فهرست مطالب

عنوان مطالب                                                                                                     شماره صفحه

 

چکیده 1

فصل اول: کلیات 2

1-1-مقدمه 3

فصل دوم: اصول نظری و مروری بر منابع 6

2-1- مقدمه 7

2-2- خواص شیشه بوروسیلیکاتی 7

2-3- خواص آلیاژ کوار 8

2-4- شرایط اتصال شیشه و فلز 9

2-4-1- ضریب انبساط حرارتی 9

2-5- ترشوندگی 11

2-6- روش های اتصال فلز و شیشه 13

2-6-1- اتصال چسبی 14

2-6-2- اتصال ذوبی 15

2-6-3- لحیم کاری 15

2-6-4- جوش انقباضی آلتراسونیک 16

2-6-5- اتصال نفوذی 17

2-6-6 اتصال الکتروستاتیکی 19

2-7 – طبقه بندی اتصالات شیشه – فلز بر اساس ضریب انبساط حرارتی 20

2-8- مکانیزم اتصال کوار به شیشه بوروسیلیکاتی 22

2-9 – مراحل اتصال فلز و شیشه 23

2-9-1- تمیز کردن سطوح 23

2-9-2- پیش اکسیداسیون سطح آلیاژ  قبل از اتصال 23

2-9-3- کربن زدایی و گاززدایی 26

2-9-4- آنیل کردن 27

2-10- بررسی فصل مشترک اتصال کوار و شیشه 28

2-12- بررسی اکسیداسیون آلیاژ کوار 29

2-13- بررسی تاثیر دما، زمان و اتمسفر در اتصال کوار به شیشه بوروسیلیکاتی 31

2-14- تست نشت 36

2-15- بررسی سطح مقطح اتصالات 37

2-16- بررسی استحکام برشی اتصال کوار به شیشه بوروسیلیکاتی 39

2-17- تست مکانیکی اتصال فلز و شیشه 41

2-17-1- استحکام اتصال 43

2-17-2- تست ضربه در  اتصال فلز- شیشه 44

2-17-3 – تست کشش در اتصال شیشه و فلز 47

فصل سوم : روش انجام کار 49

3-1-برقراری اتصال میان شیشه بوروسیلیکاتی و آلیاژ کوار 50

3-1-1- تهیه مواد اولیه 50

3-1-2- آماده سازی اولیه نمونه ها به منظور برقراری اتصال 50

3-1-3-پرداخت و تمیز کاری 51

O 52

O 53

3-2- اتصال شیشه ی بوروسیلیکاتی و آلیاژ کوار 55

3-2-1- فرایند اتصال در اتمسفر نیتروژن به روش تابشی در کوره تیوبی 55

3-2-3- برقراری اتصال از طریق گرمادهی القایی در اتمسفر نیتروژن 60

3-3- اندازه گیری استحکام کششی نمونه های اتصال یافته 62

فصل چهارم: نتایج و تحلیل 64

4-1- نتایج تست دیلاتومتری 65

O 69

4-3- بررسی مکانیزم اتصال ایجاد شده بین شیشه بورو سیلیکاتی و آلیاژکوار 72

4-4- نتایج آزمون کشش نمونه های اتصال 73

نتیجه گیری 81

پیشنهادات 82

منابع و ماخذ 83

 

 

 

فهرست جداول

عنوان مطالب                                                                                       شماره صفحه

جدول 2-1 ، ترکیب شیمیایی شیشه بوروسیلیکات 8

جدول 2-2 تركیب شیمیایی آلیاژ كوار 9

جدول2-3، پارامترهای استفاده شده برای سه گروه از نمونه ها 31

جدول 2-4،  تنش شکست متوسط بر حسب اتمسفر 40

جدول2-5، میزان نیرو و تنش برای تست ضربه 47

جدول 3-1، ترکیب شیمیایی آلیاژ کوار 50

 

جدول 3-2، ترکیب شیمیایی شیشه بوروسیلیکاتی 50

جدول 3-3، شرایط اکسیداسیون سطح کوار 53

جدول 3-4، شرایط نگهداری نمونه ها در کوره 59

جدول 3-5، زمان و دمای نگهداری نمونه ها 59

جدول4-1، ضرایب انبساط حرارتی در دماهای مختلف برای شیشه 65

جدول 4-2، شرایط اکسیداسیون و افزایش وزن نمونه های اکسید شده در اتمسفر در دمای 20 درجه 70

جدول 4-3، شرایط اکسیداسیون وافزایش وزن نمونه های اکسید شده در اتمسفر در دمای 25 درجه 70

جدول 4-4، نیروی شکست لازم برای نمونه ها در زمان ثابت و دماهای متفاوت 76

جدول 4-5، نیروی شکست نمونه ها در دمای ثابت 1000 درجه و زمان های مختلف 79

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست شکل ها

عنوان مطالب                                                                                                شماره صفحه

 

شکل2-1، متمرکزکننده سهمی گون، لوله های گیرنده روی خط کانونی قرار گرفته اند 4

شکل2-2، شمایی از لوله گیرنده خورشیدی 5

شکل 2-3، تنشهای حرارتی باقیمانده در فرایند اتصال سرامیک و فلز 10

شکل2-4، ترشوندگی سطح جامد توسط مایع برای زوایای مختلف‏ 11

شکل2-5، زاویه تماس بین شیشه بوروسیلیکات و آلیاژ کوار  با پیش اکسیداسیون در زمان های مختلف 12

شکل 2-6، تصویر الکترون برگشتی و پراش اشعه ایکس از ناحیه اتصال‎ ‎کوار و شیشه بوروسیلیکاتی‏ 13

شکل 2-7، زاویه ترشوندگی ‏q، با انرژی سطحی مایع – بخار ‏gLV‏ ، انرژی سطحی جامد – بخار ‏gSV‏ و انرژی سطحی جامد – ‏مایع  ‏gSL‏ ‏‏‏ 15

شکل 2-8- جوش انقباضی ـ آلتراسونیک 17

شکل2-9، مکانیزم اتصال نفوذی(القایی) 18

شکل 2-10، اتصال الکتروستاتیکی‏ 20

شکل 2-11، طبقه بندی اتصالات شیشه – فلز بر اساس ضریب انبساط حرارتی‏ 21

شکل 2-12، میکروساختار آلیاژ کوار 24

شکل 2-13، پراش پرتو ایکس آلیاژ کوار که با نمونه های مورد استفاده در تیوب اشعه ایکس  پزشکی و دندان پزشکی مقایسه ‏شده است 25

شکل 2-14، تصویر الکترون های برگشتی و ‏EDX‏  آلیاژ ‏Fe-Ni-Co‏ 25

شکل2-15، ضخامت و افزایش وزن آلیاژ پیش اکسید شده با شعله نازل ‏LPG/O2‎‏ 26

شکل2-16، تغییرات وزن آلیاژ کوار با زمان دی کربوره شدن‏ 27

شکل2-17، پراش اشعه ایکس از سطح مقطه آلیاژ کوار پیش اکسید شده 28

شکل 2-18، ارتباط بین نرخ اکسایش و زمان نگهداری 29

شکل 2-19، میکروگراف لایه اکسید بر سطح آلیاژ کوار در دمای 700 درجه سانتی گراد 30

شکل 2-20، میکروگراف لایه اکسید تشکیل شده بر سطح کوار در دمای 800 درجه سانتی گراد 30

شکل 2-21، نمونه های گروه‎ A‏ آلیاژ اکسید شده کوار که در دمای 925 درجه گرم شده و به مدت 15 دقیقه در کوره در ‏اتمسفر نیتروژن نگه داشته ‏شده است 31

شکل 2-22، نمونه های گروه‎ B‏ آلیاژ اکسید نشده کوار که در دمای 925 درجه گرم شده و تنها فقط  به مدت 15 دقیقه در ‏کوره در اتمسفر نیتروژن ‏نگه داشته شده است ‏ 31

شکل2-23، بررسی سطح مقطع اتصال توسط ‏SEM-BEI‏ و اسکن خطی ‏X-ray‏ در اتمسفر هوا 32

شکل2-24، بررسی سطح مقطع اتصال توسط ‏SEM-BEI‏ و اسکن خطی ‏X-ray‏ در اتمسفر خلا ‏ 33

شکل 2-25، تصویر ‏SEM‏ دندریت های تشکیل شده در اتمسفر هوا   34

شکل2-26، گراف آنالیز ‏EDS‏ شیشه بوروسیلیکاتی (‏b‏) بعد و (‏c‏) قبل از اتصال 34

شکل 2-27، تصویر ‏TEM‏ اتصال و تشخیص فاز های تشکیل شده به کمک الگوی پراش موضعی ‏ 35

شکل 2-28،تصویر ‏TEM‏ اتصال در شرایط اتمسفر خلاء و شناسایی فاز های موجود به کمک الگوی پراش موضعی 35

شکل2-29، شماتیک فرایند تشکیل دندریت های ‏Fayalite‏ از طریق لایه واسطه 36

شکل2-30، سطح مقطع اتصال کوار- شیشه بوروسیلیکاتی 38

شکل 2-31، ارتباط ارتفاع صعود گاز و زمان اکسیداسیون.‏ 39

شکل 2-32، ارتباط نقطه شبنم با میزان صعود گاز 39

شکل 2-33، آنالیز ‏ESCA‏ سطح شکست نمونه تهیه شده در نیتروژن 40

شکل 2-34، شماتیک اتصال ، لایه واکنش و تمامی عیوب محتمل‏ 42

شکل2-35، انواع مختلف تست های مکانیکی  ‏a‏) تست کشش، ‏b‏) تست خمش سه نقطه ای، ‏c‏) تست خمش چهار نقطه ای، ‏d‏) ‏تست برشی، ‏‎ e‏) ‏تست برش روی حلقه یا استوانه 43

شکل 2-36، تست فشار در ناحیه اتصال.‏ 44

شکل 2-37، تنشهای اصلی در اتصال فلز و شیشه 44

شکل 2-38، مدل سازی شدت تنشهای کششی در اتصال فلز شیشه.‏ 45

شکل 2-39، نحوه بارگذاری برای تعیین تنشها 46

شکل2-40،  منحنی نیرو در دمای اتاق و 300 درجه فارنهایت.‏ 47

شکل 2-41تست كشش اتصال شیشه – فلز 48

شکل 3-1، نمونه اتصال 51

شکل 3-2، گرادیان حرارتی کوره تیوبی.‏ 52

‏3-‏‎3‎‏ تغییرات تقریبی درصد وزنی رطوبت اشباع شده در هوا یا گاز نیتروژن نسبت به دما( با اغماض می توان میزان حلالیت آب ‏در هوا و ‏نیتروژن ‏‏را یکسان دانست) 54

شکل 3-‏‎4‎‏ ، کوره تیوبی 56

شکل 3-5، دستگاه دیلاتومتری 57

شکل 3-6، نمونه بسته شده بر روی انتقال دهنده 57

شکل 3-7، نمای بیرونی دستگاه القای ساخته شده 61

شکل 3-8، نمای داخلی دستگاه القای ساخته شده 62

شکل 3-9، دستگاه کشش 63

شکل 4-1، منحنی آزمون دیلاتومتری برای شیشه بوروسیلیکاتی محصول شات آلمان 66

شکل 4-2، نرخ انبساط حرارتی شیشه و فلز 67

شکل 4-3، نرخ انبساط حرارتی شیشه و کوار ، نمونه شماره 1‏ 68

شکل 4-4، نرخ انبساط حرارتی شیشه و کوار ، نمونه شماره2‏ 68

شکل 4-5، نرخ انبساط حرارتی شیشه و کوار ، نمونه شماره 3‏ 69

شکل 4-6، نمودار تغییرات وزن بر واحد سطح نمونه ها، دمای مخزن آب 20 درجه سانتی گراد 71

شکل 4-7، نمودار تغیرات وزن بر واحد سطح نمونه ها، دمای مخزن آب 25 درجه سانتی گراد 71

شکل 4-8، نمونه شماره 1،نمودار کشش در زیر دمای 940 درجه سانتی گراد و زمان 4 دقیقه 74

شکل 4-9، نمونه شماره 1،نمودار کشش در زیر دمای 970 درجه سانتی گراد و زمان 4 دقیقه 74

شکل 4-10، نمونه شماره 1،نمودار کشش در زیر دمای 1000درجه سانتی گراد و زمان 4 دقیقه 75

شکل 4-11، نمونه شماره 1،نمودار کشش در زیر دمای 1030 درجه سانتی گراد و زمان 4 دقیقه 75

شکل 4-12، نمونه شماره 1،نمودار کشش در زیر دمای 1060 درجه سانتی گراد و زمان 4 دقیقه 76

شکل 4-13، نمودار کشش در زیر دمای 1000 درجه سانتی گراد و زمان 6دقیقه 77

شکل 4-14، نمودار کشش در زیر دمای 1000 درجه سانتی گراد و زمان 10دقیقه 77

شکل 4-15، نمودار کشش در زیر دمای 1000 درجه سانتی گراد و زمان 14 دقیقه 78

شکل 4-16، نمودار کشش در زیر دمای 1000 درجه سانتی گراد و زمان 20 دقیقه 79

 

 

 

 

 

 

چکیده

 

اتصال شیشه به فلز یکی از موارد مهم در تجهیزاتی نظیر لوازم برقی مثل لامپ های رشته ای  ویا متمرکز کننده های نیروگاه های خورشیدی و موارد دیگر میباشد. استفاده همزمان از شیشه و فلز نیازمند یک اتصال با کیفیت مناسب در فصل مشترک اتصال است.

هدف پژوهش حاضر، به دست آوردن یک اتصال قابل اطمینان بین آلیاژ کوار و شیشه بوروسیلیکاتی بود. برای حصول این نتیجه، اختلاف ضریب انبساط حرارتی بین شیشه و کوار با بهره گرفتن از آزمون دیلاتومتری سنجیده شد و مواد اولیه دارای کمترین اختلاف ضرایب انبساط حرارتی شیشه و کوار بین نمونه­های مختلف برای انجام اتصال انتخاب شدند. با توجه به ماهیت غیر فلزی شیشه، ایجاد اتصال متالورژیکی با یک فلز به صورت مستقیم از لحاظ موضوع تر شوندگی غیر ممکن است. لذا ایجاد یک لایه واسطه از طریق پیش اکسیداسیون، به عنوان راه حل این مشکل اتخاذ شد. خواص مکانیکی اتصال توسط آزمون کشش در دماها و زمان­های مختلف بررسی شد. نمونه با بیشترین میزان نیروی شکست به عنوان مناسب ترین نمونه در نظر گرفته شد.

 

کلید واژه: آلیاژ کوار، شیشه بوروسیلیکاتی، روش­های اتصال، ضریب انبساط حرارتی، خواص مکانیکی، ترشوندگی.

 

 

فصل اول: کلیات

 

 

 

1-1-مقدمه

امروزه تولید الکتریسیته خورشیدی در حال پیشرفت نوید بخشی است. توجه روز افزون به اثرات مخرب زیست محیطی سایر روش های تولید جریان الکتریکی، مزایای الکتریسیته خورشیدی را آشکار می سازد. هزینه تولید الکتریسیته از روش های حرارتی و خورشیدی، کمتر از هزینه تولید آن در نیروگاه های سوخت فسیلی خواهد بود. تولید الکتریسیته از چند وات تا به اندازه تولید یک نیروگاه معمولی، توسط فناوری­های الکتریسیته خورشیدی امکان پذیر است. در حال حاضر شش روش مختلف برای تولید الکتریسیته از انرژی خورشیدی شناخته شده است که عبارتنداز: آینه خورشیدی، سهمی گون دریافت کننده مرکزی، آینه­های بشقابی، دودکش خورشیدی، استخر خورشیدی و سلول­های نوری فتوولتائیک[1].

امروزه شیوه تولید جریان الکتریسیته توسط آینه­های سهمی­گون، جایگزینی برای شیوه ­های معمول تولید برق شده است. به عنوان نمونه، نیروگاه آینه­های سهمی­گون کالیفرنیا با ظرفیت 345 مگاوات، در مدت کارکرد ده ساله، پنج هزار گیگاوات ساعت الکتریسیته تولید کرده است که این میزان، هشتاد درصد کل انرژی خورشیدی تولیدی در دنیاست [2].

متمرکز کننده های خورشیدی سهمی شکل با گیرند­ه­های لوله­ای خلا،  تکنولوژی اصلی مورد استفاده در  نیروگاه­های تولید انرژی الکتریکی با بهره گرفتن از گرمای خورشید هستند. این ابزارها، کم هزینه­ترین نوع تجهیزات در مقیاس وسیع هستند که امروزه در دسترس می باشند و با بهره گرفتن از  نور خورشید متمرکز شده که به عنوان منبع حرارت برای سیکل رانکین می باشد، انرژی الکتریکی تولید می­ کنند[3]. جمع کننده انرژی خورشید از آینه­های سهموی تشکیل یافته که  تابش اشعه خورشید را روی خط کانونی آن­ها متمرکز می کند و گیرنده، به صورت لوله‌ای در خط کانونی منعکس کننده‌ها قرار دارد. در داخل این لوله روغن مخصوصی در جریان است که بر اثر حرارت پرتوهای خورشید، گرم و داغ می‌گردد. سیال انتقال حرارت که در گیرنده پمپاژ وارد می­ شود،  از طریق پدیده همرفت و دیوارهای گیرنده گرم می شود. سپس این سیال وارد یک بلوک می شود که در آن از طریق گرمای انتقال یافته، بخار تولید می شود. انرژی بخار در چرخه توربین بخار رانکین، به الکتریسیته تبدیل می­ شود[4]. تصویر یک متمرکزکننده سهمی­گون در شکل 2-1 نشان داده شده است.

 

شکل2-1، متمرکزکننده سهمی گون، لوله های گیرنده روی خط کانونی قرار گرفته اند [2].‏

 

برای بهره‌گیری بیشتر و افزایش بازدهی لوله گیرنده، سطح آن را با اکسید فلزی که ضریب انبساط بالایی دارد پوشش می‌دهند و هم­چنین در محیط اطراف آن، لوله ای شیشه‌ای به صورت لفاف پوشیده می‌شود تا از تلفات گرمایی و افت تشعشعی جلوگیری گردد و نیز از لوله دریافت کننده محافظت به عمل آید. ضمناً بین این دو لوله خلا به وجود می‌آورند تا پرتوهای تابشی خورشید در تمام طول روز به صورت مستقیم به لوله دریافت کننده برسد.

اتصال شیشه به فلز در لوله گیرنده، نه تنها نیازمند استحکام مکانیکی معینی است بلکه در شرایط خلا بسیار بالا، باید مانع عبور گازها به داخل سیستم گردد. دست یابی به اتصال خوب بین فلز و شیشه در لوله گیرنده در سیستم­های گرمایش خورشیدی با دشواری هایی همراه است. شکست و یا جدا شدن اتصال شیشه – فلز  در این سیستم­ها، یکی از پرهزینه ترین فاکتورها در کارخانجات تولید سلول­های خورشیدی سهموی شکل می باشد که باعث کاهش بازدهی سیستم نیز می شود.