Прочные связи между материалами для воздухонепроницаемых или герметичных уплотнений имеют решающее значение, и Sandia National Laboratories продолжает совершенствовать методы этого.
Обычно материал, используемый для изоляции электрических путей, представляет собой стекло или стеклокерамический композит. Работа Стива Дая, главного исследователя проекта по приклеиванию стеклокерамики к нержавеющей стали, направлена на развитие фундаментальной науки в области материалов и обработки для получения высокоэффективных и высоконадежных уплотнений стекло-керамика-металл. Затем этот научный фундамент может быть использован при проектировании, разработке и производстве уплотнений следующего поколения.
Команда Дая подала предварительную заявку на патент в ноябре на оксиды межфазного связывания для уплотнений стеклокерамика-металл.
Для прочного уплотнения требуется прочная химическая связь между стеклокерамикой и металлом и близкое соответствие коэффициента теплового расширения (КТР) материалов. CTE определяет, как размер объекта изменяется при изменении температуры.
Стеклокерамика с кристаллическими фазами, образованными внутри исходного стекла, увеличивает КТР, чтобы лучше соответствовать металлическому корпусу и снизить термические напряжения.
Поскольку связанное стекло-металл должно обрабатываться при очень высоких температурах, «нам необходимо очень тщательно управлять тепловым несоответствием, чтобы на любом этапе процесса герметизации убедиться, что на стекле нет растягивающего напряжения или напряжения, которое может вызвать трещину или неустранимое расслоение. из металлического корпуса ", — сказал Дай.
Рассмотрены потенциальные возможности промышленного использования
Уплотнение, прочное при высоких температурах и давлениях, также имеет потенциальное промышленное применение, например, в топливных элементах, в аэрокосмической или оборонной промышленности, которые работают в экстремальных условиях.
Чистое стекло меньше дает усадку при высоких температурах, чем металл. Несовпадение приводит к обжиму металла и сжатию уплотнения.
У этого есть как преимущества, так и недостатки. «Хорошо, что вам не обязательно иметь очень хорошее сцепление, потому что есть сильное сжатие; недостатком является то, что может быть слишком сильное сжатие, которое может со временем треснуть стекло», — сказал Дай.
Его команда изучала создание химической связи между металлом и стеклокерамикой, не добавляя дополнительных этапов производства, путем создания межфазного связующего слоя, материала перемычки, который связывается как со сталью, так и со стеклом. «Это очень сложно, потому что это два очень разных материала, кусок стали и кусок стеклокерамики. Они почти ничего не разделяют ", — сказал Дай.
Металлические уплотнения обрабатываются в инертной атмосфере, лишенной кислорода, потому что металл захватывает кислород из атмосферы, что приводит к окислению и ржавчине.
Но этот процесс содержит внутреннее противоречие: металлическая связь со стеклокерамикой требует оксида, поэтому межфазный связующий слой на самом деле является межфазным оксидным слоем.
"Это фундаментальная проблема, как нам это сделать??"Дай сказал. В некоторых процессах металл предварительно окисляется, но Сандия хотела избежать этой дополнительной стадии.
Подходят к модифицированной стеклокерамике с окислителем
Термодинамический подход Дая модифицировал или допировал стеклокерамический герметик окислителем. Этот окислитель, служащий жертвенным оксидом металла, разлагается и мигрирует при высоких температурах, обеспечивая кислород для окисления металлического хрома в нержавеющей стали. Связка оксида хрома, образованная на границе раздела стеклокерамика и металл, приводит к герметичным уплотнениям.
Команда создала 24 потенциально модифицированных стеклокерамических композиции с использованием различных оксидов металлов, которые были нетоксичными и достаточно простыми в обращении, например оксид кобальта. «Большая часть работы на самом деле говорит:« Хорошо, сколько металлов из таблицы Менделеева мы можем использовать, и когда мы добавляем в наше стекло эти жертвенные оксиды металлов, какое количество нам нужно для легирования?’"Сказал Дай.
Исследователи хотят, чтобы легированный стеклокерамический материал отдавал кислород на границе раздела, а не на поверхности стеклокерамики. "Идея состоит в том, чтобы отказаться от кислорода в нужном месте.
Это своего рода тонкая грань, которая связана со свойствами материалов и тем, как вы их обрабатываете », — сказал Дай.
Команда определила две модифицированные стеклокерамические композиции, которые работали лучше всего. Дай сказал, что они не идеальны, но они большой шаг вперед. «В основном мы видим химическую связь между стеклокерамикой и металлом, и это очень прочная связь», — сказал он. "Если мы его разбиваем, мы разбиваем стекло."
Sandia также разработала способ проверить, установлено ли межфазное соединение и, если да, достаточно ли оно прочно, чтобы стекло не разбилось.
Принимая во внимание все факторы
Необходимо учитывать другие факторы. Без тщательной обработки стекло прилипает к другим поверхностям, а также к металлическому корпусу. Чтобы предотвратить это, в процессе склеивания используется графит для приспособлений, которые удерживают металлические и стеклокерамические детали, пока формируется соединение.
Но графит, как нержавеющая сталь, борется за кислород.
«По сути, это своего рода термодинамическое соревнование», — сказал Дай. "Если мой металлический корпус получит кислород для образования связующего оксида, это все, что я хочу. Если графит захватывает этот кислород, это не приносит никакой пользы.
Этот хрупкий баланс реакции очень сложен."
Первые два года трехлетнего проекта Dai по лабораторным исследованиям и разработкам (LDRD) были сосредоточены на процессе связывания.
Последний год изучал, как контролировать кристаллизацию стеклокерамики, чтобы обеспечить наилучшее тепловое соответствие. Финансирование LDRD закончилось, но работа продолжается с другими фондами, поскольку они могут помочь производству. Хотя проект не был нацелен на немедленное применение, исследователи нашли возможность в ближайшем будущем помочь команде по производству оружия улучшить тепловое соответствие между стеклокерамикой и металлом.
Во время герметизации стеклокерамика проходит фазу кристаллизации, которая позволяет формировать кристаллическую фазу с большим расширением, увеличивая КТР стеклокерамики, чтобы лучше соответствовать металлам с высоким КТР, таким как нержавеющая сталь. Однако из-за резкого изменения объема, связанного с этой кристаллической фазой, расширение стеклокерамики плохо распределяется по изменению температуры, которое происходит во время обработки.
Таким образом, скорость термической деформации между металлом и стеклокерамикой не совпадает.
Управление кристаллической фазой сложно, но важно
Команда была заинтересована в управлении процессом кристаллизации, разбивая его, чтобы сформировать две или три кристаллические фазы с высоким расширением, с резкими изменениями объема в каждой фазе, происходящими при температурах, разнесенных на несколько сотен градусов.
Концепция требует понимания того, при каких температурах образуются определенные кристаллические фазы.
«Мы пытаемся выполнить две или более множественных кристаллизации, чтобы сгладить тепловую деформацию стеклокерамики», — сказал Дай. "В результате у вас больше нет этого нелинейного, почти ступенчатого изменения деформации стеклокерамики. Это более близкая к линейной кривая деформации и намного лучше соответствует металлам."
Управление несколькими фазами кристаллизации при очень высоких температурах является сложной задачей. «Нам нужно изучить эту часть процесса, чтобы убедиться, что у нас есть хороший баланс всех фаз, чтобы все они кристаллизовались в правильной последовательности и, в идеале, в правильной пропорции», — сказал Дай.
Он считает, что эти усилия приведут к последовательному улучшению герметичных уплотнений.
Его команда разрабатывает методы проверки, чтобы увидеть, работает ли процесс для производственных приложений. Затем исследователи изучат, дает ли процесс желаемые результаты.
«Как только мы дойдем до этой точки, мы обеспечим наличие правильных спецификаций и наличие у обрабатываемых деталей определенных свойств, чтобы производственное агентство могло выполнять процесс на постоянной основе, используя свое оборудование», — сказал Дай.
