Name: optimized sealing process and real-time monitoring of glass-to-metal seal structures
Uploaded: 2019-09-02T14:00:00
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Este trabajo ha sido apoyado por el Proyecto Mayor Nacional de S&T de China (ZX069).

1. Producción de la estructura del MTGS con buena hermetencia
NOTA: Los procedimientos para la estructura de MTGS incluyen los preparativos para los componentes de la estructura combinada, el proceso de tratamiento térmico y los exámenes para el rendimiento de muestras MTGS. La estructura completa de MTGS consta de una carcasa de acero, conductor Kovar y vidrio de sellado. Vea el diagrama y las dimensiones que se muestran en la Figura 1 y la Tabla 1,</str...

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	<li>Alves, F. J., Baptista, A. M., Marques, A. 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J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiber+Bragg+Grating+Sensors+for+Harsh+Environments.">Fiber Bragg Grating Sensors for Harsh Environments.</a> Sensors. 12 (12), 1898-1918 (2012).</li><li>Morey, W. W., Meltz, G., Weiss, J. 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Los pasos críticos para la medición de la tensión del material de sellado de la estructura MTGS a alta temperatura y alta presión incluyen 1) la fabricación de los modelos MTGS con el sensor FBG, de los cuales la región de rejilla se encuentra en el medio del vidrio de sellado; 2) calentamiento de todo el modelo utilizando un proceso de tratamiento térmico estándar, y después de que el modelo se enfríe a RT, el sensor FBG se fusionará bien con el modelo MTGS, y la tensión residual se puede medir por el cambio...

El sellado de metal a vidrio es una tecnología sofisticada que combina conocimientos interdisciplinarios (es decir, mecánica, materiales e ingeniería eléctrica) y se aplica ampliamente en aplicaciones aeroespaciales1,energía nuclear2y biomédicas 3.Tiene ventajas únicas como mayor resistencia a la temperatura y a la presión en comparación con las estructuras de sellado de material orgánico. De acuerdo con la diferencia de coeficiente de expansión térmica (CTE), MTGS se puede dividir en dos tipos: sello emparejado y sello no coincidente4. En cuanto al sello emparejado, el CTEde metal (metal) y el vidrio de sellado (vidrio) son casi los mismos para reducir la tensión térmica en los materiales de sellado. Sin embargo, para mantener una buena hermetencia y robustez mecánica de la estructura del sello en entornos hostiles (es decir, alta temperatura y alta presión), el sello no coincidente muestra un mejor rendimiento que el sello emparejado. Debido a la diferencia entre elmetal y elvidrio,la tensión residual genera en el sellado del vidrio después del proceso de recocido de la estructura MTGS. Si la tensión residual es demasiado grande (incluso superando el valor umbral), el vidrio de sellado muestra pequeños defectos, como grietas. Si la tensión residual es demasiado pequeña, el vidrio de sellado pierde su hermeticidad. Como resultado, el valor de la tensión residual es una medida importante.
El análisis del estrés residual en las estructuras de MTGS ha despertado los intereses de investigación de muchos grupos de todo el mundo. El modelo numérico de tensión axial y radial se construyó sobre la base de la teoría de vaciado delgado5. El método de elementos finitos se aplicó para obtener la distribución de tensión global de una estructura MTGS después del proceso de recocido, que fue consistente con los resultados experimentales6,7. Sin embargo, debido a las limitaciones que implican un tamaño pequeño y interferencia electromagnética, muchos sensores avanzados no son adecuados para estas circunstancias. El método de longitud de grieta de sangría se informó para medir la tensión residual en el material de sellado de MTG; sin embargo, este método era destructivo y no podía lograr un monitoreo en línea en tiempo real de los cambios de tensión en el vidrio.
Los sensores de rejilla de fibra bragg (FBG) son de tamaño pequeño (100 m) y son resistentes a interferencias electromagnéticas y entornos hostiles8. Además, los componentes de la fibra sonsimilares a los del vidrio de sellado (SiO 2), por lo que los sensores FBG no tienen efectos en la hermética y el aislamiento del material de sellado. Los sensores FBG se han aplicado ala medición de tensión residual en estructuras compuestas 9,10,11,y los resultados mostraron una buena precisión de medición y respuesta de la señal. Las mediciones simultáneas de temperatura y tensión pueden lograrse mediante matrices de rejilla Bragg de fibra en una fibra óptica12,13.
En este estudio se muestra un protocolo novedoso basado en un sensor FBG. La preparación adecuada para la estructura especial de MTGS se ha explorado ajustando la temperatura máxima de calor para garantizar la buena hermetencia de la estructura MTGS. El sensor FBG está integrado en la ruta preparada del vidrio de sellado para fusionar el FBG y el vidrio después del tratamiento térmico. A continuación, la tensión residual se puede obtener mediante el desplazamiento de longitud de onda Bragg del FBG. La estructura MTGS con el sensor FBG se coloca bajo ambientes de alta temperatura y alta presión para lograr la supervisión en línea de la tensión residual bajo cargas cambiantes. En este estudio, se describen los pasos detallados para producir una estructura MTS con un sensor FBG. Los resultados muestran la viabilidad de este novedoso protocolo y sentan las bases para el diagnóstico de fallos de una estructura de MTGS.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>ABAQUS</td>
			<td>Dassault SIMULA</td>
			<td>ABAQUS6.14-5</td>
			<td>The software to carry out numerical simulation.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fiber Bragg grating sensors</td>
			<td>Femto Fiber Tec</td>
			<td>FFT.FBG.S.00.02 Single</td>
			<td>apodized FBG</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fusion splicer</td>
			<td>Furukawa Information Technologies and Telecommunications</td>
			<td>S123M12</td>
			<td>FITEL&#39;s line of fusion splicers provides an excellent solution for both field and factory splicing applications&#12290;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass powder</td>
			<td>Shenzhen Sialom Advanced Materials Co.,Ltd</td>
			<td>LC-1</td>
			<td>A kind of low melting-point glass powder (380&#8451;).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Graphite mold</td>
			<td>Machining workshop of Tsinghua University</td>
			<td>Graphite</td>
			<td>The mold to locate each part of the metal-to-glass structure.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heating furnace</td>
			<td>Tianjin Zhonghuan Electric Furnace Technology Co., Ltd</td>
			<td>SK-G08123-L</td>
			<td>vertical tubular furnace</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kovar conductor</td>
			<td>Shenzhen Thaistone Technology Co., Ltd</td>
			<td>4J29</td>
			<td>A common material used for the electrical penetration in the metal-to-glass seal structure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical interrogator</td>
			<td>Wuhan Gaussian Optics CO.,LTD</td>
			<td>OPM-T400</td>
			<td>FBG spectrum analysis modules</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pro/Engineer</td>
			<td>Parametric Technology Corporation</td>
			<td>PROE5.0</td>
			<td>The software to establish the 3D geometry.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Steel shell</td>
			<td>Beijing Xiongchuan Technology Co., Ltd</td>
			<td>316 stainless steel</td>
			<td>A kind of austenitic stainless steel</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

optimized sealing process and real-time monitoring of glass-to-metal seal structures

El estrés residual es un factor esencial para mantener la hermetencia y robustez de una estructura de sello de vidrio a metal. El propósito de este informe es demostrar un protocolo novedoso para caracterizar y medir el estrés residual en una estructura de sello de vidrio a metal sin destruir el aislamiento y la hermetencia de los materiales de sellado. En esta investigación, se utiliza un sensor de rejilla Bragg de fibra inscrita con láser femto. La estructura de sello de vidrio a metal que se mide consiste en una cáscara de metal, vidrio de sellado y conductor de Kovar. Para que las mediciones valga la pena, se explora el tratamiento térmico específico de la estructura de sellado de metal a vidrio (MTGS) para obtener el modelo con la mejor hermetidad. A continuación, el sensor FBG se incrusta en el camino del vidrio de sellado y se fusiona bien con el vidrio a medida que la temperatura se enfría a RT. La longitud de onda Bragg de FBG cambia con la tensión residual generada en el sellado del vidrio. Para calcular la tensión residual, se aplica la relación entre el desplazamiento de la longitud de onda de Bragg y la deformación unitaria, y el método de elemento finito también se utiliza para hacer que los resultados sean fiables. Los experimentos de monitoreo en línea de tensión residual en vidrio de sellado se llevan a cabo a diferentes cargas, tales como alta temperatura y alta presión, para ampliar las funciones de este protocolo en entornos hostiles.

A partir de los resultados de la Figura5, se explora el tratamiento térmico estándar para producir los modelos MTGS con resistencia a alta presión, y los modelos pueden satisfacer los exámenes (es decir, transmisiones de luz, resistencia a la presión, SEM, etc.). Por lo tanto, la estructura mtGS producida se puede aplicar para mantener la hermeticidad en entornos hostiles.
El FBG puede estar bien fusionado con la estructura MTGS, y la tensión residual en el ...

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Optimized Sealing Process and Real-Time Monitoring of Glass-to-Metal Seal Structures

Los procedimientos clave para optimizar el proceso de sellado y lograr la monitorización en tiempo real de la estructura de sellado de metal a vidrio (MTGS) se describen en detalle. El sensor de rejilla Bragg de fibra integrada (FBG) está diseñado para lograr la monitorización en línea de la temperatura y la tensión residual de alto nivel en el MTGS con monitoreo simultáneo de la presión ambiental.

Proceso de sellado optimizado y monitoreo en tiempo real de estructuras de sello de vidrio a metal

Residual stress is an essential factor to keeping the hermeticity and robustness of a glass-to-metal seal structure. The purpose of this report is to ...

Este protocolo se puede utilizar para realizar la monitorización simultánea de temperatura y tensión en tiempo real de las estructuras de metal a vidrio por primera vez. La principal ventaja de esta técnica es que el sensor de rejilla Bragg de fibra se puede fusionar bien con la estructura de metal a vidrio sin destruir el aislamiento o la hermetismo de la estructura de metal a vidrio. Demostrar el procedimiento con Zhichun Fan será Kangjia Hu, un estudiante maestro de INET.Para procesar polvo de vidrio granulado, vierta aproximadamente 1,1 gramos de polvo en un molde de cilindro de vidrio y coloque el molde en la máquina de prensa. Para compactar el vidrio en un cilindro de vidrio, encienda la máquina de prensa y coloque el cilindro resultante en un horno de calefacción que se va a centrar. Retire el cilindro de vidrio centrado del horno de calefacción y utilice una junta de grafito para fabricar el cilindro de vidrio, la cáscara de acero y el conductor kovar.Para la medición de tensión residual, primero fusione la cabeza de una fibra óptica con un conector FC por los empalmes de fusión y haga coincidir el conector FC con un interrogador para demodular la longitud de onda y el espectro FBG. Inserte el FBG a través de un camino en el vidrio de sellado del modelo MTGS fabricado con la rejilla del FBG colocado con precisión dentro del vidrio. A continuación, fije otro FBG cerca del vidrio de sellado para controlar la temperatura solamente.Conecte el interrogador a una computadora y utilice una garra de tratamiento térmico para colocar el cilindro de vidrio centrado, la cáscara de acero, los FBG y la junta de grafito conductor Kovar en el tabique de cuarzo en el horno de calefacción. Elevar la temperatura a 450 grados Celsius en incrementos de cinco grados Celsius por minuto antes de bajar la temperatura a temperatura ambiente en incrementos de 0,5 grados Cent centígrados por minuto. A continuación, registre los datos de longitud de onda de Bragg en tiempo real en el software informático.Para controlar la tensión y la temperatura, coloque un FBG en un cilindro de vidrio centrado y coloque un segundo FBG fuera del vidrio para controlar la temperatura solamente. Coloque el modelo MTGS con la fibra óptica en el horno como se ha demostrado y utilice el tratamiento térmico estándar para procesar el modelo MTGS con un sensor FBG integrado, luego imponga 100, 200, 300 y 400 grados de temperaturas Celsius en el modelo que mantiene cada temperatura durante 100 minutos. En este experimento representativo, se exploró el tratamiento térmico estándar para producir los modelos MTGS con alta resistencia a la presión, demostrando que los modelos pueden satisfacer los análisis en condiciones ambientales adversas.El FBG puede estar bien fusionado con la estructura MTGS y la cepa residual en el vidrio de sellado se reflejará en un cambio de longitud de onda Bragg después del tratamiento térmico. Los cambios de tensión en tiempo real en el vidrio de sellado de 100 a 400 grados Celsius son monitoreados con precisión por el sensor FBG, y la disminución de la tensión residual en el vidrio de sellado se puede reflejar instantáneamente. Tratar el sensor de revestimiento con cuidado y asegurarse de que la posición de la FBG es correcta dentro del vidrio o la tensión no se medirá con precisión.Esta técnica se puede utilizar para medir el estrés residual en el tubo recibido de energía solar de forma directa y precisa, un logro que no se ha logrado en los estudios anteriores. El método se puede aplicar para lograr la tensión distribuida en línea y la temperatura en el monitoreo de la estructura de sellado y para detectar la falla en la primera vez.

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