留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

金属和玻璃胶合体热膨胀仿真及实验验证

李国会 徐宏来 向汝建 杜应磊 吴晶 向振佼 张越

引用本文:
Citation:

金属和玻璃胶合体热膨胀仿真及实验验证

    作者简介: 李国会(1977-),男,高工,主要从事自适应光学硬件及控制技术研究;hitliguohui@163.com.
  • 中图分类号: TN248.1

Simulation and experimental verification of thermal expansion of metal and glass cementing bodies

  • CLC number: TN248.1

  • 摘要: 仿真分析了热膨胀系数不同的金属和玻璃胶合体在不同温度下的形变,同时使用热膨胀仪测试了不同金属的热膨胀系数,随后,将热膨胀系数不同的金属分别与相同材料的玻璃进行胶合,最后将胶合体置于半封闭空间并对其整体进行加热,采用哈特曼波前测试系统测试胶合体的形变。结果表明,胶合体的仿真数据和实验数据基本吻合。该仿真与实验结果,对不同材料属性的胶合体在热膨胀匹配设计方面具有一定的指导意义。
  • 图 1  DIL 402热膨胀仪和双样品支架

    Fig. 1  Thermal expansion instrument DIL 402 and double sample bracket

    图 2  金属1和金属2的热膨胀系数曲线

    Fig. 2  Thermal expansion coefficient curves of metals 1 and 2

    图 3  金属3的热膨胀系数曲线

    Fig. 3  Thermal expansion coefficient curves of metal 3

    图 4  两种玻璃热膨胀系数测试曲线

    Fig. 4  Thermal expansion coefficient curves of two glasses

    图 5  仿真模型

    Fig. 5  Simulation model

    图 6  金属1+玻璃胶合体40,50,60 ℃的应变

    Fig. 6  Strain of the adhesive body of metal 1 and glass at 40,50,60 ℃

    图 7  金属1+玻璃胶合体40,50,60 ℃的应力

    Fig. 7  Stress of the adhesive body of metal 1 and glass at 40,50,60 ℃

    图 8  金属2+玻璃胶合体40,50,60 ℃的应变

    Fig. 8  Strain of the adhesive body of metal 2 and glass at 40,50,60 ℃

    图 9  金属2+玻璃胶合体40,50,60 ℃的应力

    Fig. 9  Stress of the adhesive body of metal 2 and glass at 40,50,60 ℃

    图 10  金属3+玻璃胶合体40,50,60 ℃的应变

    Fig. 10  Strain of the adhesive body of metal 3 and glass at 40,50,60 ℃

    图 11  金属3+玻璃胶合体40,50,60 ℃的应力

    Fig. 11  Stress of the adhesive body of metal 3 and glass at 40,50,60 ℃

    图 12  面形测试实验平台示意图

    Fig. 12  Platform of mirror profile testing

    图 13  三种胶合体50 ℃面形变化量

    Fig. 13  Deformation of three adhesive bodies at 50 ℃

    表 1  三种金属和玻璃材料在40,50,60 ℃时的应力和应变汇总表

    Table 1  Strain and stress of the adhesive bodies at 40,50,60 ℃

    No.temperature/℃strain/μmstress/MPa
    metal 1+ glassmetal 2+ glassmetal 3+ glassmetal 1+ glassmetal 2+ glassmetal 3+ glass
    1 40 1.35 7.05 92.4 0.39 2.39 31.37
    2 50 2.02 10.58 139 0.59 3.53 47.06
    3 60 2.69 14.1 185 0.78 4.71 62.75
    下载: 导出CSV
  • [1] 何峰, 黄震, 宋培煜, 等. BaO对高膨胀光学玻璃结构和性能的影响研究[J]. 武汉理工大学学报, 2015, 37(7):5-8. (He Feng, Huang Zhen, Song Peiyu, et al. Effect of BaO structure and properties of high expansion optical glass. Journal of Wuhan University of Technology, 2015, 37(7): 5-8
    [2] 安汝平, 李旭东, 张赋, 等. 层合结构复合材料热膨胀系数的有限元计算[J]. 塑料, 2013, 42(6):80-82. (An Ruping, Li Xudong, Zhang Fu, et al. Finite element calculation on theraml expansion coefficient of laminated composite. Plastics, 2013, 42(6): 80-82 doi: 10.3969/j.issn.1001-3539.2013.06.018
    [3] 许军锋, 郑超, 杨伟, 等. Ge-Se-Sb玻璃的热膨胀分析[J]. 西安工业大学学报, 2016, 36(10):816-821. (Xu Junfeng, Zheng Chao, Yang Wei, et al. Analysis of thermal expansion of Ge-Se-Sb chalcogenide glass. Journal of Xi′an Technological University, 2016, 36(10): 816-821
    [4] 董为勇, 倪嘉, 吴可凡, 等. 玻璃与金属焊接残余应力有限元模型模拟计算分析[J]. 建材世界, 2016, 37(3):35-39. (Dong Weiyong, Ni Jia, Wu Kefan, et al. Calculation and analysis about welding residual stress in glass-to-metal by finite element model. The World of Building Materials, 2016, 37(3): 35-39
    [5] 董丽宁, 王江, 陈钢, 等. 超高功率短脉冲作用下薄壁金属的热特性分析[J]. 强激光与粒子束, 2015, 27:071003. (Dong Lining, Wang Jiang, Chen Gang, et al. Thermal analysis of thin-wall metal under high-power short-pulsed heating. High Power Laser and Particle Beams, 2015, 27: 071003
    [6] 李卓然, 徐晓龙. 玻璃与金属连接技术研究进展[J]. 失效分析与预防, 2013, 8(2):123-130. (Li Zhuoran, Xu Xiaolong. Revew of bonding technology of glass to metal. Failure Analysis and Preventioin, 2013, 8(2): 123-130 doi: 10.3969/j.issn.1673-6214.2013.02.013
    [7] 陈思颖, 黄晨光, 陈捷, 等. 用电子散斑干涉法测量材料热膨胀系数[J]. 强激光与粒子束, 2004, 16(6):681-684. (Chen Siying, Huang Chenguang, Chen Jie, et al. Application of electroinc speckle pattern interferometry in thermal expansion coeffcient measurements. Higt Power Laser and Particle Beams, 2004, 16(6): 681-684
    [8] Overend M, Jin Q Warson J. The selectioin and performance of adhesives for a steel-glass connection[J]. International Journal of Adhesion and Adhesives, 2011, 31(7): 587-5978. doi: 10.1016/j.ijadhadh.2011.06.001
    [9] 王玺, 方晓东. K9玻璃在脉冲CO2激光作用下的热应力分析[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26:051006. (Wang Xi, Fang Xiaodong. Analysis of thermal stress in K9 glass irradiated by pulsed CO2 laser. High Power Laser and Particle Beams, 2014, 26: 051006
    [10] 肖晓芳, 陈丽梅, 程敏熙. 测量玻璃热膨胀系数和折射率温度系数实验[J]. 实验室研究及探索, 2010, 29(4):24-26. (Xiao Xiaofang, Chen Limei, Cheng Minxi. Experiment of measuring the thermal expansion coefficient and the coefficient of class refraction index aginst temperature. Research and Exploration in Laboratory, 2010, 29(4): 24-26
    [11] 李娟, 郭杰, 田野. 高性能环氧树脂研究进展[J]. 热固性树脂, 2017, 32(1):59-65. (Li Juan, Guo Jie, Tian Ye. Research progress of epoxy resins with high performance. Thermosetting Resin, 2017, 32(1): 59-65
    [12] 韩建宝, 江长春, 张聪越, 等. 光学系统透镜热形变特性仿真研究[J]. 光学技术, 2013, 39(1):19-22. (Han Jianbao, Jiang Changchun, Zhang Congyue, at al. Research on heat deformation properties of optical system lenses. Optical Technique, 2013, 39(1): 19-22
    [13] 王玺, 方晓东. 准分子材料激光辐照K9玻璃的热力效应分析[J]. 强激光与粒子束, 2016, 28:041002. (Wang Xi, Fang Xiaodong. Thermal and mechanical damage in K9 glass irradiated by KrF excimer laser. High Power Laser and Particle Beams, 2016, 28: 041002
    [14] 黄江, 师文庆, 谢玉萍, 等. 激光作用于金属材料瞬态温度场的数值模拟[J]. 强激光与粒子束, 2018, 30:029001. (Huang Jiang, Shi Wenqing, Xie Yuping, et al. Numerical simulation of transient temperature field under the interaction between laser and metal materials. High Power Laser and Particle Beams, 2018, 30: 029001
    [15] 刘博洋, 刘武华, 叶丰. La55 Al25 Ni10 Cu10金属玻璃的热膨胀性能研究金属玻璃的热膨胀性能研究[J]. 轻金属, 2013, 7:57-60. (Liu Boyang, Liu Wuhua, Ye Feng. Thermal expansion of La55 Al25 Ni10 Cu10 bulk metallic glass. Light Metals, 2013, 7: 57-60
    [16] 刘琳, 王圣来, 刘光霞, 等. 大尺寸KDP/DKDP晶体热膨胀系数研究[J]. 人工晶体学报, 2015, 44(6):1443-1447. (Liu Lin, Wang Shenglai, Liu Guangxia, et al. Research on thermal expansion coefficient of large-aperture KDP/DKDP crystals. Journal of synthetic crystals, 2015, 44(6): 1443-1447 doi: 10.3969/j.issn.1000-985X.2015.06.004
  • [1] 陈思颖, 黄晨光, 陈捷, 王春奎, 段祝平. 用电子散斑干涉法测量材料热膨胀系数[J]. 强激光与粒子束, 2004, 16(06).
    [2] 邓震霞, 贺洪波, 宋永香, 杨燕静, 范正修, 邵建达. LBO晶体上1 064,532 nm倍频增透膜的镀制及性能分析[J]. 强激光与粒子束, 2007, 19(08).
    [3] 朱松林, 程祖海, 李再光. 引射式气动窗口的光束质量研究[J]. 强激光与粒子束, 1997, 09(02).
    [4] 阳玺, 王锋. ZrH2结构与热力学性质[J]. 强激光与粒子束, 2010, 22(06).
    [5] 刘丹, 闫岩, 任冰强, 赵永凯, 黄立华, 黄惠杰, 王向朝. 扫描型哈特曼检测装置研究[J]. 强激光与粒子束, 2005, 17(09).
    [6] 黄德权, 周文超, 邱红, 张建柱, 云宇, 田小强. 哈特曼测量大气相干长度研究[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26(08): 26081003. doi: 10.11884/HPLPB201426.081003
    [7] 李新阳, 姜文汉. 哈特曼传感器对湍流畸变波前的泽尼克模式复原误差[J]. 强激光与粒子束, 2002, 14(02).
    [8] 魏昊波, 代万俊, 王德恩, 袁强, 薛峤, 张鑫, 杨英, 赵军普, 魏晓峰, 胡东霞. 双变形镜双哈特曼-夏克传感器耦合校正系统[J]. 强激光与粒子束, 2017, 29(08): 29081003. doi: 10.11884/HPLPB201729.170091
    [9] 刘天华, 姜宗福, 许晓军, 李文煜, 刘泽金, 赵伊君. 用哈特曼法研究自由旋涡气动窗口光束质量[J]. 强激光与粒子束, 2002, 14(04).
    [10] 李新阳, 姜文汉, 王春红, 鲜浩. 湍流大气中哈特曼传感器的模式波前复原误差[J]. 强激光与粒子束, 2000, 12(02).
    [11] 李新阳, 姜文汉, 王春红, 鲜浩. 湍流大气中哈特曼传感器的模式波前复原误差II[J]. 强激光与粒子束, 2000, 12(03).
    [12] 万敏, 张家如, 周克恩, 王文东. 用哈特曼-夏克法标定平面光束[J]. 强激光与粒子束, 1997, 09(03).
    [13] 代万俊, 胡东霞, 周维, 刘红婕, 赵军普, 张崑, 蒋学君, 景峰. 高功率固体激光装置哈特曼传感器参考波前标定方法[J]. 强激光与粒子束, 2008, 20(09).
    [14] 颜宏, 雒仲祥, 叶一东, 向汝建, 王锋, 何丽. 高分辨力哈特曼传感器的快速波面重构和拼接[J]. 强激光与粒子束, 2012, 24(06): 1335-1338. doi: 10.3788/HPLPB20122406.1335
    [15] 彭博, 颜宏, 陈天江, 雒仲祥. 基于相关法的哈特曼图像网格自动划分方法[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26(01): 26011010. doi: 10.3788/HPLPB201426.011010
    [16] 何燕和, 李雪梅, 王志文, 王玉华. 等离子体处理的聚丙烯和聚乙烯的粘合体[J]. 强激光与粒子束, 2012, 24(09): 2099-2102. doi: 10.3788/HPLPB20122409.2099
    [17] 董景星, 楼祺洪, 向世清, 丁爱臻, 魏运荣, 高鸿奕. 斜波导喇曼振荡器[J]. 强激光与粒子束, 1998, 10(01).
    [18] 朱隽, 禹海军, 陈楠, 江孝国, 李劲, 石金水. 强流脉冲电子束作用下钽金属靶膨胀的轴向约束[J]. 强激光与粒子束, 2010, 22(05).
    [19] 左应红, 王建国, 朱金辉, 范如玉. 二极管爆炸发射阴极等离子体的膨胀扩展[J]. 强激光与粒子束, 2012, 24(06): 1471-1474. doi: 10.3788/HPLPB20122406.1471
    [20] 唐恩凌, 张庆明, 马月芬, 相升海, 张薇, 杨明海, 李乐新, 于辉. 膨胀等离子体云的粒子密度时空分布[J]. 强激光与粒子束, 2012, 24(05): 1126-1130. doi: 10.3788/HPLPB20122405.1126
  • 加载中
图(13) / 表(1)
计量
  • 文章访问数:  42
  • HTML全文浏览量:  51
  • PDF下载量:  0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-22
  • 录用日期:  2019-09-22
  • 网络出版日期:  2019-11-28
  • 刊出日期:  2019-12-01

金属和玻璃胶合体热膨胀仿真及实验验证

    作者简介: 李国会(1977-),男,高工,主要从事自适应光学硬件及控制技术研究;hitliguohui@163.com
  • 1. 中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室,四川 绵阳 621900
  • 2. 中国工程物理研究院 应用电子学研究所,四川 绵阳 621900

摘要: 仿真分析了热膨胀系数不同的金属和玻璃胶合体在不同温度下的形变,同时使用热膨胀仪测试了不同金属的热膨胀系数,随后,将热膨胀系数不同的金属分别与相同材料的玻璃进行胶合,最后将胶合体置于半封闭空间并对其整体进行加热,采用哈特曼波前测试系统测试胶合体的形变。结果表明,胶合体的仿真数据和实验数据基本吻合。该仿真与实验结果,对不同材料属性的胶合体在热膨胀匹配设计方面具有一定的指导意义。

English Abstract

  • 1884年Schott熔制出世界上第一块高质量的光学玻璃,从此光学玻璃的研究始终是人们关注的热点[1],特别是随着光学、信息学、生命科学以及航空航天等行业的快速发展,对光学玻璃的应用领域和制备技术都有较大的拓展[2-4]。大多数光学玻璃具有抗氧化、耐腐蚀、耐高温等特点[5-6],其热学、电学、机械性能较好,但其质地脆弱,容易破碎[7-8]。而金属具有较好的延展性,柔韧性较好[9],采用性能相近的金属和玻璃进行熔接、焊接或者环氧树脂粘接的方式,将二者融为一体,可以获得强度高、刚度大、延展性好的胶合体,可以制造各种压力传感器[10-12]。文献[6]介绍了大量的金属和玻璃的连接技术和方法,Tsann-ShyiChern等人采用匹配熔接进行连接,B. Schmidt,Pawel Knapkiewicz以及A. T. J. HelVoort等人通过键合的方式进行连接,国内浮法玻璃新技术国家重点实验室采用焊接的方式进行连接,同时,国内外通过钎焊的方式对金属和玻璃进行连接的较多。由于金属和玻璃的材料种类和属性不尽相同,其物理、化学性能总是存在差异,特别是热膨胀系数方面,难以完全匹配[13],从而导致玻璃和金属连接后热力学性能不一致,应用中将产生一定的残余应力,导致组合体的强度下降,从而影响结构的机械性能[414]

    在光学系统应用中,特殊情况下用到的金属和玻璃胶合体同样会遇到上述问题。为了减小热胀冷缩对胶合体形变的影响,在胶合材料热膨胀匹配设计时,应当选择热膨胀系数相同或者相近材料进行胶合[9]。为此,本文针对金属和玻璃胶合体进行热膨胀匹配设计和实验验证,通过仿真热膨胀系数不同的已知金属和玻璃的胶合体,分析热膨胀导致的形变,同时,通过实际测量不同材料的热膨胀系数并对热膨胀系数不同的金属和相同材料的玻璃进行胶合,随后对胶合体进行加热实验,用哈特曼测试系统监测胶合体的形变,并与理论分析进行对比,检验数据的有效性,从而为胶合体材料的选择、热膨胀匹配设计提供参考。

    • 热膨胀系数是材料物理性能的一个重要参数,定义为固体温度每升高1 K时长度或体积的变化量,热膨胀系数公式为[15-16]

      $\alpha = \frac{{\Delta L}}{{{L_0}}} \cdot \frac{1}{{\Delta T}}$

      式中:$\alpha $是材料在$\Delta T$温度区间内的热膨胀系数;${L_0}$为材料在初始温度为${T_0}$时的长度,$\Delta L$为材料在$\Delta T$温度区间内长度的变化量;$\Delta T$为温度变化量,即$\Delta T = T - {T_0}$

    • 本文的研究对象为金属和玻璃的胶合体,为此,采用NETZSCH DIL 402热膨胀仪测试玻璃和金属的热膨胀系数,为金属和玻璃胶合体的计算机仿真提供热膨胀系数。图1是DIL 402热膨胀仪和双样品支架,可以一次性测试金属和玻璃两种材料的热膨胀系数。

      图  1  DIL 402热膨胀仪和双样品支架

      Figure 1.  Thermal expansion instrument DIL 402 and double sample bracket

      测试样品尺寸为ϕ5 mm×25 mm,测试过程中,低温段需要采用液氮进行降温。测试样品中,金属1和金属2为不同组分的殷钢材料,金属3为不锈钢材料,玻璃材料为熔石英。图2是金属1和金属2的热膨胀系数测试曲线,图3是金属3的热膨胀系数测试曲线,图4是两种玻璃材料的热膨胀系数测试曲线。从测试结果来看,金属1和金属2的膨胀系数分别为0.60×10-6/K和1.63×10-6/K,金属3的热膨胀系数为16.49×10-6/K,玻璃的热膨胀系数0.47×10-6/K和0.51×10-6/K。

      图  2  金属1和金属2的热膨胀系数曲线

      Figure 2.  Thermal expansion coefficient curves of metals 1 and 2

      图  3  金属3的热膨胀系数曲线

      Figure 3.  Thermal expansion coefficient curves of metal 3

      图  4  两种玻璃热膨胀系数测试曲线

      Figure 4.  Thermal expansion coefficient curves of two glasses

    • 采用UG仿真软件并利用热膨胀仪测试的热膨胀系数对玻璃和金属胶合体进行仿真计算,模拟不同热膨胀系数的金属和玻璃胶合后的形变。图5是胶合体仿真模型,上层为玻璃,下层为金属。

      图  5  仿真模型

      Figure 5.  Simulation model

      仿真模型中,玻璃材料的膨胀系数为0.47×10-6/℃,导热系数为1.4 W·m·℃-1,比热为0.67 kJ·kg-1·℃-1,金属材料的热力学参数分为三种:

      (1)金属1的膨胀系数为0.60×10-6/℃,导热系数为10.5 W·m·℃-1,比热为0.48 kJ·kg-1·℃-1

      (2)金属2的膨胀系数为1.63×10-6/℃,导热系数为13.9 W· m·℃-1,比热为0.51 kJ·kg-1·℃-1

      (3)金属3的膨胀系数为16.49×10-6/℃,导热系数为15.9 W· m·℃-1,比热为0.50 kJ·kg-1·℃-1

      图6~11是不同热膨胀系数金属+玻璃胶合体在40,50,60 ℃时的应变和应力。

      图  6  金属1+玻璃胶合体40,50,60 ℃的应变

      Figure 6.  Strain of the adhesive body of metal 1 and glass at 40,50,60 ℃

      图  7  金属1+玻璃胶合体40,50,60 ℃的应力

      Figure 7.  Stress of the adhesive body of metal 1 and glass at 40,50,60 ℃

      图  8  金属2+玻璃胶合体40,50,60 ℃的应变

      Figure 8.  Strain of the adhesive body of metal 2 and glass at 40,50,60 ℃

      图  9  金属2+玻璃胶合体40,50,60 ℃的应力

      Figure 9.  Stress of the adhesive body of metal 2 and glass at 40,50,60 ℃

      图  10  金属3+玻璃胶合体40,50,60 ℃的应变

      Figure 10.  Strain of the adhesive body of metal 3 and glass at 40,50,60 ℃

      图  11  金属3+玻璃胶合体40,50,60 ℃的应力

      Figure 11.  Stress of the adhesive body of metal 3 and glass at 40,50,60 ℃

      分析结果如表1所示。

      表 1  三种金属和玻璃材料在40,50,60 ℃时的应力和应变汇总表

      Table 1.  Strain and stress of the adhesive bodies at 40,50,60 ℃

      No.temperature/℃strain/μmstress/MPa
      metal 1+ glassmetal 2+ glassmetal 3+ glassmetal 1+ glassmetal 2+ glassmetal 3+ glass
      1 40 1.35 7.05 92.4 0.39 2.39 31.37
      2 50 2.02 10.58 139 0.59 3.53 47.06
      3 60 2.69 14.1 185 0.78 4.71 62.75

      从汇总表可以看出,三种材料的胶合体在不同温度下应力和应变都成上升趋势,对于热膨胀系数较大的金属3,其应变较大,同时产生的应力也达到62.75 MPa。

    • 分别将规格尺寸与仿真模型一致的三种金属与玻璃进行胶合,固化之后即可开展胶合体面形随温度变化的实验验证。首先,将胶合体、平行光源和哈特曼置于光学平台上,打开光源调节光路,使光束经胶合体反射后进入哈特曼探测器中,光路调节到位后用半封闭的盒子将胶合体罩住,随后对盒子内部空间进行加热,由内置温度传感器读取温度值,哈特曼测试系统监测胶合体面形的变化量。加热前去除系统像差作为初始面形,当温度稳定在50 ℃时再次测试胶合体的面形,该面形即为胶合体在温度变化后产生的面形变化量。图12是面形测试实验平台示意图,图13是三种胶合体50 ℃的面形变化量。

      图  12  面形测试实验平台示意图

      Figure 12.  Platform of mirror profile testing

      图  13  三种胶合体50 ℃面形变化量

      Figure 13.  Deformation of three adhesive bodies at 50 ℃

      50 ℃时,金属1+玻璃胶合体的形变为2.84 μm,金属2+玻璃胶合体的形变为10.47 μm,金属3+玻璃的胶合体形变为84.25 μm。前面两种胶合体的热形变与仿真模型相差较小,而第三种胶合体的热变形相对较大,主要是由于实验过程中,随着形变的增加,材料内部应力增大,导致胶合体的一个角产生脱胶现象,其热形变小于理论分析结果,同时,在仿真过程中,由于胶层厚度、粘接强度以及结构参数跟胶合体实物总是存在一定的差异,这也是导致理论分析和实验结果产生偏差的原因之一。通过实验,验证了三种胶合体理论分析和实验结果的一致性和有效性,其结果在胶合体选材以及热匹配设计等方面具有一定的指导作用。

    • 以金属和玻璃为对象,利用热膨胀仪测试了材料的热膨胀系数,以测试结果为仿真输入条件,对金属和玻璃的胶合体进行了热膨胀仿真分析,最后用与仿真模型技术参数一致的金属材料和玻璃进行胶合,固化后进行了温度考核实验。通过实验发现,50 ℃时,三种金属材料和玻璃的组合体产生的形变与仿真结果基本一致,从而验证了热膨胀系数测试结果和仿真分析结果的有效性。其结果可以为金属和玻璃胶合体的热匹配设计提供一定的参考价值。

参考文献 (16)

目录

    /

    返回文章
    返回