נוהלי מפתח למיטוב תהליך האיטום והשגת ניטור בזמן אמת של מבנה החותם ממתכת לזכוכית (MTGS ') מתוארים בפרוטרוט. החיישן המוטבע בראג (FBG) מיועד להשיג ניטור מקוון של הטמפרטורה ברמה גבוהה מתח שיורית ב MTGS ' י עם ניטור הסביבה בו הלחץ.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
נוהלי מפתח למיטוב תהליך האיטום והשגת ניטור בזמן אמת של מבנה החותם ממתכת לזכוכית (MTGS ') מתוארים בפרוטרוט. החיישן המוטבע בראג (FBG) מיועד להשיג ניטור מקוון של הטמפרטורה ברמה גבוהה מתח שיורית ב MTGS ' י עם ניטור הסביבה בו הלחץ.
שרידי מתח הוא גורם חיוני לשמירת הנזירות והחוסן של מבנה החותם מזכוכית למתכת. מטרת הדו ח היא להדגים את הפרוטוקול החדשני לאפיון ולמדידת מתחים במבנה מזכוכית למתכת מבלי להרוס את הבידוד והרמבוליות של חומרי איטום. במחקר זה, משתמשים בחיישן שאינו משמש לייזר באמצעות סיבי בראג. מבנה החותם מזכוכית למתכת הנמדד כולל קליפת מתכת, איטום זכוכית ומנצח Kovar. כדי להפוך את המידות למשתלם, הטיפול התרמי הספציפי במבנה המתכת-לזכוכית (MTGS ') מתבצע בכדי להשיג את המודל עם הרמבוליות הטובה ביותר. לאחר מכן, חיישן FBG מוטבע בנתיב של איטום זכוכית והופך היטב עם זכוכית כמו הטמפרטורה מתקררת RT. אורך הגל של בראג של FBG משתנה עם המתח השאריות שנוצר באיטום הזכוכית. כדי לחשב את הלחץ שיורית, את הקשר בין משמרת בראג אורך הגל והזן מוחל, ואת שיטת האלמנט הסופי משמש גם כדי להפוך את התוצאות אמין. הניסויים בניטור מקוון של מתח שיורית זכוכית איטום מתבצעים בעומסים שונים, כגון טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה, כדי להרחיב את הפונקציות של פרוטוקול זה בסביבות קשות.
איטום מתכת לזכוכית היא טכנולוגיה מתוחכמת המשלבת ידע בין תחומי (כלומר, מכניקה, חומרים והנדסת חשמל) והיא מיושמת באופן נרחב בתחום התעופה1, אנרגיה גרעינית2ויישומים ביו-רפואיים 3. יש לו יתרונות ייחודיים כגון טמפרטורה גבוהה יותר סיבולת הלחץ לעומת מבנים אורגניים חומר איטום. על פי ההבדל של מקדם התרחבות תרמית (CTE), MTGS ' י יכול להיות מחולק לשני סוגים: חותם תואם וחותם לא תואם4. באשר לחותם תואם, CTE של מתכת (αמתכת) ו איטום זכוכית (αזכוכית) הם כמעט אותו דבר כדי להפחית את הלחץ התרמי בחומרי איטום. עם זאת, כדי לשמור על הרמבוליות טובה וחוסן מכני של מבנה החותם בסביבות קשות (כלומר, טמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה), חותם לא תואם מציג ביצועים טובים יותר מאשר חותם תואם. בשל ההבדל בין αמתכת לבין αזכוכית, המתח השאריות מייצר זכוכית איטום לאחר תהליך הריפוי של מבנה mtgs. אם המתח השרידי גדול מדי (אפילו מעבר לערך הסף), זכוכית האיטום מציגה פגמים קטנים, כגון סדקים. אם המתח השרידי קטן מדי, הזכוכית המסוגרת מאבדת את הרמיותיה. כתוצאה מכך, הערך של שרידי מתח הוא מדידה חשובה.
ניתוח של שרידי מתח במבנים MTGS ס עוררה התעניינות מחקרית של קבוצות רבות ברחבי העולם. המודל המספרי של צירית וסטרס רדיאלי נבנה על בסיס תיאורית המעטפת הדק5. שיטת האלמנט הסופי הוחלה על מנת להשיג את התפלגות המתח הגלובלית של מבנה mtgs לאחר תהליך הריפוי, שהיה עקבי עם תוצאות נסיוניות6,7. עם זאת, בשל המגבלות הכרוכות בגודל קטן ובהפרעות אלקטרומגנטיות, חיישנים מתקדמים רבים אינם מתאימים לנסיבות אלה. שיטת הסדק באורך החריץ דווחה כדי למדוד את המתח השאריות בחומר איטום של MTG; עם זאת, שיטה זו הייתה הרסנית ולא הצליחה להשיג ניטור מקוון בזמן אמת של שינויי מתח בזכוכית.
החיישנים בז בראג (FBG) הם קטנים בגודל (~ 100 μm) ועמידים בפני הפרעה אלקטרומגנטית וסביבות קשות8. בנוסף, המרכיבים של סיבים דומים לאלה של איטום זכוכית (SiO2), ולכן חיישנים fbg אין השפעות על הרמבוליות ובידוד של חומר איטום. חיישנים fbg הוחלו על מדידת הלחץ שיורית במבנים מרוכבים9,10,11, ותוצאות הראו כי הוא מוצג טוב מדידה מדויק ותגובת אות. הטמפרטורה ומדידות הסטרס בו ניתן להשיג על-ידי מערכים של סיבי בראג בסיבים אופטיים אחד12,13.
פרוטוקול הרומן מבוסס על חיישן FBG מוצג במחקר זה. ההכנה המתאימה למבנה ה-MTGS מיוחד, כבר נחקרו על-ידי התאמת טמפרטורת החום המירבית כדי להבטיח את הנזירות הטובות של מבנה MTGS '. חיישן FBG מוטבע בנתיב מוכן של איטום זכוכית לנתיך FBG וזכוכית יחד לאחר הטיפול בחום. לאחר מכן, ניתן להשיג את שרידי המתח על ידי משמרת אורך הגל של בראג של FBG. מבנה MTGS עם חיישן FBG ממוקם תחת טמפרטורה גבוהה וסביבות בלחץ גבוה כדי להשיג ניטור מקוון של מתח שיורית תחת שינוי עומסים. במחקר זה, השלבים המפורטים להפקת מבנה MTS עם חיישן FBG מתוארים באופן מיתאר. התוצאות מציגות את הכדאיות של פרוטוקול הרומן הזה ומקימים את הבסיס לאבחון כישלון של מבנה MTGS m.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
1. ייצור מבנה MTGS עם הרמבוליות טובה
הערה: ההליכים למבנה ה-MTGS כוללים את ההכנות לרכיבים של המבנה המשולב, תהליך הטיפול בחום ובדיקות לביצוע דגימות MTGS ס. המבנה המלא של מבנה MTGS מורכב ממעטפת פלדה, מנצח Kovar, ואיטום זכוכית. עיין בדיאגרמה ובמידות המוצגות באיור 1 ובטבלה 1, בהתאמה.
2. מדידת מתח שיורית באיטום זכוכית
הערה: חיישן ה-FBG מתוכנן כשיטה מתאימה למדידת הלחץ ב-MTGS '. אורך הסורגים של חיישן FBG הוא 5 מ"מ כדי להתאים את גובה הזכוכית (5 מ"מ) היטב.
הערה: ניתן לחשב את המתח השיורי באמצעות יחסי המתח באורך הגל של FBG14 ו-Hook של החוק, כפי שמוצג להלן.


כאשר: the ΔλB הוא משמרת בראג אורך הגל הנגרמת על ידי מתח שיורית, λB הוא אורך הגל ההתחלתי של fbg, Pe הוא מקדם למתח אופטי, ε הוא שיורית המתח בזכוכית, E הוא מודולוס הצעיר של איטום זכוכית, ו σ הוא המתח השאריות בזכוכית.
3. מניעת כישלון במבנה MTGS מתחת לטמפרטורה גבוהה
הערה: כשעובדים בטמפרטורה גבוהה, הנזירות במבנה ה-MTGS יושפעו מכך, משום שההתרחבות התרמית של קליפת הפלדה מובילה לירידה של הלחץ השרידי בזכוכית האיטום. לפיכך, ייתכן שפרוטוקול זה יכול למנוע כישלון הרמבוליות עקב ניטור מקוון של שאריות הלחץ באיטום זכוכית.
הערה: FBG-1 צגים את הלחץ והטמפרטורה בו זמנית מבוטא בבראג ' אורך הגל ΔλB-1, ו fbg-2 מפקחת על שינוי הטמפרטורה על-ידי Δλb-2 כפי שמוצג באיור 8א, ב. היחסים בין משמרות בראג ' והפרמטרים הנמדדים מוצגים כדלקמן:


כאשר: ξ הוא מקדם סיב אופטי, α היא מקדם הרחבה תרמית של סיבים אופטיים, ו ΔT הוא שינוי טמפרטורה לפני ואחרי הניסוי. Δλb-3 הנגרמת על ידי מתח שיורית ניתן להפריד באמצעות חיסור ΔλB-1 מ ΔλB-2 (ראה איור 8c). זוהי שיטת הדמוציה עבור טמפרטורה סימולטני וניטור לחץ של איטום זכוכית בטמפרטורות גבוהות.
4. ניטור לחץ גבוה
הערה: הלחץ נטען על מבנה mtgs יש השפעות על שרידי הלחץ באיטום זכוכית, כך דגם MTGS עם חיישן FBG מוטבע הוא שיטה פוטנציאלית לפקח על שינוי הלחץ הגבוה.
5. אנליזה תאורטית של מבנה MTGS טג
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
מתוך התוצאות של איור 5, הטיפול בחום סטנדרטי כדי לייצר את דגמי mtgs מודלים עם עמידות בלחץ גבוה הוא חקר, ואת המודלים יכולים לספק את הבדיקות (כלומר, שידורי אור, סיבולת הלחץ, SEM, וכו '). לפיכך, מבנה MTGS המיוצר המיוצרים ניתן להחיל כדי לשמור על הרמבוליות בסביבות קשות.
FBG יכול להיות התמזגו היטב עם מבנה MTGS והזן שיורית בזכוכית איטום ישתקף על ידי שינוי אורך הגל בראג לאחר הטיפול בחום, כפי שמוצג באיור 6. ניתן לחשב במדויק את הערך של מתח שיורי...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הצעדים הקריטיים למדידת הלחץ של חומר איטום של מבנה MTGS בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה כוללים 1) ייצור של דגמי MTGS עם חיישן FBG, אשר אזור הסורגים ממוקם באמצע איטום זכוכית; 2) חימום של המודל כולו באמצעות תהליך הטיפול בחום סטנדרטי, ואחרי המודל מתקרר RT, חיישן FBG יהיה התמזגו היטב עם המודל MTGS ואת הלחץ שיורית ניתן למדוד על ידי משמרת בראג אורך הגל; 3) הצבת הדגם השלם לתוך הכבשן כדי לחוות את העומסים תרמית משתנה, ואת הטמפרטורה בו בו ניטור הלחץ יכול להיות מושגת על ידי ההפרש אורך הגל של שני מערכי FBG על סיבים אופטיים אחד; ו 4) ייצור...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
. למחברים אין מה לגלות
עבודה זו נתמכת על ידי הלאומי S & T מייג פרויקט של סין (ZX069).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| ABAQUS | דאסו סימולה | ABAQUS6.14-5 | התוכנה לביצוע סימולציה נומרית. |
| חיישני סורג סיבים בראג | Femto Fiber Tec | FFT. פ.ב.ג. S.00.02 | FBG |
| Fusion splicer | Furukawa Information Technologies and Telecommunications | S123M12 | קו מחברי ההיתוך של FITEL מספק פתרון מצוין ליישומי שחבור בשטח ובמפעל כאחד? |
| אבקת זכוכית | שנזן סיאלום חומרים מתקדמים ושות', בע"מ | LC-1 | סוג של אבקת זכוכית עם נקודת התכה נמוכה (380?). |
| תבנית גרפיט | סדנת עיבוד שבבי של אוניברסיטת Tsinghua | גרפיט | התבנית לאיתור כל חלק במבנה המתכת לזכוכית. |
| תנור חימום | טיאנג'ין Zhonghuan תנור חשמלי טכנולוגיה ושות', בע"מ | SK-G08123-L | תנור צינורי אנכי |
| Kovar מוליך | שנזן Thaistone טכנולוגיה ושות', בע"מ | 4J29 | חומר נפוץ המשמש לחדירה חשמלית במבנה חותם מתכת לזכוכית |
| חוקר אופטי | ווהאן גאוס אופטיקה ושות', בע"מ | OPM-T400 | FBG מודולי ניתוח ספקטרום |
| Pro/ מהנדס | תאגיד טכנולוגיה פרמטרית | PROE5.0 | התוכנה להקמת הגיאומטריה התלת מימדית. |
| מעטפת פלדה | בייג'ינג Xiongchuan טכנולוגיה ושות', בע"מ | 316 נירוסטה | סוג של נירוסטה אוסטניטית |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.