玻璃钢低温粘接性能的研究

摘要

SQUID(即超导量子干涉仪)所用无磁杜瓦中不同的玻璃钢部件之间采用螺纹粘接的方式连接。既保证低温下粘接的牢固性，又保证其真空密封性和耐久性，是低温粘接技术的关键。本文采用氦质谱仪对螺纹粘接接头的真空性能进行了实验研究。结果表明螺纹粘接接头在常温、一次液氮浸泡及高温烘烤后均可以保持较好的真空密封性，但承受多次冷却并复温后尽管没有发生机械破坏，却发生真空失效。 为验证真空失效是否是由循环的热应力载荷所引起，本文作了两方面工作：一是用MTS810试验机向试样施加循环压缩载荷以模拟冷热循环所产生的热应力，结果在一定次数后，接头首先发生了真空失效；二是针对试样进行热应力分析，结果表明试样上端接头的应力水平更高，而发生真空失效的接头恰好均位于试样两端。因此无磁杜瓦中粘接接头在低温下真空性能的破坏是由于冷热循环过程中反复出现的稳态和瞬时热应力所引起的，这种真空失效和机械破坏不一致的，并先于机械破坏发生。无磁杜瓦中粘接接头的设计应以真空失效为主要依据。 因热应力是引起真空失效的主要原因，本文对低温下的纹粘接接头进行了几何非线性稳态热应力分析以及瞬时热应力分析。结果表明几何非线性的结果与线性结果相差一般不大于6％，是否要考虑应根据具体情况而定。瞬时热应力峰值远高于稳态时的热应力水平，可达到稳态时数值的2.5倍以上。这是因为稳态热应力主要由接头区域从常温到低温的温度变化所引起，而瞬时热应力则是由温度变化和温度梯度共同引起的。稳态时应力集中发生在胶填角的两端，而瞬时应力集中发生在胶填角的外边缘，因此在无磁杜瓦的粘接过程中要十分注意挤压出来的胶填角的形状。此外本文尽可能宽的合理范围内讨论了物性参数变化、螺纹长度、螺距以及胶层厚度对粘接接头处应力分布以及应力水平的影响，对胶和玻璃钢的物性参数提出了要求，并建议加注液氮时可先用氮气预冷，以减小瞬时峰值应力。 增加低温粘接耐久性的另一措施是进行表面处理以提高接头的粘接强度。本文将改进的单粗糙源模型与整个表面的统计模型相结合，建立了完整的粗糙度——粘接强度数学模型。所建立模型由单粗糙源的形状模型、单粗糙源表面的应力分析、粗糙源对粘接性能的影响以及粗糙源与强度关系的统计模型共四部分组成。将单粗糙源表面的应力分析结果用合适的公式进行拟合，再将之与粗糙源的统计分布模型相结合，是建立本模型的关键。所建立模型在预测玻璃钢和低温胶组合时获得了很好的效果，在定量描述粗糙度与粘接强度关系方面取得了进展。但模型在粗糙度很小时偏差较大，且适用性还有待进一步提高。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:符号说明

声明

第一章 前言

1.1低温粘接技术的研究背景

1.1.1SQUID

1.1.2无磁杜瓦

1.1.3低温粘接在其它领域的应用

1.1.4粘接的优点及应用

1.1.5低温下粘接存在的问题

1.2低温粘接技术的研究现状

1.2.1粘接机理的研究

1.2.2低温粘接研究的现状

1.2.3粘接接头的热应力研究情况

1.2.4表面形貌的影响

1.3需要解决的问题

1.4本文的主要工作

1.4.1实验研究

1.4.2理论分析

第二章螺纹粘接接头真空性能的实验研究

2.1引言

2.2螺纹粘接接头在室温、冷冲击、加热条件下真空性能的实验研究

2.1.1试样

2.1.2试样的粘接过程

2.1.3抽真空检测

2.1.4氦质谱仪测量漏率

2.1.5结果及误差分析

2.1.6结果分析及小结

2.2螺纹粘接接头在多次冷热循环处理后真空性能的实验研究

2.2.1试样的加工

2.2.2循环冷热载荷实验过程

2.2.3实验结果

2.2.4讨论及小结

第三章粘接接头真空失效的机理研究

3.1引言

3.2试样及实验装置

3.2.1试样的加工

3.2.2实验装置

3.2.3实验过程

3.3压缩实验中的真空性能变化

3.3.1载荷-位移的实验结果及讨论

3.3.2真空度变化情况的实验结果及讨论

3.4循环载荷下的真空性能变化结果

3.5本章小结

第四章螺纹粘接接头低温下的几何非线性热应力分析

4.1粘接接头型式和有限元模型

4.2热分析

4.3几何非线性应力分析

4.3.1杜瓦变形及几何非线性

4.3.2热应力分析

4.4粘接接头低温热应力的影响因素

4.4.1液氮量对热应力的影响

4.4.2低温下材料物性对热应力的影响

4.4.3螺纹长度对热应力分布的影响

4.4.4螺距对热应力分布的影响

4.4.5胶层厚度米塞斯应力分布的影响

4.5本章小结

第五章无磁杜瓦中不同粘接结构接头型式热应力的比较

5.1不同粘接结构接头型式的建模

5.2不同粘接结构接头型式的热分析比较

5.3不同粘接结构接头型式的几何非线性热应力比较

5.4本章小结

第六章螺纹粘接接头在低温下的瞬时热应力分析

6.1粘接接头型式和有限元模型

6.2热分析

6.3热应力分析

6.4低温物性变化对瞬时热应力的影响

6.5.针对实验试样的热应力分析

6.6.本章小结

第七章不同表面形貌下粘接强度的数学模型

7.1单个粗糙源表面的形状模型

7.1.1凹陷宽度S的计算

7.1.2单个凹陷粗糙度的计算

7.2微观表面破坏的判断条件

7.2.1单个表面粗糙源对粘接强度影响的模型

7.2.2计算结果的拟合

7.3表面形貌的概率分布模型

7.4粗糙度与粘接强度关系的模型

7.5实验过程及结果

7.5.1试样加工

7.5.2粗糙度的测量

7.5.3粘接强度的测试

7.6计算结果与讨论

7.6.1计算结果与实验数据的比较

7.6.2模型的不足

7.6.3材料物性的影响

7.7本章小结

第八章总结与展望

8.1总结

8.1.1粘接接头真空失效的机理研究

8.1.2无磁杜瓦粘接接头热应力分析

8.1.3粗糙度——粘接强度模型

8.2创新性

8.3展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文