Summary
De belangrijkste procedures om het afdichtings proces te optimaliseren en de real-time bewaking van de MTGS-structuur (metaal-naar-glas afdichting) te realiseren, worden gedetailleerd beschreven. De embedded Fiber Bragg rooster (FBG) sensor is ontworpen om online monitoring van temperatuur en hoog niveau restspanning in de mtg's met gelijktijdige milieudruk monitoring te bereiken.
Abstract
Restspanning is een essentiële factor om de hermeticiteit en robuustheid van een glas-op-metaal afdichtings structuur te behouden. Het doel van dit verslag is om een nieuw protocol aan te tonen om de restspanning in een glas-op-metaal afdichtings structuur te karakteriseren en te meten zonder de isolatie en hermeticiteit van afdichtingsmaterialen te vernietigen. In dit onderzoek wordt een femto-Laser-ingeschreven Fiber Bragg-rooster sensor gebruikt. De te meten glas-op-metaal afdichtings structuur bestaat uit een metalen omhulsel, afdichtings glas en Kovar-geleider. Om de metingen de moeite waard te maken, wordt de specifieke warmtebehandeling van de MTGS-structuur (metaal-naar-glas afdichting) verkend om het model te verkrijgen met de beste hermeticiteit. Vervolgens wordt de FBG-sensor ingebed in het pad van het afdichtings glas en wordt deze goed gesmolten met het glas als de temperatuur afkoelt naar RT. De Bragg golflengte van FBG verschuift met de restspanning die wordt gegenereerd bij het afdichten van het glas. Om de restspanning te berekenen wordt de relatie tussen Bragg golflengte verschuiving en stam toegepast, en de eindige element methode wordt ook gebruikt om de resultaten betrouwbaar te maken. De online monitoring experimenten van restspanning in afdichtings glas worden uitgevoerd bij verschillende belastingen, zoals hoge temperatuur en hoge druk, om de functies van dit protocol in zware omgevingen te verbreden.
Introduction
Metaal-naar-glas afdichting is een geavanceerde technologie die interdisciplinaire kennis (d.w.z. mechanica, materialen en Elektrotechniek) combineert en op grote schaal wordt toegepast in de ruimtevaartindustrie1, nucleaire energie2en biomedische toepassingen 3. het heeft unieke voordelen zoals hogere temperatuur en druk uithoudingsvermogen in vergelijking met organische materiaal afdichting structuren. Volgens het verschil van de coëfficiënt van thermische expansie (CTE), MTG'S kunnen worden onderverdeeld in twee typen: matched Seal en Mismatched Seal4. Wat de gecompenseerde afdichting betreft, zijn de CTE van metaal (α-metaal) en afdichtings glas (α-glas) nagenoeg gelijk om de thermische belasting in afdichtingsmaterialen te verminderen. Om een goede hermeticiteit en mechanische robuustheid van de afdichtings structuur in zware omgevingen te behouden (d.w.z. hoge temperatuur en hoge druk), geeft de niet-overeenkomende afdichting betere prestaties dan de overeenkomende afdichting. Door het verschil tussen α-metaal en α-glasgenereert de restspanning in afdichtings glas na het GLOEIEN van de mtgs-structuur. Als de restspanning te groot is (zelfs de drempelwaarde overschrijdt), vertoont het afdichtings glas kleine defecten, zoals scheuren. Als de restspanning te klein is, verliest het afdichtings glas zijn hermeticiteit. Als gevolg hiervan is de waarde van restspanning een belangrijke meting.
Analyse van de restspanning in MTGS structuren heeft de onderzoeksbelangen van vele groepen over de hele wereld gewekt. Het numerieke model van axiale en radiale spanning werd gebouwd op basis van de dunne schaal theorie5. De eindige-element methode werd toegepast om de mondiale spanningsverdeling van een mtgs-structuur na het gloeien te verkrijgen, wat consistent was met de experimentele resultaten6,7. Vanwege beperkingen met betrekking tot geringe omvang en elektromagnetische interferentie zijn veel geavanceerde sensoren echter niet geschikt voor deze omstandigheden. De inkeping crack lengte methode werd gerapporteerd voor het meten van de restspanning in het afdichtingsmateriaal van MTG; echter, deze methode was destructief en kon niet bereiken real-time online controle van stress veranderingen in glas.
Fiber Bragg roosters (FBG) sensoren zijn klein van formaat (~ 100 μm) en bestand tegen elektromagnetische interferentie en zware omgevingen8. Bovendien zijn de componenten van de vezels vergelijkbaar met die van het afdichtings glas (SiO2), dus hebben FBG-sensoren geen invloed op de hermeticiteit en isolatie van het afdichtingsmateriaal. FBG-sensoren zijn toegepast op de residuele spanningsmeting in samengestelde structuren9,10,11, en de resultaten toonden aan dat het goede meetnauwkeurigheid en signaal respons vertoonde. Simultane temperatuur-en stress metingen kunnen worden gerealiseerd door Fiber Bragg roosters op één optische vezel12,13.
In deze studie wordt een nieuw protocol op basis van een FBG-sensor gedemonstreerd. De juiste voorbereiding voor de speciale MTGS-structuur is onderzocht door de maximale warmte temperatuur aan te passen om de goede hermeticiteit van de MTGS-structuur te garanderen. De FBG-sensor is ingebed in het bereide pad van het afdichtings glas om de FBG en het glas na de hittebehandeling samen te smelten. Vervolgens kan de restspanning worden verkregen door de Bragg golflengte verschuiving van de FBG. De MTGS-structuur met de FBG-sensor wordt geplaatst onder hoge temperaturen en hoge druk omgevingen om online monitoring van restspanning onder veranderende belastingen te bereiken. In deze studie worden de gedetailleerde stappen beschreven om een MTS-structuur met een FBG-sensor te produceren. De resultaten tonen de haalbaarheid van dit nieuwe protocol aan en vestigen de basis voor de mislukte diagnose van een MTGS-structuur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. productie van MTGS-structuur met goede hermeticiteit
Opmerking: de procedures voor MTGS-structuur omvatten de voorbereidingen voor componenten van de gecombineerde structuur, het warmtebehandelingsproces en examens voor de prestaties van MTGS-monsters. De volledige MTGS-structuur bestaat uit een stalen omhulsel, Kovar-geleider en afdichtings glas. Zie het diagram en de afmetingen weergegeven in respectievelijk afbeelding 1 en tabel 1 .
- Giet het gegranuleerde glas poeder (~ 1,1 g) in de mal en plaats de mal op de persmachine om het kristal glas te verwerken zoals afgebeeld in Figuur 2a, b.
- Schakel de persmachine in (druk op de rode knop) om het gegranuleerde glas in de glazen cilinder te comprimeren, zoals afgebeeld in Figuur 2c, d.
Opmerking: de dichtheids regeling van de glazen cilinder is belangrijk voor de prestaties van de MTGS-structuur, omdat te veel poriën in de glazen cilinder leiden tot falen van de hermeticiteit van de MTGS-structuur. - Plaats de glazen cilinder in de verwarmings oven om te worden gesinterd (Zie Figuur 3).
- De gesinterde glazen cilinder, stalen omhulsel en Kovar-geleider worden vervaardigd met een speciale grafiet pakking, zoals afgebeeld in Figuur 4. Plaats dit model op het kwarts septum in de verwarmings oven met behulp van een klauw voor warmtebehandeling (Zie Figuur 4). Houd de koelsnelheid als 0,5 °C/min om het breken van de glasvezel te voorkomen.
- Gebruik visuele inspectie om de oppervlaktetopografie van het afdichtings glas te identificeren na het ophalen van het model uit de verwarmings oven.
- Gebruik de Hogedrukleiding om de hermeticiteit van het MTGS-model te onderzoeken. Installeer het model op de pijpleiding door het type verbinding met de kaart huls. Verander langzaam de druk van 1 MPa naar 8 MPa, waarbij elke druk gedurende 24 uur wordt ingedrukt.
- Gebruik de scanning elektronen microscoop (SEM) om de microscopische interface tussen afdichtings glas en metalen onderdelen te identificeren, zoals afgebeeld in Figuur 5. Gebruik 15 kV en 500x vergroting om de interface duidelijk te observeren.
Opmerking: uit het macrografie onderzoek en de SEM-resultaten is de standaard maximale verwarmingstemperatuur ingesteld als 450 °C om het MTGS-model te verkrijgen met een goede hermeticiteit. De standaard verwarmings behandeling wordt als volgt gedefinieerd: Verhoog de temperatuur van (kamertemperatuur) RT tot 450 °C in stappen van 5 °C/min, en laat de temperatuur dalen tot RT als 0,5 °C/min.
2. residuele spanningsmeting in afdichtings glas
Opmerking: de FBG-sensor is ontworpen als een geschikte methode om de spanning in de MTG'S te meten. De rooster lengte van de FBG sensor is 5 mm, zodat deze overeenkomt met de hoogte van het glas (5 mm) goed.
- Comprimeer het gegranuleerde glas poeder in de glazen cilinder zoals beschreven in stap 1.1 – 1.2.
Let op: de hoogte van de glazen cilinder is belangrijk, want als de cilinder te hoog is (> 6 mm), zal het moeilijk zijn om een door pad te maken voor de FBG-sensor zonder het glas materiaal te vernietigen. - Boor de glazen cilinder met behulp van boor snelheid van 5.000 rpm om drie gelijkmatig verdeelde door-gaten te maken om paden voor optische vezel sensoren (diameter 0,45 mm) voor te bereiden. Sinter de glazen cilinder met gaten met dezelfde warmtebehandeling als afgebeeld in Figuur 4.
- Vervaardiging van het model MTGS zoals beschreven in stap 1,4. Plaats vervolgens de vezel door het pad in afdichtings glas en Positioneer het rooster gebied van de FBG precies in het glas.
Opmerking: omdat de stroom in de verticale oven het rooster gebied kan opblazen, wat leidt tot de verkeerde afstemming van FBG en glas, moet de staart van optische vezels worden opgehangen met een kleine nagel om de positie van FBG nauwkeurig te houden. - Smelt het hoofd van glasvezel met een FC-connector door de Fusion Splicers. Dan, overeenkomen met de FC connector met de OPM-T400, dat is een ondervrager voor het demoduleren van de golflengte gegevens en het spectrum van FBG. De OPM-T400 is aangesloten op een computer en de ondersteunende software op de computer kan experimentele gegevens verkrijgen.
- Het hele model in een oven verwerken door de eerder verkregen standaard warmtebehandeling. Verhoog de temperatuur van RT tot 450 °C als 5 °C/min, en laat de temperatuur dalen naar RT in stappen van 0,5 °C/min. Het Grill gebied wordt gesmolten met het afdichtings glas, omdat het wordt verhit om te smelten. Wanneer de temperatuur afkoelt tot RT, zal het glas stollen en zal de FBG-sensor goed worden gesmolten met het afdichtingsmateriaal.
- Noteer de realtime Bragg-golflengte gegevens met behulp van de software (weergegeven in Figuur 6). De enige factor die veranderingen van golflengte en spectrum inducerende is de restspanning die wordt gegenereerd in afdichtings glas, omdat de temperatuur vóór en na deze stap zowel RT is.
Opmerking: de restspanning kan worden berekend via de strain-golflengte relatie van FBG14 en de wet van Hook, zoals hieronder weergegeven.
Waar: de δλb is de door de restspanning geïnduceerde Bragg-golflengte verschuiving, λB is de initiële golflengte van FBG, Pe is de stam-optische coëfficiënt, ε is de residuele spanning in het glas, E is de jonge modulus van afdichtings glas, en σ is de restspanning in het glas.
3. voorkomen van het falen van MTGS structuur onder hoge temperatuur
Let op: bij het werken op hoge temperatuur zal de hermeticiteit van de MTGS structuur worden aangetast, omdat de thermische expansie van de stalen ketel leidt tot de afname van de restspanning in afdichtings glas. Het is dus mogelijk dat dit protocol het falen van de hermeticiteit kan voorkomen als gevolg van de online monitoring van rest stress verandering in afdichtings glas.
- Vervaardiging van het model MTGS zoals gedaan in stap 1,4. Het type FBG om de temperatuur en stress tegelijkertijd te bewaken, is de Fiber Bragg rooster array sensor, inclusief twee rooster gebieden op één vezel, met een afstand van 10 mm tussen deze twee sensoren.
Opmerking: deze twee roosters worden gedefinieerd als FBG-1 en FBG-2. De initiële Bragg golflengten van FBG-1 en FBG-2 zijn respectievelijk 1545 nm en 1550 nm. - Plaats FBG-1 in de gesinterde glazen cilinder om de stress en temperatuur te bewaken. Plaats FBG-2 buiten het glas om de temperatuur alleen te bewaken, zoals weergegeven in figuur 7A, b. Op deze manier wordt FBG-1 beïnvloed door zowel de temperatuur als de residuele stress verandering, en FBG-2 wordt alleen beïnvloed door de temperatuur van het afdichtings glas.
- Plaats het MTGS-model met glasvezel in de oven zoals beschreven in stap 2.2 – 2.3. Gebruik de standaard warmtebehandeling om het MTGS-model te verwerken met een embedded FBG-sensor.
- Opleggen van temperaturen van 100 °C, 200 °C, 300 °C en 400 °C op het model en houden elke temperatuur voor 100 min.
Opmerking: FBG-1 bewaakt de spanning en temperatuur gelijktijdig uitgedrukt als de Bragg golflengte verschuiving Δλb-1, en FBG-2 bewaakt de temperatuurverandering door δλb-2 , zoals afgebeeld in Figuur 8a, B. De relaties tussen Bragg golflengte verschuiving en gemeten parameters worden als volgt weergegeven:
Waar: is de Thermo-optische coëfficiënt, α thermische expansie coëfficiënt van optische vezels, en Δt is temperatuurverandering voor en na het experiment. De δλb-3 , geïnduceerd door restspanning, kan worden gescheiden door δλb-1 af te trekken van δλb-2 (Zie figuur 8c). Dit is de demodulatie methode voor gelijktijdige temperatuur en stress bewaking van afdichtings glas bij hoge temperaturen.
4. bewaking van hoge druk
Opmerking: de drukbelastingen op de MTGS-structuur zullen effecten hebben op de restspanning in afdichtings glas, dus het MTGS-model met de embedded FBG-sensor is een mogelijke methode om de hoge drukverandering te bewaken.
- Bereid hetzelfde MTGS-model met de FBG-sensor zoals beschreven in stap 2.2 – 2.3. Nadat de FBG is goed gefuseerd met MTGS model, gebruik maken van de klauw te nemen van het model uit de oven.
- Fabriceer het MTGS-model met de FBG-sensor op een helium pijpleiding met hoge druk door de beet type Buisfittingen zoals afgebeeld in Figuur 9. Stel de druk van 1 MPa in op 7 MPa door druk de klep te verlagen om wisselende drukbelastingen op de afdichtings structuur op te leggen.
- De Bragg golflengte-verschuiving δλB wordt opgenomen zoals afgebeeld in Figuur 10. Tegelijkertijd kan de gerelateerde residuele stress verandering worden berekend met behulp van vergelijking 1 en vergelijking 2.
5. theoretische analyse van de MTGS-structuur
- Gebruik de modellerings software om het 3D-model voor MTGS-structuur te bouwen en de afmetingen worden uit tabel 1 gehaald om het experimentele model en het theoretische model consistent te houden.
- Importeer het 3D-model in de eindige-elementanalyse software. Wijs mechanische eigenschappen toe aan de stalen schaal, het afdichtings glas en de Kovar-geleider, zoals weergegeven in tabel 2.
- Het raster type van het hele model is hex-vorm (Zie Figuur 11). De mesh-methode van het afdichtings glas en de stalen schaal zijn sweep en de Kovar-geleider wordt met een gestructureerde methode fijnmazig. Verfijn het gaas van het afdichtings glas om de nauwkeurigheid van theoretische resultaten te garanderen. Het Elements-nummer van de Kovar-geleider, het afdichtings glas en de stalen schaal zijn respectievelijk 143700, 20350 en 13400.
- Stel de initiële verhoging, minimale toename en maximale toename van de statische analyse stap in op respectievelijk 0,01, 1,00 x 10-8 en 1,00 x 10-2.
- Zorg ervoor dat de interfaces tussen het afdichtings glas en de metalen delen worden begrensd. In de eerste plaats legt u de veranderende temperatuur belasting (van 370 °C tot 20 °C) op om de voortgang van het MTGS-model te simuleren. De spanningsverdeling na dit proces wordt weergegeven in Figuur 12.
- Opleggen van verschillende temperaturen (van 100 °C tot 400 °C) op het hele model om de online monitoring experimenten onder thermische belasting te simuleren. Onder de andere omstandigheid worden de drukbelastingen (van 1 MPa tot 7 MPa) op het afdichtings glas opgelegd om de online bewaking onder hoge druk te simuleren. De randvoorwaarden worden weergegeven in Figuur 13.
- De numerieke resultaten van de spanning en de verdeling van de stam van het hele model worden verkregen uit het bestemmingsbestand zoals weergegeven in Figuur 14. Extraheer het analyse traject in het in Figuur 13getoonde afdichtings glas, waarvan de positie het meetpad is voor FBG-sensoren in Figuur 6a om de meetresultaten van FBG te vergelijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Uit de resultaten van Figuur 5wordt de standaard warmtebehandeling om de mtgs-modellen met een hoge druk uithoudingsvermogen te produceren verkend, en de modellen kunnen voldoen aan de onderzoeken (d.w.z. licht overbrengingen, druk uithoudingsvermogen, SEM, enz.). Zo kan de geproduceerde MTGS-structuur worden toegepast om hermeticiteit in ruwe omgevingen te houden.
De FBG kan goed worden gefuseerd met MTGS-structuur, en de restspanning in afdichtings glas zal worden gereflecteerd door Bragg-golflengte verschuiving na de hittebehandeling, zoals weergegeven in Figuur 6. De waarde van restspanning kan nauwkeurig worden berekend met vergelijking 1 en vergelijking 2. Het is bijna hetzelfde als de resultaten van de numerieke simulatie in Figuur 12.
De real-time stress veranderingen van het afdichtings glas van 100 °C tot 400 °C worden nauwkeurig gecontroleerd door de FBG-sensor zoals weergegeven in Figuur 8, en de afname van de restspanning in afdichtings glas kan ogenblikkelijk worden weerspiegeld. Het is noodzakelijk om de restspanning op een hoog niveau te houden. Hierdoor kunnen de voor zorgen om de hermeticiteit van de MTGS-structuur te behouden met dit protocol worden bereikt.
Uit de resultaten van Figuur 10worden de real-time stress veranderingen van het afdichtings glas van 1 MPa tot 7 MPA gevoelig gecontroleerd, wat een goede consistentie met de numerieke resultaten handhaaft. Daarom is het MTGS-model met embedded FBG-sensor een potentiële sensor voor het bewaken van hoge drukveranderingen.
Figuur 1: Schematisch diagram van de MTGS-structuur.
Drie componenten zijn gelabeld. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: fabricageproces voor glazen cilinder.
a) het afdichtings glas met een laag smeltpunt met korrels. b) de mal voor glas poeder. c) druk op de machine om glas poeder in de cilinder te verwerken. d) de voor sinteren bereide glazen cilinder. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: gesinterde glazen cilinder en aanverwante sinter behandeling.
Na het sinter proces zal het ruwe glas materiaal in de gesinterde toestand veranderen voor verder proces. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4: MTGS structuur en warmtebehandeling om MTGS structuur te verwerken.
a) de vervaardigde mtgs-structuur. b) de gedetailleerde warmtebehandeling die is onderverdeeld in drie fasen volgens wijzigingen van het afdichtingsmateriaal. c) het door de warmtebehandeling geproduceerde mtgs-monster. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5: SEM en visuele inspectie van de MTGS-monsters die met verschillende uitvoeringen zijn geproduceerd.
a) microstructuur van afdichtings glas en stalen omhulsel met goede hermeticiteit. b) microstructuur van het afdichtings glas en de Kovar-geleider met een goede hermeticiteit. c) microstructuur van afdichtings glas en stalen omhulsel met mislukte hermeticiteit. d) microstructuur van het afdichtings glas en de Kovar-geleider met mislukte hermeticiteit. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 6: restspanning gemeten door FBG.
a) opstelling van de FBG-elektrode in het afdichtings glas. b) Bragg-golflengte curve tijdens het afdichtings proces met golflengte verschuiving die staat voor restspanning in het afdichtings glas. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 7: gelijktijdige temperatuur-en stress bewaking van MTGS-structuur door FBG-arrays.
a) foto van de verwarmings oven. b) foto van het in de oven geplaatste mtgs-monster. (c) opzetten van het online State Monitoring experiment onder thermische belasting. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 8: online monitoringresultaten onder thermische belasting.
a) het signaal dat wordt beïnvloed door stress en temperatuurverandering. b) het temperatuur bewakings signaal. c) het signaal van de stress bewaking. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 9: online bewaking onder drukbelastingen.
a) foto van de Hogedrukleiding. b) het opzetten van het online State Monitoring experiment onder drukbelasting.
Figuur 10: online State Monitoring resultaat van femto-Laser ingeschreven FBG onder drukbelasting.
De golflengte van de FBG-sensor neemt bijna lineair af met de druk die toeneemt. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 11: gaas van de MTGS-structuur met verfijning van het afdichtings glas.
Het gaas van buitenaf naar binnen is respectievelijk de stalen schil, het afdichtings glas en de Kovar-geleider.
Figuur 12: numerieke simulatie van de MTGS-structuur na het fabricageproces.
a) axiale spanning en (b) radiale spannings vector grafiek van het afdichtings glas. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 13: grenswaarden voor online monitoring onder thermische en drukbelastingen en het berekenen van paden.
De thermische belastingen veranderen van 100 °C tot 400 °C. De drukbelastingen veranderen van 1 MPa naar 7 MPa. Het axiale pad is precies de meetpositie van FBG in afdichtings glas. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Afbeelding 14: de versie van software met bestemmings bestanden.
De speciale resultaten (d.w.z. stress, spanning, enz.) kunnen uit deze interface worden geëxtraheerd. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
| Afmetingen (mm) | Stalen ketel | Afdichtings glas | Kovar-geleider |
| Inwendige diameter | 7 | 2,5 | 0 |
| Uitwendige diameter | 10 | 7 | 2,5 |
| Hoogte | 20 | 5 | 30 |
Tabel 1: afmetingen van de MTGS-structuur.
| Parameters | Stalen ketel | Afdichtings glas | Kovar-geleider |
| Yong-modulus (GPa) | 183 | 56,5 | 157 |
| Poisson-ratio | 0,3 | 0,25 | 0,3 |
| Thermische expansie coëfficiënt (1/°C) | 1,6 × 10-5 | 8,9 × 10-6 | 4,9 × 10-6 |
Tabel 2: mechanische eigenschappen van MTGS-structuur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De kritische stappen voor de stress meting van afdichtingsmateriaal van MTGS-structuur bij hoge temperatuur en hoge druk omvatten 1) vervaardiging van de MTGS-modellen met de FBG-sensor, waarvan het rooster gebied zich midden in het afdichtings glas bevindt; 2) verwarmen van het hele model met behulp van een standaard warmtebehandelingsproces, en nadat het model afkoelt naar RT, wordt de FBG-sensor goed gefuseerd met MTGS-model, en de restspanning kan worden gemeten met de Bragg golflengte verschuiving; 3) het plaatsen van het complete model in de oven om de veranderende thermische belastingen te ervaren, en de online gelijktijdige temperatuur-en stress bewaking kan vervolgens worden bereikt door het verschil in golflengte verschuiving van de twee FBG-arrays op één optische vezel; en 4) vervaardiging van het complete model op een hogedruk pijpleiding, en de spannings verandering van het afdichtings glas met de wisselende druk zal worden verkregen door één enkele FBG in afdichtings glas. De belangrijkste stap is om de kale FBG nauwkeurig in het afdichtings glas te laten liggen.
Het vergelijken van de experimentele en numerieke resultaten, de gemeten axiale restspanning (56 MPa) is bijna hetzelfde als de theoretische waarde (53 MPa), en de resterende stress verandering tijdens de online monitoring experimenten onder thermische en drukbelastingen zijn het eens met de simulatieresultaten, met een afwijking van minder dan 10%. Dit protocol is bewezen haalbaar en nauwkeurig door middel van FEM.
In de toekomst kan dit protocol worden gebruikt voor het meten van grootschalige belasting in een MTGS-structuur met hoog smeltpunt-afdichtings glas (880 °C). Het belangrijkste probleem in dit experiment is de temperatuurbestendigheid van de FBG-sensor, zodat het type II-rooster, ingeschreven door femto-Laser Point-to-Point-methode, kan worden toegepast op15.
Uit de resultaten van Fem, de verdeling van de stam in afdichtings glas is niet-uniform, wat betekent dat de rooster van FBG zal worden getand en het spectrum verbreed, duidelijk beïnvloed door de stam16. In de volgende stappen moet de relatie tussen de bandbreedte van FBG en de verdeling van de stam worden bestudeerd, die kan dienen als een nieuwe karakterisering om een typische, niet-uniforme stam te identificeren die wordt geïnduceerd door kleine scheuren en andere schade op het gebied van structurele gezondheidsmonitoring17,18,19.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd gesteund door het nationale S & T grote project van China (ZX069).
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 |
References
- Alves, F. J., Baptista, A. M., Marques, A. T. Metal and ceramic matrix composites in aerospace engineering. Advanced Composite Materials for Aerospace Engineering. , 59-99 (2016).
- Dai, S., et al. Sealing Glass-Ceramics with Near Linear Thermal Strain, Part I: Process Development and Phase Identification. Journal of the American Ceramic Society. 99 (11), 3719-3725 (2016).
- Karmakar, B. Glasses and glass-ceramics for biomedical applications. Functional Glasses and Glass-Ceramics. , 253-280 (2017).
- Shekoofa, O., et al. Analysis of residual stress for mismatch metal–glass seals in solar evacuated tubes. Solar Energy Materials and Solar Cells. 128, 421-426 (2014).
- Lei, D., Wang, Z., Li, J. The calculation and analysis of glass-to-metal sealing stress in solar absorber tube. Renewable Energy. 35 (2), 405-411 (2010).
- Lei, D., Wang, Z., Li, J. The analysis of residual stress in glass-to-metal seals for solar receiver tube. Materials & Design. 31, 1813-1820 (2010).
- Dai, S., et al. Sealing glass-ceramics with near-linear thermal strain, part III: Stress modeling of strain and strain rate matched glass-ceramic to metal seals. Journal of the American Ceramic Society. 100 (8), 3652-3661 (2017).
- Hill, K. O., Meltz, G. Fiber Bragg grating technology fundamentals and overview. Journal of Lightwave Technology. 15 (8), 1263-1276 (1997).
- Prussak, P., et al. Evaluation of residual stress development in FRP-metal hybrids using fiber Bragg grating sensors. Production Engineering - Research and Development. 12, 259-267 (2018).
- Hu, H., et al. Investigation of non-uniform gelation effects on residual stresses of thick laminates based on tailed FBG sensor. Composite Structures. 202, 1361-1372 (2018).
- Colpo, F., Humbert, L., Botsis, J. Characterisation of residual stresses in a single fibre composite with FBG sensor. Composites Science & Technology. 67 (9), 1830-1841 (2007).
- Jin, L., et al. An embedded FBG sensor for simultaneous measurement of stress and temperature. IEEE Photonics Technology Letters. 18 (1), 154-156 (2005).
- Sampath, U., et al. Polymer-coated FBG sensor for simultaneous temperature and strain monitoring in composite materials under cryogenic conditions. Applied Optics. 57 (3), 492-497 (2018).
- Kersey, A., et al.
- Mihailov, S. J. Fiber Bragg Grating Sensors for Harsh Environments. Sensors. 12 (12), 1898-1918 (2012).
- Morey, W. W., Meltz, G., Weiss, J. M. Recent advances in fiber-grating sensors for utility industry applications. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. , 90-98 (1996).
- Jin, X., Yuan, S., Chen, J. On crack propagation monitoring by using reflection spectra of AFBG and UFBG sensors. Sensors and Actuators A: Physical. 285, 491-500 (2019).
- Kakei, A., et al. Evaluation of delamination crack tip in woven fibre glass reinforced polymer composite using FBG sensor spectra and thermo-elastic response. Measurement. 122, 178-185 (2018).
- Zhang, W., et al. The Analysis of FBG Central Wavelength Variation with Crack Propagation Based on a Self-Adaptive Multi-Peak Detection Algorithm. Sensors. 19 (5), 1056 (2019).
