Los componentes alojados en acero inoxidable para protección contra entornos extremos vistos en las industrias aeroespacial y de defensa requieren caminos para que la electricidad los alimente y se comunique con ellos. Esos caminos a su vez necesitan un sello de aislamiento confiable para evitar el contacto con la carcasa de metal que podría cortocircuitarfuera de las líneas de poder y comunicación.
Los fuertes lazos entre materiales para sellos herméticos o herméticos son cruciales, y Sandia National Laboratories continúa avanzando en cómo hacerlo.
Por lo general, el material utilizado para aislar las rutas eléctricas es vidrio o un compuesto de vitrocerámica. El trabajo de Steve Dai, investigador principal para un proyecto sobre la unión de la vitrocerámica al acero inoxidable, tiene como objetivo desarrollar ciencia fundamental en materiales y procesamiento para materiales de alta calidad.rendimiento y alta fiabilidad de los sellos de vidrio, cerámica y metal. Esa base científica podría utilizarse para diseñar, desarrollar y fabricar sellos de próxima generación.
El equipo de Dai presentó una solicitud de patente provisional en noviembre para óxidos de unión interfacial para sellos de vidrio, cerámica y metal.
Un sello duradero necesita un fuerte enlace químico entre la vitrocerámica y el metal y una coincidencia estrecha del coeficiente de expansión térmica CTE entre los materiales. El CTE define cómo cambia el tamaño de un objeto a medida que cambian las temperaturas. Una vitrocerámicacon fases cristalinas formadas dentro del vidrio original, aumenta el CTE para que coincida mejor con la carcasa de metal y reduce las tensiones térmicas.
Debido a que los metales de vidrio unidos deben procesarse a temperaturas muy altas, "debemos manejar el desajuste térmico con mucho cuidado para asegurarnos de que durante cualquier etapa del proceso de sellado no haya tensión o tensión de tensión en el vidrio que pueda causar una grieta oseparación irrecuperable de la carcasa de metal ", dijo Dai.
Posibles usos industriales vistos
Un sello que es fuerte a altas temperaturas y presiones también tiene usos industriales potenciales, como en celdas de combustible y aplicaciones aeroespaciales o de defensa que operan en entornos extremos.
El vidrio puro se encoge menos a altas temperaturas que el metal. El desajuste hace que el metal se engarce, comprimiendo el sello. Eso tiene ventajas y desventajas. "Lo bueno es que no tiene que tener una buena unión porque hay muchode compresión; la desventaja es que podría haber demasiada compresión, lo que podría romper el vidrio con el tiempo ", dijo Dai.
Su equipo buscó hacer un enlace químico entre el metal y la cerámica de vidrio, sin agregar pasos a la producción, al establecer una capa de unión interfacial, un material de puente que se une tanto al acero como al vidrio ". Es muy difícil porque estos son dos muymateriales diferentes, una pieza de acero y una pieza de vitrocerámica. Casi no comparten nada ", dijo Dai.
Los sellos de vidrio a metal se procesan en una atmósfera inerte desprovista de oxígeno porque el metal toma oxígeno de la atmósfera, lo que provoca oxidación y óxido. Pero el proceso contiene una contradicción inherente: un enlace de metal a una vitrocerámica requiere un óxido, por lo que la capa de unión interfacial es realmente una capa de óxido interfacial.
"Ese es el desafío fundamental, ¿cómo lo hacemos?", Dijo Dai. Algunos procesos preoxidan el metal, pero Sandia quería evitar ese paso adicional.
Enfoque de vitrocerámica modificada con oxidante
El enfoque termodinámico de Dai modificó, o dopó, el sellador de vitrocerámica con un oxidante. Ese oxidante, que sirve como óxido metálico de sacrificio, se descompone y migra a altas temperaturas, proporcionando oxígeno para oxidar el cromo metálico en el acero inoxidable. El cromoEl enlace de óxido formado en la interfaz de vidrio-cerámica y metal da como resultado sellos herméticos.
El equipo realizó 24 composiciones de vitrocerámica modificadas potenciales usando una variedad de óxidos metálicos que no eran tóxicos y razonablemente fáciles de manejar, como el óxido de cobalto ". La mayor parte del trabajo realmente dice, 'OK, cuántos metales depodemos usar la tabla periódica y cuando dopamos nuestro vidrio con estos óxidos metálicos de sacrificio, ¿qué cantidad necesitamos para doparlo? ", dijo Dai.
Los investigadores quieren que el material de vidrio cerámico dopado entregue oxígeno en la interfaz, no en la superficie de la cerámica de vidrio ". La idea es entregar oxígeno en el lugar correcto. Esa es una especie de línea fina que tiene que ver conlas propiedades de los materiales y la forma en que los procesas ", dijo Dai.
El equipo identificó dos composiciones de vitrocerámica modificadas que funcionaron mejor. Dai dijo que no son perfectas, pero son un gran paso adelante. "Básicamente vemos un enlace químico entre la vitrocerámica y el metal, y esun vínculo muy fuerte ", dijo." Si lo rompemos, rompemos el vidrio ".
Sandia también desarrolló una forma de probar si se establece la unión interfacial y, de ser así, si es lo suficientemente fuerte como para garantizar que el vidrio no se rompa.
teniendo en cuenta todos los factores
Se deben considerar otros factores. Sin un procesamiento cuidadoso, el vidrio se adhiere a otras superficies, así como a la carcasa de metal. Para evitar eso, el proceso de unión utiliza grafito para los accesorios que sujetan piezas de metal y vitrocerámica mientras se adhiereestá formado.
Pero el grafito, como el acero inoxidable, lucha por el oxígeno.
"Esencialmente, eso es una especie de competencia termodinámica", dijo Dai. "Si mi carcasa de metal obtiene ese oxígeno para formar el óxido de enlace, eso es todo lo que quiero. Si el grafito toma ese oxígeno, no sirve de nada.Ese delicado equilibrio de la reacción es muy desafiante ".
Los primeros dos años del proyecto de tres años de Investigación y Desarrollo Dirigido en Laboratorio LDRD de Dai se centraron en el proceso de unión. El último año estudió cómo controlar la cristalización de vitrocerámica para garantizar la mejor combinación térmica. El financiamiento LDRD ha terminado, peroel trabajo continúa con otros fondos debido a su potencial para ayudar a la producción. Aunque el proyecto no estaba dirigido a una aplicación inmediata, los investigadores encontraron una oportunidad a corto plazo para ayudar a un equipo de producción de armas con una mejor combinación térmica entre la cerámica de vidrio y el metal.
Durante el sellado, la vitrocerámica pasa por una fase de cristalización, que permite la formación de una fase cristalina de alta expansión, aumentando el CTE de la vitrocerámica para que coincida mejor con los metales con alto CTE como el acero inoxidable. Sin embargo, debido a la brusquedadcambio de volumen asociado con esa fase cristalina, la expansión de la vitrocerámica no está bien distribuida sobre el cambio de temperatura que ocurre durante el procesamiento. Por lo tanto, la tasa de tensión térmica entre el metal y la vitrocerámica no coincide.
Gestión de la fase cristalina difícil pero importante
El equipo estaba interesado en gestionar el proceso de cristalización rompiéndolo para formar dos o tres fases cristalinas de alta expansión, con los cambios bruscos de volumen en cada fase a temperaturas de varios cientos de grados de separación. El concepto requiere comprender qué temperaturas producen ciertos cristalesetapas.
"Intentamos hacer dos o más cristalizaciones múltiples para suavizar la deformación térmica de la vitrocerámica", dijo Dai. "Como resultado, ya no tiene este cambio de deformación no lineal, casi escalonado en la vitrocerámica. Es una curva de deformación casi lineal y se adapta mucho mejor a los metales ".
Manejar múltiples fases de cristalización a temperaturas muy altas es un desafío. "Necesitamos aprender esa parte del proceso para asegurarnos de tener un buen equilibrio de todas las fases, hacer que todas cristalicen en la secuencia correcta e idealmente en la proporción correcta".", Dijo Dai. Él cree que el esfuerzo dará como resultado una forma consistente de mejorar los sellos herméticos.
Su equipo está desarrollando métodos de verificación para ver si el proceso funciona para aplicaciones de producción. Luego, los investigadores estudiarán si el proceso produce consistentemente los resultados deseados.
"Una vez que lleguemos a ese punto, nos aseguraremos de que las especificaciones correctas estén en su lugar y que las partes procesadas tengan ciertas propiedades para que la agencia de producción pueda hacer el proceso de forma continua utilizando sus equipos", dijo Dai.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorios Nacionales Sandia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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