Методика измерение металлосвязи: Испытание и измерение металлосвязи, как проводится проверка металлосвязи

Содержание

Полезная информация — Технадзор 77

Испытания разъединителей

Высоковольтное электрооборудование должно монтироваться и эксплуатироваться, согласно регламентным требованиям ПУЭ. Во избежание короткого замыкания или наступления других аварийных ситуаций, в электроустановочные изделия интегрируются защитные детали, обеспечивающие своевременное размыкание цепи. Для обеспечения безопасной работы кабельной линии и включённых в неё периферийных устройств, требуются периодические испытания разъединителей. Когда неоходимо проводить испытание разъединителей Испытание разъединителей на высоковольтной…

Испытания высоковольтных выключателей

Высоковольтные выключатели являются одними из самых важных элементов электроустановочных изделий. От их корректной работы зависит своевременное обесточивание высокотехнологичных устройств, функционирующих под высоким напряжением, а также такие возможность оперативного переключения режимов их работы. Согласно требованиям ПУЭ, во время пуско-наладки электрооборудования проводятся регламентные испытания высоковольтных выключателей. Замеры сопротивления изоляции Для безопасной эксплуатации кабельной линии и периферийных устройств,…

Испытание воздушных выключателей

Эксплуатация высоковольтной кабельной линии сопровождается возникновением большого количества внештатных ситуаций. Во избежание выхода электрооборудования из строя, в цепь включаются автоматические защитные устройства, которые обеспечивают её своевременное размыкание, в случае наступления аварии или кроткого замыкания. Для обеспечения бесперебойной работы систем защиты, согласно требованиям нормативной документации, проводится испытание воздушных выключателей. Необходимость испытания воздушных выключателей Испытание воздушных выключателей…

Измерение сопротивления грунта

Каждая силовая кабельная линия и включённые в неё периферийные устройства должны быть заземлены для обеспечения безопасной эксплуатации инженерной сети. Измерение сопротивления грунта регламентируется действующими нормативами. Обследование позволяет определить глубину заложения заземлителей, расстояние между тоководами, а также выполнить обязательные требования безопасности, соблюдение которых необходимо для нормальной эксплуатации электрооборудования. Определение удельного электрического сопротивления грунта в полевых условиях…

Эксплуатационные испытания электроустановок

Эксплуатация высоковольтного электрооборудования и кабельных линий накладывает на балансодержателя и владельца инженерной сети большую ответственность. Каждый элемент безопасности должен быть исправен и срабатывать при наступлении внештатной ситуации в любое время. Со временем, часть оборудования может выйти из строя или работать некорректно. Чтобы этого не произошло, в соответствии с требованиями ПУЭ, назначаются периодические эксплуатационные испытания электроустановок….

Осмотр трасс кабельных линий

Эксплуатация высоковольтных кабельных линий, как правило, подразумевает риск механического повреждения, окисления контактов и других нарушений, что может привести к негативным последствиям. Согласно нормативным требованиям, во избежание возникновения аварийной ситуации, во время эксплуатации электрооборудования требуется профилактический осмотр трасс кабельных линий. Для чего нужно проводить осмотр трасс кабельных линий Периодическое плановое обследование кабельных линий проводится для достижения…

Испытание вакуумных выключателей повышенным напряжением

Защитные системы играют важнейшую роль в обеспечении безопасности при эксплуатации высоковольтного оборудования. Автоматические размыкатели цепи своевременно прекращают подачу напряжения на токопроводящих жилах, что позволяет избежать выхода высокотехнологичных приборов из строя и наступления аварийных ситуаций. Для обеспечения нормальной работоспособности электроустановочных изделий, согласно требованиям ПУЭ, назначается профилактическое испытание вакуумных выключателей повышенным напряжением. Цель проведения испытания Регламентное испытание…

Периодичность проверки УЗО

Устройства защитного отключения являются важнейшими элементами силовой кабельной сети. Приборы обеспечивают безопасность во время эксплуатации электрооборудования, своевременно размыкая цепь при возникновении короткого замыкания или наступления аварийной ситуации. Для предотвращения сбоев в работе автоматов, необходимо обеспечить регламентную периодичность проверки УЗО. Когда необходимо проводить проверку Периодичность проверки УЗО в электроустановках регламентируется требованиями нормативной документации. Контроль работоспособности дифференциальных…

Приёмка строительных работ

Возведение объекта капитального строительства сопровождается многочисленными инженерными решениями и монтажными операциями. Каждый вид работ разбивается на этапы, которые выполняются силами структур генподрядчика или привлечённых организаций. По завершении монтажа ответственных конструкций или прокладки инженерных сетей, назначается комиссия, которая осуществляет приёмку строительных работ. Приемка фактически выполненных работ Оформление приёмосдаточного акта производится после контроля качества работ в строительстве….

Что должен знать технадзор

В обязанности технадзора на площадке строительства входит инспекция качества работ, своевременное выявление или предотвращение нарушений, а также оформление исполнительной документации по факту приёмки каждого этапа монтажа. Технический надзор является штатным сотрудником службы заказчика и представляет интересы инвестора капстроительства. К данному исполнительному органу предъявляются требования по наличию диплома о высшем профильном образовании и удостоверения о прохождении…

Методика испытания повышенным напряжением

Электроустановочные изделия и силовое оборудование относятся к инженерным системам, эксплуатация которых неизменно сопряжена с повышенной опасностью. Перед вводом в эксплуатацию, кабельная проводка с включёнными в неё приборами и распределительными щитками должна подвергаться ряду тестов. Одними из наиболее уязвимых частей электроустановочных изделий являются кабели, которые могут подвергаться воздействию грозовых разрядов. Сечение токопроводящей жилы должно быть подобрано…

Нормативы и методические указания к проведению электротехнических испытаний АВР

Стабильность работы электрооборудования во многом зависит от бесперебойного электроснабжения. Когда основная сеть выходит из строя, в силовой кабельной цепи предусматривается АВР – автоматический ввод резерва. В соответствии с требованиями ПУЭ, любая электроустановка должна подвергаться тестированию перед вводом в эксплуатацию. Это гарантирует её безопасную и бесперебойную эксплуатацию. Испытание устройств АВР регламентируется требованиями нормативной документации и является…

Замер сопротивления заземления

Заземление – один из важнейших элементов безопасности в любой электроустановке. При наличии заземляющего кабеля с минимальным сопротивлением практически полностью исключается опасность поражения человека электрическим током. Чтобы оборудование работало исправно, перед вводом его в эксплуатацию, проводится измерение сопротивления заземления, численная характеристика которого не должна превышать максимально допустимые значения по ПУЭ. Как работает заземляющее устройство Принцип действия…

Образец оформления протоколов и технического отчета по электроизмерениям

Электроустановочные изделия относятся к оборудованию, эксплуатация которых сопряжена с повышенной опасностью для человека. В связи с этим, действующие нормативы регламентируют периодичность проведения проверок и испытаний любых элементов кабельной сети. Каждое обследование проводится, в соответствии с определённым алгоритмом и применением метрологических приборов. По результатам любого испытания составляется официальный документ – технический отчет электролаборатории, в котором полученные…

Проверка релейной защиты, автоматики и телемеханики

Современные силовые и слаботочные линии, смонтированные на жилом, общественном или производственном объекте, оснащаются системами релейной защиты, автоматизации и диспетчеризации для возможности удалённого контроля их работоспособности. Оборудование относится к высокотехнологичным установкам и может дать сбой, что нередко вызывает непредсказуемые последствия. Чтобы избежать чрезвычайных ситуаций, регламенты предписывают проведение периодической проверки релейной защиты и автоматики. Назначение и область…

Полезная информация — Технадзор 77

Испытания разъединителей

Испытания высоковольтных выключателей

Испытание воздушных выключателей

Измерение сопротивления грунта

Эксплуатационные испытания электроустановок

Осмотр трасс кабельных линий

Испытание вакуумных выключателей повышенным напряжением

Периодичность проверки УЗО

Приёмка строительных работ

Что должен знать технадзор

Методика испытания повышенным напряжением

Нормативы и методические указания к проведению электротехнических испытаний АВР

Замер сопротивления заземления

Образец оформления протоколов и технического отчета по электроизмерениям

Проверка релейной защиты, автоматики и телемеханики

Характеристика метода склеивания для герметизации титан-стекло

Скачать PDF

Сопутствующее содержимое

Часть коллекции:

Материаловедение: достижения в области материалов и методов обработки

Исследовательская статья
Открытый доступ
Опубликовано: 20 ноября 2020 г.

Себастьян Винклер ¹ ,
Ян Эдельманн
ORCID: orcid.org/0000-0001-7395-9536 ¹ и
Андреас Шуберт ^1,2

SN Прикладные науки
том 2 , Номер статьи: 2028 (2020)
Процитировать эту статью

1296 доступов
1 Альтметрика
Сведения о показателях

Abstract

Применение интеллектуальных медицинских имплантатов требует герметичных и механически прочных соединений между функциональными и биосовместимыми материалами. Герметичные уплотнения между титаном Ti6Al4V и стеклом на основе кремнезема могут быть получены с использованием нового метода склеивания, основанного на прессовании стекла при температурах, близких к точке размягчения. В данной работе представлены результаты исследования прочности соединения при растяжении и скорости утечки газа в зависимости от параметров производственного процесса. Примечательно, что при использовании обработанных пескоструйной обработкой поверхностей прочность сцепления при растяжении достигала 12 МПа и хорошее сцепление с очень низкой утечкой из-за удаленного оксидного слоя и структуры поверхности. Интерфейс анализируется и характеризуется применением методов СЭМ, связанных с различными механизмами адгезии.

Введение

Металлостеклянные уплотнения требуются во многих технологических областях, таких как аэрокосмическая техника [1], аккумуляторная техника [2] и медицинская техника [3]. Механическая прочность и качество герметизации являются важными свойствами, определяющими эффективность соединения стекла с металлом. Стеклянный материал и металлический сплав должны быть биосовместимыми для применения в медицинской технике.

Имплантируемые электронные устройства, такие как кардиостимуляторы, инкапсулируются для защиты человеческого тела от потенциально вредных веществ. Титановые сплавы сочетают механическую прочность с биосовместимостью, что делает их предпочтительным материалом для большинства медицинских имплантатов, содержащих электронные системы. На рисунке 1 показана имплантируемая электронная система с титановым корпусом. Этот имплантат содержит оптическое окно для оптической передачи данных с системой управления, расположенной вне тела, как описано в [4]. Другими потенциальными приложениями для оптических окон являются системы оптической диагностики. Стекла на основе кремнезема соответствуют требованиям по механической прочности, биосовместимости и светопроницаемости. Кроме того, герметизация между титановым корпусом и стеклянным окном является важной частью системы герметизации (рис. 1).

Рис. 1

Имплантируемый медицинский имплантат с функциональными стеклянными окнами

Увеличенное изображение

Склеивание стекла и металла — старая технология, восходящая к Древнему Египту, где на металлические поверхности изготавливались декоративные стеклянные покрытия. Технология, применяемая для этих покрытий, основана на плавлении стекла и смачивании металлической поверхности, что впоследствии было названо эмалированием. Большинство промышленных изделий, таких как лампочки или эмалированная посуда, производятся с помощью этого распространенного производственного процесса с использованием высоких температур для плавления стекла, что позволяет ему смачивать металлическую поверхность [5]. Склеивание стекла и титана для медицинских и других применений является сложной задачей и широко изучалось [6,7,8].

По сравнению с традиционным подходом к плавке стекла были внедрены другие методы склеивания с низкими температурами процесса [9]. В процессе анодного соединения [10] стекло остается в твердом состоянии, а статические электрические поля создают границу раздела стекло-металл. Эта технология используется для микрофлюидных приложений [11].

В этой статье исследуется альтернативная технология соединения стекла с металлом, впервые представленная в [12], с температурой процесса между традиционными технологиями плавления и технологиями низкотемпературного соединения. Интерфейс, созданный при средних температурах, позволяет формировать стекло за счет сжимающих усилий. Цель исследований состоит в том, чтобы определить влияние соответствующих параметров процесса на качество сварки металлостекла.

Установка и процедура для проверки свойств склеивания

Образец конструкции

При исследовании альтернативного метода склеивания используется комбинация титанового сплава и стекла на основе кремнезема. Титан класса 5 (Ti6Al4V) является наиболее распространенным материалом, используемым для медицинских имплантатов, и сочетает в себе высокую механическую прочность с биосовместимостью. Стекло типа B270 от Schott представляет собой оптическое стекло короны и было выбрано в качестве его коэффициента теплового расширения (10,3 × 10 ⁻⁶ K ⁻¹ ) подобен Ti6Al4V (9,5 × 10 ^-6 K ^-1 ). Основные компоненты стекла включают SiO ₂ (69%), B ₂ O ₃ (11%), Na ₂ O (10%), K ₂ O (6%) и BaO ( 3%).

Две разные геометрии образцов были разработаны для того, чтобы выполнить требования по измерению как механической прочности поверхности раздела стекло-металл, так и качества ее герметичности (герметичности). На рисунке 2а показано поперечное сечение осесимметричного соединительного устройства, используемого для определения прочности соединения на растяжение и состоящего из двух титановых пуансонов, охватывающих цилиндрический стеклянный элемент толщиной 3 мм и диаметром 15 мм. Эта конструкция позволяет проводить прямое измерение предела прочности при растяжении (рис. 2b) без использования клея. Второй образец конструкции на рис. 3а состоит из титанового кольца, окружающего стеклянный цилиндр той же геометрии, что позволяет измерять скорость утечки через периферийный интерфейс стекло-металл.

Рис. 2

Экспериментальные установки и дизайн образцов для процесса склеивания a Ti–стекло (прессование) и испытания прочности соединения на растяжение b (чертежи не в масштабе)

Изображение в натуральную величину

Рис. 3

Экспериментальные установки, конструкция образца для измерения скорости утечки: процесс прессования стекла ( a ), испытание на утечку гелием ( b ), испытание на прирост давления ( c ) (чертежи не в масштабе)

Изображение в натуральную величину

Все образцы титана были изготовлены методом прецизионного фрезерования. Отпескоструенным поверхностям, контактирующим со стеклом, придали шероховатость путем пескоструйной обработки стеклянным порошком (тип 09-0010, Baltrusch & Mütsch) в устройстве для микроструйной обработки. Для измерения шероховатости поверхности был применен прибор тактильной шероховатости, в результате чего Ra = 0,3 мкм для фрезерованной поверхности и Ra = 1,7 мкм для обработанной пескоструйной обработкой.

Процесс склеивания: прессование стекла

Образцы стекла помещаются в пресс-форму с образцом Ti на нижнем и верхнем пуансоне в вакуумной камере, установленной в универсальной испытательной машине. Образцы нагревают до температуры процесса T _p в атмосфере аргона при давлении 5 мбар. По сравнению с вакуумом атмосфера инертного газа низкого давления обеспечивает лучшую теплопроводность от нагретой матрицы к образцу стекла. Кроме того, дополнительно снижается парциальное давление кислорода, что предотвращает рост оксидного слоя.

Применение сжимающих усилий к штампу обеспечивает сцепление образцов титана и стекла. Две части матрицы снабжены нагревателем, обеспечивающим равномерное распределение температуры. В геометрии первого образца матрица касается верхнего титанового образца, а стекло зажато между двумя титановыми образцами (рис. 2а). Во второй геометрии образца верхний пуансон непосредственно касается стекла, которое приклеивается к кольцеобразному титановому образцу (рис. 3а). Эти компоненты покрыты слоем нитрида бора, чтобы предотвратить сцепление стекла с верхним пуансоном или держателем образца.

При прессовании максимальное технологическое усилие F _p поддерживается в течение 15 с. Применяемая процедура склеивания и параметры процесса идентичны для двух геометрий образцов. Таким образом, результаты измерений прочности на растяжение и скоростей утечки газа сравнимы с образцами, изготовленными с теми же параметрами процесса. Винклер и др. [13] подробно описывают компоновку инструмента для прессования стекла и отдельные этапы процесса.

Испытанные температуры процесса T _P = 705 °C, 745 °C и 785 °C охватывают диапазон вязкости в 1,5 порядка относительно точки размягчения стекломатериала B270 при 724 °C. Выбранные технологические усилия F _P = 200 Н, 500 Н и 1200 Н соответствуют значениям напряжения сжатия от 1 до 7 МПа, что типично для прессования стекла.

Измерение прочности на растяжение и скорости утечки

Прилипание стеклянного покрытия к металлической поверхности можно измерить косвенно, например, методом вдавливания по Виккерсу [14] или непосредственно испытанием на отрыв [15], при котором образец должен быть приклеен к испытательной машине. Испытываемое устройство и механическая блокировка двух титановых элементов (рис. 2b) подключаются к универсальной испытательной машине, чтобы избежать трудностей обнаружения точки отказа, связанных с использованием клея. Сила растяжения увеличивается с линейной скоростью 20 Н/с до 1000 Н и на 200 Н/с выше этого порога. Зарегистрировано максимальное усилие до разрыва, а предел прочности при растяжении связи равен 9.0133 R _H рассчитывается с использованием площади образца 177 мм ² (Ø 15 мм).

Интенсивность утечки Q _L является измеряемым параметром качества герметичности и обычно выражается в единицах мбар∙л/с. Размер склеиваемой области составляет 141 мм ² в экспериментальной установке. Сначала все образцы измеряются с помощью теста на увеличение давления (рис. 3с), как указано в DIN EN 1779. Вакуумная камера на нижней стороне образца вакуумируется, а затем отключается вакуумный насос. Скорость утечки Q _L можно рассчитать на основе регистрации повышения давления с течением времени из-за утечки через поверхность раздела стекло-металл. Испытание на утечку гелием применяется в качестве второго метода измерения [16] для образцов с интенсивностью утечки менее 10 ^-4 мбар л/с. На рисунке 3b показана экспериментальная установка. Верхняя часть образца Ti заполнена гелием при атмосферном давлении 1 бар, а нижняя сторона вакуумирована и подключена к масс-спектрометру, предназначенному для проверки на утечку гелия. Процедура испытаний позволяет измерять скорость утечки до 10 ⁻¹² мбар л/с.

Результаты и обсуждение

Прочность связи при растяжении и скорость утечки

На рисунках 4 и 5 представлены результаты прочности при растяжении R _H и скорости утечки Q _L для указанных комбинаций параметров. Для большинства экспериментов предел прочности при растяжении находится в диапазоне от 7 МПа до 12 МПа. Только три комбинации параметров привели к очень низким значениям для R _H , что означает отсутствие адгезии. Результаты скорости утечки (рис. 5) аналогичны результатам прочности на растяжение и разделены на две группы. К первой группе относятся скорости течи 1∙10 ⁻⁶ мбар∙л/с и ниже, что считается технически герметичным, а вторая группа скоростей течи составляет более 0,01 мбар∙л/с, что считается негерметичным.

Рис. 4

Прочность на растяжение в зависимости от температуры процесса для различных параметров процесса

Изображение полного размера

Рис. 5

Скорость утечки в зависимости от температуры процесса для различных параметров процесса В дополнение к измерению их прочности на растяжение и степени утечки образцы были проанализированы с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Четыре образца скорости утечки с выбранными комбинациями параметров были вырезаны перпендикулярно границе раздела стекло-титан, отшлифованы, отполированы и очищены перед анализом с помощью СЭМ. На рис. 6 показаны изображения РЭМ вместе с соответствующими параметрами процесса.

Рис. 6

СЭМ-изображение в поперечном сечении поверхностей соединения стекло-титан

Изображение в полный размер

Механизм соединения

Склеивание можно определить как адгезию, которая описывает соединение между двумя разнородными материалами на их контактной поверхности. Даже сегодня многие аспекты адгезии все еще являются предметом исследований. Для описания эффектов адгезии доступны различные модели адгезии с механическим, электростатическим, химическим или термодинамическим подходом. Адгезию можно условно разделить на механическая адгезия и специфическая адгезия [17]. Механическая адгезия основана на блокировке, когда первый материал заполняет пустоты, поры или подрезы второго материала. Специфическая адгезия основана на электростатических и молекулярных силах, таких как химические силы или силы Ван-дер-Ваальса. Он описывает сцепление между плоскими поверхностями.

Оксидные слои, такие как TiO ₂ , могут препятствовать соединению стекла с металлом. Образцы были очищены, как описано Дональдом [1], и склеены непосредственно после механообработки и струйной обработки, чтобы избежать негативного влияния слоев оксида титана. На изображениях SEM на рис. 6c, d поверхность титана, обработанная пескоструйной обработкой, выглядит шероховатой по сравнению с фрезерованной поверхностью на рис. 6a, b. Однако подрезы могут быть исключены, так как испытания на растяжение проверяли адгезию с использованием испытательного усилия, перпендикулярного поверхности раздела. Таким образом, механической адгезией можно пренебречь. Однако удельная адгезия не требует шероховатой поверхности, но может быть увеличена за счет шероховатости поверхности, поскольку это увеличивает площадь поверхности раздела между двумя материалами.

В общем, более высокие температуры процесса, более высокие усилия процесса и шероховатая поверхность титана приводят к лучшим результатам как в отношении прочности на растяжение, так и качества уплотнения, определяемого скоростью утечки. Все образцы со струйно обработанными поверхностями герметичны, имеют скорость утечки менее 1∙10 ⁻⁶ мбар∙л/с и демонстрируют высокие значения прочности на растяжение, за одним исключением (T _P = 705 °C, F _P = 200 Н). Увеличенная площадь поверхности может объяснить этот эффект из-за шероховатой поверхности металла.

На изображениях SEM на рис. 6a, c, d материалы находятся в тесном контакте, и видимого зазора не обнаружено. Наблюдаемое качество уплотнения подтверждается высокой прочностью на растяжение и низкой скоростью утечки, измеренными на образцах, изготовленных с теми же параметрами процесса. Напротив, на рис. 6b показан зазор размером прибл. 5 мкм между стеклом и титаном. Соответственно, измеренная скорость утечки высока. Однако комбинация параметров привела к относительно высокому пределу прочности на разрыв более 10 МПа. Поскольку использовались образцы двух разных конструкций, возможно, что в этом случае результирующие границы раздела стекло-титан значительно отличаются в двух конструкциях, даже если они были изготовлены с одинаковыми технологическими параметрами.

СЭМ-изображения на рис. 6 показывают скопление круглых форм в стеклянном материале вблизи границы раздела. Формы появляются только при высоких температурах процесса T _P = 785 °C и, по-видимому, не влияют на качество уплотнения. Дальнейший анализ показал, что формы представляют собой сферические полости в образце стекла, которые были открыты во время подготовки образцов для РЭМ. Поскольку полости появляются не во всех образцах, они должны возникать в процессе склеивания. Эти полости можно объяснить газами, которые образуются в результате химических реакций в процессе склеивания при более высоких температурах. Однако литературных ссылок, указывающих на такие эффекты, обнаружено не было. Другим объяснением полостей является включение газообразного аргона, который заполняет рабочую камеру во время процесса склеивания при низком давлении. Эдельманн [18] сообщил об этом эффекте для аналогичного процесса горячего тиснения.

Заключение

Основная применимость нового метода склеивания уже была продемонстрирована Winkler et al. [13]. Однако другие граничные условия из соответствующих приложений ограничивают поле параметров процесса. Например, оптические функциональные поверхности, такие как линзы, обычно формуют при температуре ниже точки размягчения из-за адгезии инструмента. Кроме того, конструкция не позволяет применять большие технологические усилия в узких электрических вводах. Поэтому в зависимости от применения необходимо выбирать оптимальное сочетание параметров процесса.

Результаты с низкой прочностью на растяжение и высокой скоростью утечки получаются при низких температурах процесса и малых усилиях процесса. Из-за высокой вязкости стекла требуется больше времени, чтобы стекло образовало однородную поверхность раздела с металлом. Поскольку все эксперименты проводились с одинаковым временем процесса 15 с, стекло не могло полностью покрыть поверхность металла при низких температурах и малых технологических усилиях, что сильно снижало качество уплотнения. Если возникает необходимость осуществить соединение при температурах ниже точки размягчения, необходимо придать поверхности шероховатость и приложить высокие прижимные усилия (см. рис. 4, 5). Более длительное время процесса редко возможно из-за плохого извлечения из формы. Хорошая механическая адгезия была достигнута при высоком технологическом усилии, приложенном для комбинации параметров на рис. 6b. Однако эта хорошая механическая адгезия не была равномерно распределена по всей поверхности склеивания, так что качество герметичного соединения не было достигнуто.

Во всех других случаях склеивание должно происходить выше точки размягчения. В этом случае чистая и гладкая поверхность не имеет функциональных недостатков в отношении прочности и качества герметизации при достаточном технологическом усилии. Однако слишком высокие температуры процесса приводят к образованию пузырьков на границе раздела. В идеале центральная площадь технологического окна получается при температуре склеивания чуть выше точки размягчения и при нагрузке на сжатие выше 2,5 МПа, независимо от шероховатости поверхности.

Резюме и перспективы

Альтернативный процесс был испытан и подтвержден для склеивания стекла и титана при средних температурах путем прессования стекла. Были исследованы наиболее важные параметры процесса, а также были измерены предел прочности при растяжении и скорость утечки. Для большинства комбинаций параметров были проверены скорости утечки ниже 1∙10 ⁻⁶ мбар∙л/с и прочность на растяжение более 7 МПа. Интерфейс материала был проанализирован с помощью СЭМ для выбранных комбинаций параметров.

Прочность на растяжение и скорость утечки могут быть улучшены за счет более высоких температур процесса и, в меньшей степени, за счет более высоких усилий процесса. Пескоструйная обработка поверхности обеспечивает лучшее качество склеивания. Применение низких технологических температур в сочетании с низкими технологическими усилиями приводит к механически слабой поверхности раздела, которая не является герметичной. При анализе СЭМ для этих образцов наблюдался большой разрыв между материалами. Использование высоких температур приводило к образованию полостей в стекле на границе раздела материалов, что не оказывало негативного влияния на качество уплотнения.

Для более глубокого понимания влияния параметров процесса необходимо понять механизмы адгезии. Хотя механической адгезией можно пренебречь, тип сил, влияющих на адгезию, нельзя определить с помощью методов, описанных в этих исследованиях. Спектроскопический анализ, такой как оже-электронная спектроскопия [19], может быть использован для анализа природы механизма адгезии.

Каталожные номера

Дональд I (2009 г.) Металлостеклянные уплотнения. Общество стекольных технологий
«>
Song S (2010) Новые стеклокерамические герметики для Na/S аккумуляторов. J Solid State Electrochem 14(9):S1735–S1740

Статья

Google ученый
Gomez-Vega J et al (2001) Биоактивные стекло-мезопористые кремнеземные покрытия на Ti ₆ Al ₄ V посредством эмалирования и золь-гелевой обработки на основе триблок-сополимера. J Biomed Mater Res A 56:382–389

Статья

Google ученый
Винклер С., Эдельманн Дж., Уэлш С., Рафф Р. (2017) Различные стратегии инкапсуляции для имплантированной электроники. Curr Dir Biomed Eng 3(2):725–728

Статья

Google ученый
Дональд И., Маллинсон П., Меткалф Б., Джеррард Л., Ферни Дж. (2011) Последние разработки в области подготовки, определения характеристик и применения уплотнений и покрытий из стекла и стеклокерамики к металлу. J Mater Sci 46:1975–2000

Статья

Google ученый
Pazo A, Saiz E, Tomsia A (1998) Покрытия из силикатного стекла на имплантатах на основе титана. Acta Mater 46:2551–2558

Статья

Google ученый
Goldstein JI et al (1995) Твердофазные реакции и фазовые соотношения в системе Ti-Si-O при 1373 K. J Am Ceram Soc 78:313–322

Статья

Google ученый
Passerone AP, Valbusa G, Biagini E (1977) Система титан-расплавленное стекло: взаимодействие и смачивание. J Mater Sci 12:2465–2474

Статья

Google ученый
Кукерт Х., Борн С., Вагнер Г., Эйфлер Д. (2001) Непроницаемое для гелия уплотнение стекла с металлом с помощью ультразвуковой сварки. Adv Eng Mater 3:903–905

Статья

Google ученый
«>
Briand D, Weber P, De Rooij NF (2004) Адгезионные свойства металлов, анодно соединенных со стеклом. Приводы Sens A Phys 114: 543–549

Артикул

Google ученый
Хандан О., Старк Д., Чанг А., Рао М.П. (2014) Анодное соединение титана в масштабе пластины для микрофлюидных приложений. Приводы Sens B Chem 205:244–248

Артикул

Google ученый
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. (2017) Патент: Компонент корпуса и способ его изготовления. 2017-05-11. WO 2017/194685 A1
Винклер С., Эдельманн Дж., Гюнтер Д., Виланд С., Зельбманн Ф., Баум М., Шуберт А. (2019) Герметизация стекла титаном путем прессования стекла при температуре размягчения. SN Appl Sci 1(6):562

Статья

Google ученый
«>
Lopez-Esteban S, Saiz E, Fujino S, Oku T, Suganuma K, Tomsia AP (2003) Биоактивные стеклянные покрытия для ортопедических металлических имплантатов. J Eur Ceram Soc 23:2921–2930

Статья

Google ученый
Goller G (2004) Влияние связующего покрытия на механические свойства биостекло-титановых покрытий, полученных плазменным напылением. Ceram Int 30:351–355

Артикул

Google ученый
Kutzke K (1998) Dichtheitsprüfungen und Lecksuche mit dem Helium-Leckdetektor: ein Leitfaden zum praktischen Einsatz bei der Qualitätssicherung und Wartung. Expert Verlag, Реннинген

Google ученый
Bischof C, Possart W (1983) Adhäsion: theoretische und Experimentelle Grundlagen. Академия Ферлаг, Берлин

Google ученый
«>
Edelmann J (2012) Mikrostrukturierung von Flachglas durch Heißprägen. Дисс. Technische Universität Chemnitz
Takahashi K, Ishii H, Takahashi Y, Nishiguchi K (1992) Валентный оже-анализ влияния отжига на взаимодействие атомов на границах раздела титан-сапфир, титан-кремнезем и серебро-диоксид кремния. Тонкие сплошные пленки 221:98–103

Артикул

Google ученый

Скачать ссылки

Благодарности

Работа была разработана в рамках пилотного проекта Fraunhofer Theranostic Implants — разработка ключевых технологий для медицины, соответствующая утверждению. Авторы благодарят Fraunhofer-Gesellschaft за поддержку.

Финансирование

Финансирование открытого доступа организовано и организовано Projekt DEAL.

Информация об авторе

Авторы и принадлежности

Институт машин и технологии формирования Фраунхофера, Fraunhofer IWU, Chemnitz, Germany

Sebastian Winkler, Jan Edelmann и Andreas Schuber
Professure и Andreas Schuber
Professure и Andreas Schuber
Professure и Andreas Schuber. Андреас Шуберт

Авторы

Себастьян Винклер
Посмотреть публикации автора

Вы также можете искать этого автора в
PubMed Google Академия
Ян Эдельманн
Посмотреть публикации автора

Вы также можете искать этого автора в
PubMed Google Scholar
Andreas Schubert
Просмотр публикаций автора

Вы также можете искать этого автора в
PubMed Google Scholar

Автор, ответственный за корреспонденцию

Ян Эдельманн.

Декларации этики

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Дополнительная информация

Примечание издателя

Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и институциональной принадлежности.

Права и разрешения

Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4. 0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате при условии, что вы укажете соответствующую ссылку на оригинальный автор(ы) и источник, предоставьте ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons на статью, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Размер атомов

Размер атомов

Металлические радиусы	Ковалентные радиусы	Ионные радиусы
Относительный размер атомов и их Ионы		Узоры в ионных радиусах

Размер атомов: металлические радиусы

Размер изолированного атома невозможно измерить, потому что мы не можем определить его местоположение
электронов, окружающих ядро. Однако мы можем оценить размер атома,
полагая, что радиус атома равен половине расстояния между соседними атомами в
твердый. Этот метод лучше всего подходит для элементов, которые являются металлами, которые образуют твердые тела.
состоит из протяженных плоскостей атомов этого элемента. Результаты этих измерений
поэтому часто называют металлические радиусы .

На рисунке ниже показано соотношение между металлическими радиусами для элементов в
Группы IA и IIA.

В этих данных есть две общие тенденции.

Металлический радиус становится в раз больше по мере того, как мы спускаемся вниз по столбцу таблицы Менделеева.
потому что валентные электроны размещены на более крупных орбиталях.
Металлический радиус становится на меньше , когда мы идем слева направо по ряду
Периодическую таблицу, потому что число протонов в ядре также увеличивается по мере того, как мы идем
через ряд таблицы. Ядро стремится удерживать электроны на одной оболочке
орбитали сближаются, а атомы становятся меньше.

Размер атомов: ковалентные радиусы

Размер атома можно оценить, измерив расстояние между соседними атомами
в ковалентном соединении. Ковалентный радиус атома хлора, например, равен
половина расстояния между ядрами атомов в молекуле Cl ₂.

Ковалентные радиусы элементов главной группы приведены на рисунке ниже. Эти данные
подтверждают тенденции, наблюдаемые для металлических радиусов. Атомов становится крупнее по мере того как мы спускаемся
столбце таблицы Менделеева, и они становятся на меньше по мере того, как мы идем по строке таблицы Менделеева.
стол.

Ковалентный радиус элемента обычно немного меньше металлического
радиус. Это можно объяснить, заметив, что ковалентные связи имеют тенденцию сжимать атомы.
вместе, как показано на рисунке ниже.

Размер атомов: ионные радиусы

Относительный размер атомов можно также изучить, измерив радиусы их ионов.

Первые ионных радиусов были получены при изучении структуры LiI, которая
содержит относительно небольшой положительный ион и относительно большой отрицательный ион. Анализ
структуры LiI основывался на следующих предположениях.

Относительно небольшие ионы Li ⁺ упаковываются в отверстия между гораздо большими I ^—
ионов, как показано на рисунке ниже.
Относительно большие ионы I ^— касаются друг друга.
Ионы Li ⁺ касаются ионов I ^—.

Если эти предположения верны, то радиус иона I ^— можно оценить по формуле
измерение расстояния между ядрами соседних иодидов. Радиус Li ⁺
Затем можно оценить ион, вычитая радиус иона I ^— из
расстояние между ядрами соседних Li ⁺ и I ^— ионов.

К сожалению, только два из трех предположений, сделанных для LiI, верны.
Ионы Li ⁺ в этом кристалле не совсем касаются ионов I ^—. Как
В результате в этом эксперименте размер иона Li ⁺ был завышен. Повторяя это
Однако анализ с большим количеством ионных соединений позволил получить
набор более точных ионных радиусов.

Относительный размер атомов и их ионов

В таблице и на рисунке ниже сравниваются ковалентные радиусы нейтральных F, Cl, Br и I.
атомы с радиусами их F ^—, Cl ^—, Br ^— и I ^—
ионы. В каждом случае отрицательный ион намного больше атома, из которого он был получен.
сформировался. На самом деле отрицательный ион может быть более чем в два раза больше нейтрального атома.

Элемент	Ковалентные радиусы (нм)	Ионные радиусы (нм)
Ф	0,064	0,136
Класс	0,099	0,181
Бр	0,1142	0,196
я	0,1333	0,216

Единственная разница между атомом и его ионами заключается в количестве электронов, которые
окружают ядро.

Пример: Нейтральный атом хлора содержит 17 электронов, а ион Cl ^—
содержит 18 электронов.

Cl: [Ne] 3 s ² 3 p ⁵

Cl ^— : [Ne] 3 s ² 3 p ⁶

Потому что ядро не может удерживать 18 электронов в ионе Cl ^— так крепко, как
17 электронов в нейтральном атоме, отрицательный ион значительно больше, чем
атом, из которого он образуется.

По той же причине положительные ионы должны быть меньше атомов, из которых они состоят
сформировался. 11 протонов в ядре иона Na ⁺, например, должны быть
способен удерживать 10 электронов на этом ионе сильнее, чем 11 электронов на нейтральном
атом натрия. В таблице и на рисунке ниже представлены данные для проверки этой гипотезы. Они сравнивают
ковалентные радиусы для нейтральных атомов элементов группы IA с ионными радиусами для
соответствующие положительные ионы. В каждом случае положительный ион намного меньше атома.
из которого он образуется.

Элемент	Ковалентные радиусы (нм)	Ионные радиусы (нм)
Ли	0,123	0,068
Нет данных	0,157	0,095
К	0,2025	0,133
Руб	0,216	0,148
Cs	0,235	0,169

Практическая задача 1:

Сравните размеры
нейтральные атомы натрия и хлора и их ионы Na ⁺ и Cl ^—.

Нажмите здесь, чтобы
проверьте свой ответ на практическое задание 1

Относительный размер положительных и отрицательных ионов имеет важное значение для
Строение ионных соединений. Положительные ионы часто настолько малы, что скапливаются в дырках.
между плоскостями соседних отрицательных ионов. В NaCl, например, Na ⁺ ионов
настолько малы, что ионы Cl ^— почти соприкасаются, как показано на рисунке ниже.

Узоры в ионных радиусах

Атомы становятся больше, когда мы спускаемся вниз по столбцу периодической таблицы. Мы можем изучить тенденции
в ионных радиусах по строке периодической таблицы путем сравнения данных для атомов и ионов
изоэлектронных атомов
или ионы с одинаковым числом электронов. В таблице ниже собраны данные о
радиусы ряда изоэлектронных ионов и атомов элементов второго и третьего ряда.

Радиусы для изоэлектронных атомов или ионов второго и третьего рядов

Атом или ион	Радиус (нм)	Электронная конфигурация
С ^4-	0,260	1 с ² 2 с ² 2 р ⁶
Н ^3-	0,171	1 с ² 2 с ² 2 р ⁶
О ^2-	0,140	1 с ² 2 с ² 2 р ⁶
Ф ^—	0,136	1 с ² 2 с ² 2 р ⁶
Не	0,112	1 с ² 2 с ² 2 р ⁶
Нет данных ⁺	0,095	1 с ² 2 с ² 2 р ⁶
мг ²⁺	0,065	1 с ² 2 с ² 2 р ⁶
Ал ³⁺	0,050	1 с ² 2 с ² 2 р ⁶

Данные в этой таблице легко объяснить, если учесть, что эти
атомы или ионы имеют по 10 электронов, но число протонов в ядре увеличивается
из 6 в С ^4- до 13 в ионе Al ³⁺.

Методика измерение металлосвязи: Испытание и измерение металлосвязи, как проводится проверка металлосвязи

Полезная информация — Технадзор 77

Полезная информация — Технадзор 77

Характеристика метода склеивания для герметизации титан-стекло

Сопутствующее содержимое

Материаловедение: достижения в области материалов и методов обработки

Abstract

Введение

Установка и процедура для проверки свойств склеивания

Образец конструкции

Процесс склеивания: прессование стекла

Измерение прочности на растяжение и скорости утечки

Результаты и обсуждение

Прочность связи при растяжении и скорость утечки

Механизм соединения

Заключение

Резюме и перспективы

Каталожные номера

Благодарности

Финансирование

Информация об авторе

Авторы и принадлежности

Автор, ответственный за корреспонденцию

Декларации этики

Конфликт интересов

Дополнительная информация

Примечание издателя

Права и разрешения

Об этой статье

Размер атомов

Комментарии

Добавить комментарий Отменить ответ