Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
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.
- יוצקים את אבקת זכוכית מגורען (~ 1.1 g) לתוך העובש, ואז למקם את העובש על מכונת העיתונות כדי לעבד את הזכוכית מגורען כפי שמוצג באיור 2א, ב.
- הפעל את מכונת העיתונות (ללחוץ על הכפתור האדום) כדי לדחוס את הזכוכית מגורען לתוך גליל זכוכית כפי שמוצג באיור 2c, d.
הערה: בקרת צפיפות של גליל זכוכית חשוב הביצועים של מבנה MTGS כי נקבוביות רבות מדי בצילינדר זכוכית יוביל כישלון הרמבוליות של מבנה MTGS. - מניחים את גליל הזכוכית לתוך התנור חימום להיות שניקולס (ראה איור 3).
- גליל זכוכית שניקולס, פגז פלדה, מנצח Kovar מיוצרים עם אטם גרפיט מיוחד, כפי שמוצג באיור 4. מניחים את הדגם על מחיצת הקוורץ בתוך תנור החימום באמצעות טופר לטיפול בחום (ראו איור 4). שמור את שיעור הקירור כמו 0.5 ° צ'/מינימום כדי למנוע שבירת סיבים אופטיים.
- השתמשו בבדיקה חזותית כדי לזהות את הטופוגרפיה של פני השטח של זכוכית איטום לאחר אחזור הדגם מתנור החימום.
- השתמש בצינור הלחץ הגבוה כדי לבחון את הרמבוליות של מודל MTGS '. התקן את המודל על הצינור על ידי סוג שרוול כרטיס משותף. שינוי איטי של הלחץ מ-1 MPa ל-8 MPa, המחזיק כל לחץ במשך 24 שעות.
- השתמש במיקרוסקופ אלקטרון לסרוק (SEM) כדי לזהות את הממשק המיקרוסקופי בין זכוכית איטום חלקי מתכת כמוצג באיור 5. השתמש 15 kV ו 500x ההגדלה כדי להתבונן בממשק בבהירות.
הערה: מבדיקת המקרו-גרפיה ותוצאות ה-SEM, טמפרטורת החימום המקסימלית הסטנדרטית מוגדרת כ-450 ° c כדי להשיג את דגם MTGS עם הרמבוליות טובה. הטיפול בחימום סטנדרטי מוגדר כדלקמן: להגדיל את הטמפרטורה מ (טמפרטורת החדר) RT כדי 450 ° c בהפרשים של 5 ° צ'/מינימום, ואז לשחרר את הטמפרטורה כדי RT כמו 0.5 ° c/min.
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.
- דחס אבקת זכוכית מגורען לתוך גליל זכוכית כמתואר בשלבים 1.1 – 1.2.
הערה: הגובה של גליל זכוכית חשוב, כי אם גליל הוא גבוה מדי (> 6 מ"מ), זה יהיה קשה לעשות דרך הנתיב עבור חיישן FBG מבלי להרוס את החומר זכוכית. - מקדחה גליל זכוכית באמצעות מהירות מקדחה של 5,000 rpm לייצר שלושה במרווחים שווה דרך-חורים כדי להכין נתיבים עבור חיישני סיבים אופטיים (קוטר 0.45 מ"מ). דיבקוק גליל זכוכית עם חורים באמצעות אותו טיפול בחום כפי שמוצג באיור 4.
- מייצרים את המודל של MTGS כפי שמתואר בשלב 1.4. ואז, לשים את הסיבים דרך הנתיב באיטום זכוכית ולמקם את האזור סורגים של FBG בדיוק בתוך הזכוכית.
הערה: מכיוון שזרימת התנור האנכי יכולה לפוצץ את אזור הסורגים, אשר מוביל לחוסר התאמה של FBG וזכוכית, זנב של סיבים אופטיים חייב להיות תלוי עם מסמר קטן כדי לשמור על המיקום של FBG מדויק. - הפתיל הראשי של סיבים אופטיים עם מחבר FC על ידי מיזוג היתוך. לאחר מכן, התאם את מחבר ה-FC עם OPM-T400, שהוא חוקר כדי לדמות את נתוני אורך הגל ואת הספקטרום של FBG. OPM-T400 מחובר למחשב, והתוכנה התומכת במחשב יכולה להשיג נתונים ניסיוניים.
- לעבד את הדגם כולו בכבשן על ידי טיפול חום סטנדרטי שהושג בעבר. העלאת הטמפרטורה מ-RT ל-450 ° צ' כ-5 ° צ'/מינימום, ואז הפל את הטמפרטורה ל-RT בהפרשים של 0.5 ° c/min. אזור הסורגים יהיה התמזגו עם זכוכית איטום כפי שהוא מחומם להמיס. כאשר הטמפרטורה מתקררת RT, הזכוכית יהיה לחזק את חיישן FBG יהיה התמזגו היטב עם חומר איטום.
- להקליט את הנתונים בזמן אמת בראג באמצעות התוכנה (מוצג באיור 6). הגורם היחיד לגרימת שינויים של אורך הגל והספקטרום הוא המתח השאריות שנוצר זכוכית איטום, כי הטמפרטורה לפני ואחרי שלב זה הוא גם RT.
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.
- מייצרים את המודל של MTGS ' י כפי שנעשה בשלב 1.4. סוג ה-FBG לניטור הטמפרטורה והלחץ בו זמנית הוא חיישן מערך פומפיה של בראג, כולל שני אזורים פומפיה על סיב אחד, עם מרחק של 10 מ"מ בין שני החיישנים האלה.
הערה: שתי הפומפיה הללו מוגדרות כ-FBG-1 ו-FBG-2. אורכי גל בראג הראשונית של FBG-1 ו-FBG-2 הם 1545 ננומטר ו 1550 ננומטר, בהתאמה. - מקום FBG-1 לתוך גליל זכוכית שניקולס כדי לפקח על הלחץ והטמפרטורה. במקום FBG-2 מחוץ לזכוכית כדי לעקוב אחר הטמפרטורה בלבד, כפי שמוצג באיור 7a, b. בדרך זו, FBG-1 מושפע הן טמפרטורה שיורית שינוי הלחץ, ו FBG-2 מושפע רק על ידי הטמפרטורה של איטום זכוכית.
- מניחים את מודל MTGS עם סיבים אופטיים בתנור כמתואר בשלבים 2.2 – 2.3. השתמש בטיפול התרמי הסטנדרטי כדי לעבד את מודל MTGS עם חיישן FBG מוטבע.
- כופה טמפרטורות של 100 ° c, 200 ° c, 300 ° c, 400 ו-° c על הדגם ולהחזיק כל טמפרטורה עבור 100 דקות.
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.
- הכן את אותו דגם MTGS עם חיישן FBG כמתואר בשלב 2.2 – 2.3. לאחר FBG הוא התמזגו היטב עם דגם MTGS השתמש בטופר כדי להוציא את המודל מתוך הכבשן.
- מייצרים את המודל MTGS עם חיישן FBG על צינור הליום בלחץ גבוה על ידי אביזרי שפופרת סוג נשיכה כפי שמוצג באיור 9. להתאים את הלחץ מ 1 MPa כדי 7 MPa על ידי הלחץ הפחתת שסתום להטיל העומס הלחץ על מבנה איטום.
- משמרת בראג אורך הגל ΔλB נרשם כמוצג באיור 10. במקביל, ניתן לחשב את השינוי הקשור במתח שיורית באמצעות משוואה 1 ומשוואה 2.
5. אנליזה תאורטית של מבנה MTGS טג
- השתמש בתוכנת המידול כדי לבנות דגם תלת-ממד למבנה MTGS והממדים נלקחים מטבלה 1 כדי לשמור על המודל הנסיוני והמודל התיאורטי בעקביות.
- יבא את דגם התלת-ממד לתוכנת ניתוח הרכיבים הסופיים. הקצאת תכונות מכניות למעטפת הפלדה, איטום זכוכית ומנצח Kovar, כפי שמוצג בטבלה 2.
- סוג הרשת של המודל כולו הוא צורת הקסדצימאלי (ראה איור 11). שיטת השינוי של זכוכית האיטום ומעטפת הפלדה מטאטאת, ומנצח הקובאר מוצריף על ידי שיטה מובנית. מקד את רשת איטום זכוכית כדי להבטיח את הדיוק של התוצאות התיאורטי. מספר האלמנטים של מנצח Kovar, זכוכית איטום מעטפת פלדה הם 143700, 20350, ו 13400, בהתאמה.
- הגדר את התוספת ההתחלתית, התוספת המינימלית והתוספת המירבית של שלב הניתוח הסטטי כ0.01, 1.00 x 10-8 ו-1.00 x 10-2, בהתאמה.
- ודא שהממשקים בין הזכוכית האיטום לבין חלקי המתכת מוגבלים. ראשית, להטיל את עומס הטמפרטורה המשתנה (מ 370 ° צלזיוס עד 20 ° c) כדי לדמות את ההתקדמות מיצוק של מודל MTGS '. חלוקת המתח לאחר תהליך זה מוצגת באיור 12.
- להטיל טמפרטורות שונות (מ 100 ° צ' עד 400 ° c) על המודל כולו כדי לדמות את הניסויים ניטור מקוון תחת עומסים תרמית. תחת הנסיבות האחרות, שינוי עומסים הלחץ (מ 1 MPa כדי 7 MPa) מוטלות על זכוכית איטום כדי לדמות את הניטור המקוון תחת לחץ גבוה. תנאי הגבול מוצגים באיור 13.
- התוצאות המספרי של מתח והפצת המתח של המודל כולו מתקבלים מקובץ היעד המוצג באיור 14. לחלץ את נתיב הניתוח בזכוכית איטום המוצג באיור 13, אשר המיקום הוא נתיב ניטור עבור חיישנים fbg באיור 6a כדי לספק השוואה עם תוצאות מדידה על ידי fbg.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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 שיורית באמצעות משוואה 1 ומשוואה 2. הוא כמעט זהה לתוצאות ההדמיה הנומרית באיור 12.
שינויי מתח בזמן אמת של איטום זכוכית מ-100 ° c עד 400 ° c מנוטרים בדיוק על ידי חיישן FBG המוצג באיור 8, ואת הירידה של מתח שיורית באיטום זכוכית יכול להיות משתקף בצורה מיידי. יש צורך לשמור על מתח שיורית ברמה גבוהה. כתוצאה מכך, ניתן להשיג את הpreventions לשמור על הרמבוליות של מבנה MTGS באמצעות פרוטוקול זה.
מתוך התוצאות של איור 10, שינויי המתח בזמן אמת של איטום זכוכית מ-1 mpa ל -7 mpa מנוטרים רגישות, אשר שומרת על עקביות טובה עם התוצאות המספריות. לכן, מודל MTGS עם חיישן FBG מוטבע הוא חיישן פוטנציאלי עבור ניטור שינוי בלחץ גבוה.
איור 1: דיאגרמת סכמטית של מבנה ה-MTGS '.
שלושה רכיבים מתויגים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: תהליך הייצור עבור גליל זכוכית.
(א) הגורען הנמוך ההיתוך נקודת איטום זכוכית. (ב) העובש לאבקת זכוכית. (ג) מכונת לחץ כדי לעבד אבקת זכוכית לתוך גליל. (ד) הגליל זכוכית מוכן לחימום. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: גליל זכוכית שניקולס וטיפול הדיבקוק הקשורים.
לאחר תהליך הדיבקוק, חומר הזכוכית הגולמית יהפוך למצב שניקולס לתהליך נוסף. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: מבנה mtgs וטיפול בחום לעיבוד מבנה MTGS '.
(א) מבנה mtgs ' מיוצר. (ב) טיפול בחום מפורט המחולק לשלושה שלבים בהתאם לשינויי חומר איטום. (ג) דגימת mtgs המיוצר על ידי טיפול החום. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: SEM ו בדיקה חזותית של הדגימות MTGS ' י המיוצר עם הופעות שונות.
(א) מיקרובנהו של איטום זכוכית וקליפת פלדה עם הרמבוליות טובה. (ב) מיקרומבנה של איטום זכוכית ומנצח kovar עם הרמבוליות טובה. (ג) מיקרובנהו של איטום זכוכית ומעטפת פלדה עם הרמבוליות כושלת. (ד) מיקרובנהו של איטום זכוכית ומנצח kovar עם הרמבוליות כושלת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: מתח שיורית נמדד על ידי FBG.
(א) הגדרת חיישן fbg בזכוכית איטום. (ב) עקומת גל בראג במהלך תהליך האיטום עם משמרת גל בעמידה לצורך שיורית לחץ בזכוכית איטום. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 7: טמפרטורה בו ניטור מתח של מבנה MTGS מערכי FBG.
(א) תצלום של תנור החימום. (ב) צילום של דגימת mtgs הממוקמת בכבשן. (ג) הגדרת הניסוי המקוון לניטור המדינה תחת עומס תרמי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 8: תוצאות ניטור מקוונות תחת עומסים תרמיים.
(א) האות המושפע ממתח ושינוי בטמפרטורה. (ב) אות ניטור הטמפרטורה. (ג) אות ניטור הלחץ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 9: ניטור מקוון תחת עומסים לחץ.
(א) צילום של צינור הלחץ הגבוה. (ב) הגדרת הניסוי המקוון לניטור המדינה תחת עומס הלחץ.
איור 10: תוצאת ניטור המצב המקוון של לייזר עם כתוב FBG בלייזר תחת עומס הלחץ.
אורך הגל של חיישן FBG פוחתת כמעט ליניארי עם הלחץ גובר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 11: רשת המבנה של מבנה MTGS עם עידון של זכוכית איטום.
הרשת מבחוץ לפנים היא בהתאמה קליפת הפלדה, זכוכית איטום ומנצח Kovar.
איור 12: הדמיה נומרית של מבנה MTGS לאחר תהליך הייצור.
(א) מתח צירית ו (ב) וקטור הלחץ הרדיאלי של זכוכית איטום. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 13: תנאי הגבול לניטור מקוון תחת עומס תרמי ולחץ וחישוב נתיבים.
העומסים התרמיים משתנים מ-100 ° צ' עד 400 ° c. טעינת הלחץ העודף מ-1 MPa ל -7 MPa. הנתיב הצירי הוא בדיוק מיקום המדידה של FBG בזכוכית איטום. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 14: גירסת התוכנה עם קבצי היעד.
התוצאות המיוחדות (כלומר, מתח, מאמץ, וכו ') ניתן לחלץ מממשק זה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
| מידות (mm) | פגז פלדה | זכוכית אטימה | מנצח קובאר |
| קוטר פנימי | 7 | 2.5 | 0 |
| קוטר חיצוני | 10 | 7 | 2.5 |
| גובה | 20 | מיכל 5 | 30 |
שולחן 1: מימדים של מבנה MTGS '.
| פרמטרים | פגז פלדה | זכוכית אטימה | מנצח קובאר |
| המודולולוס של יונג (ממוצע ציונים) | 183 | 56.5 | 157 |
| יחס פואסון | 0.3 | 0.25 | 0.3 |
| מקדם הרחבה תרמית (1/° c) | 1.6 × 10-5 | 8.9 × 10-6 | 4.9 × 10-6 |
שולחן 2: תכונות מכניות של מבנה MTGS '.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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 של המודל השלם על צינור בלחץ גבוה, ואת שינוי הלחץ של איטום זכוכית עם הלחץ המשתנה יתקבל על ידי FBG אחד בודד בזכוכית איטום. הצעד החשוב ביותר הוא לשמור על FBG חשופים הממוקם במדויק זכוכית איטום.
השוואת התוצאות הנסיוניות והמספריים, שרידי המתח הנמדד (56 MPa) הוא כמעט זהה לערך התיאורטי (53 MPa), ושרידי שאריות המתח במהלך ניסויי הניטור המקוונים תחת העומסים תרמית והלחץ מסכימים עם תוצאות ההדמיה, עם סטייה של פחות מ -10%. פרוטוקול זה הוכח להיות ריאלי ומדויק באמצעות הפמ.
בעתיד, פרוטוקול זה יכול לשמש כדי למדוד זן בקנה מידה גדול במבנה MTGS עם נקודת התכה גבוהה איטום זכוכית (880 ° c). הנושא העיקרי בניסוי זה הוא סיבולת טמפרטורה של חיישן FBG, כך הסוג השני פומפיה כתוב על ידי שיטת לייזר נקודה לנקודה למטרה ניתן להחיל15.
מתוך התוצאות של פמ, התפלגות המתח בזכוכית איטום היא לא אחידה, כלומר הסורגים של FBG יהיה מציץ ואת הספקטרום הרחיבה, מושפע בבירור על ידי זן16. בשלבים הבאים, הקשר בין רוחב הפס של FBG לבין התפלגות המתח יש לחקור, אשר יכול לשמש כאפיון הרומן כדי לזהות אופייני, לא אחיד הנגרמת על ידי סדקים קטנים ונזק נוסף בתחום המבני בריאות ניטור17,18,19.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
. למחברים אין מה לגלות
Acknowledgments
עבודה זו נתמכת על ידי הלאומי S & T מייג פרויקט של סין (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).
