحرارة المعبر عنها في وقت واحد كما تحول الطول الموجي براغ Δי_B-1،وFBG-2 يراقب تغير درجة الحرارة من قبل Δי_B-2 كما هو مبين في الشكل 8أ،ب. وتظهر العلاقات بين تحول الطول الموجي براغ والمعلمات المقاسة على النحو التالي:

حيث: هو معامل البصريات الحرارية، α هو معامل التمدد الحراري للألياف البصرية، وΔT هو تغيير درجة الحرارة قبل وبعد التجربة. يمكن فصل Δי_B-3 الناجمة عن الإجهاد المتبقي من خلال طرح Δי_B-1 من Δי_B-2 (انظر الشكل 8c). هذا هو أسلوب إزالة التشكيل لدرجة الحرارة في وقت واحد ورصد الإجهاد من الزجاج الختم في درجات حرارة عالية.

4. رصد ارتفاع الضغط

ملاحظة: الأحمال الضغط على هيكل MTGS سيكون لها آثار على الإجهاد المتبقية في الزجاج الختم، وبالتالي فإن نموذج MTGS مع جهاز استشعار FBG جزءا لا يتجزأ من طريقة محتملة لرصد تغيير الضغط العالي.

1. إعداد نفس نموذج MTGS مع جهاز استشعار FBG كما هو موضح في الخطوة 2.2-2.3. بعد FBG هو جيد تنصهر مع نموذج MTGS، واستخدام مخلب لإخراج النموذج من الفرن.
2. تصنيع نموذج MTGS مع جهاز استشعار FBG على خط أنابيب الهليوم الضغط العالي من قبل التجهيزات أنبوب نوع لدغة كما هو مبين في الشكل9. ضبط الضغط من 1 MPa إلى 7 MPa عن طريق الضغط الحد من صمام لفرض تغيير الأحمال الضغط على هيكل الختم.
3. يتم تسجيل التحول الطول الموجي براغ Δי_B كما هو مبين في الشكل 10. وفي الوقت نفسه، يمكن حساب تغيير الإجهاد المتبقي ذي الصلة باستخدام المعادلة 1 والمعادلة 2.

5- التحليل النظري لهيكل الأفرقة المتوسطة الأجل

1. استخدم برنامج النمذجة لإنشاء النموذج ثلاثي الأبعاد لهيكل MTGS، ويتم أخذ الأبعاد من الجدول 1 للحفاظ على اتساق النموذج التجريبي والنموذج النظري.
2. استيراد النموذج ثلاثي الأبعاد إلى برنامج تحليل العناصر المحدودة. تعيين الخصائص الميكانيكية لقذيفة الصلب، وختم الزجاج وموصل كوفار، كما هو مبين في الجدول2.
3. نوع الشبكة للنموذج بأكمله هو شكل عرافة (انظر الشكل 11). طريقة شبكة من الزجاج الختم وقذيفة الصلب هي الاجتياح، ويتم متشابكة موصل كوفار بطريقة منظمة. صقل شبكة من الزجاج الختم لضمان دقة النتائج النظرية. عدد عناصر موصل كوفار، وختم الزجاج والصلب قذيفة هي 143700، 20350، و 13400، على التوالي.
4. تعيين الزيادة الأولية، الحد الأدنى للزيادة، والحد الأقصى لزيادة خطوة التحليل الثابت ك0.01، 1.00 × 10-8 و 1.00 × 10-2، على التوالي.
5. تأكد من أن الواجهات بين الزجاج الختم والأجزاء المعدنية يحدها. أولاً، فرض الحمل المتغير لدرجة الحرارة (من 370 درجة مئوية إلى 20 درجة مئوية) لمحاكاة تقدم التصلب لنموذج MTGS. ويرد توزيع الإجهاد بعد هذه العملية في الشكل 12.
6. فرض درجات حرارة مختلفة (من 100 درجة مئوية إلى 400 درجة مئوية) على النموذج بأكمله لمحاكاة تجارب الرصد عبر الإنترنت تحت الأحمال الحرارية. في ظل الظروف الأخرى، يتم فرض تغيير أحمال الضغط (من 1 MPa إلى 7 MPa) على الزجاج الختم لمحاكاة الرصد عبر الإنترنت تحت ضغط عال. وترد شروط الحدود في الشكل 13.
7. يتم الحصول على النتائج العددية لتوزيع الإجهاد والإجهاد للنموذج بأكمله من ملف الوجهة المبين في الشكل 14. استخراج مسار التحليل في الزجاج الختم هو مبين في الشكل 13، والتي الموقف هو مسار الرصد لأجهزة الاستشعار FBG في الشكل 6a لتوفير المقارنة مع نتائج القياس من قبل FBG.

النتائج

من نتائج الشكل5، يتم استكشاف المعالجة الحرارية القياسية لإنتاج نماذج MTGS مع القدرة على التحمل الضغط العالي، ويمكن للنماذج تلبية الامتحانات (أي انتقال اتلاف الضوء، والقدرة على التحمل الضغط، SEM، الخ). وهكذا، يمكن تطبيق هيكل MTGS المنتجة للحفاظ على hermeticity في بيئات قاسية.

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...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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