低溫玻璃鋼材料的真空放氣性能研究.pdf

1、環(huán)氧玻璃鋼是以環(huán)氧樹脂為粘結(jié)劑，以玻璃鋼纖維為增強(qiáng)材料，同時以聚酰胺樹脂作為固化劑而制成的，它在低溫下有很好的性能，又被稱作為低溫玻璃鋼。它具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)小、電絕緣性能好、能透過電磁波、隔聲、減震、成型方便、工藝簡單等特點，特別適合于制作貯存容器和恒溫器，尤其是超導(dǎo)量子干涉器(SQUID)弱磁測量用的恒溫器。隨著液氮溫區(qū)SQUID(高Tc SQUID)磁強(qiáng)計研究的深入，對與之配套的低溫玻璃鋼無磁液氮杜瓦的研究也

2、日益迫切。由于低溫玻璃鋼材料的放氣，低溫玻璃鋼液氮無磁杜瓦夾層的真空會被破壞，導(dǎo)致大量的熱從外界導(dǎo)入，使液氮的蒸發(fā)率加大，降低低溫玻璃鋼無磁液氮杜瓦的使用壽命，因此，對低溫玻璃鋼材料放氣性能的研究就顯得非常必要。目前，對低溫玻璃鋼材料放氣性能研究主要集中在試驗研究，理論研究非常薄弱。本文主要從溫度對低溫玻璃鋼材料放氣速率的影響、表面形貌與低溫玻璃鋼材料測量放氣速率之間的關(guān)系以及氣相下低溫玻璃鋼材料的放氣性能三個方面進(jìn)行理論研究和試驗研究

3、。 本文從吸附擴(kuò)散模型。馬列夫理論出發(fā)，對低溫玻璃鋼材料的放氣速率進(jìn)行研究。通過氣-固表面的吸附、脫附、表面擴(kuò)散以及氣體在低溫玻璃鋼材料內(nèi)部的擴(kuò)散幾個方面，從理論上研究低溫玻璃鋼材料放氣速率與溫度的關(guān)系。溫度越高，低溫玻璃鋼材料的擴(kuò)散系數(shù)D越大，于是低溫玻璃鋼材料內(nèi)部氣體擴(kuò)散速率越大：溫度越高，表面擴(kuò)散系數(shù)D<,S>越大，氣體分子在表面的穩(wěn)定時間τ<,S>越短，振動頻率f<,S>越高，平均停留時間τ越小，于是氣體從低溫玻璃鋼材料

4、表面脫附的速率越高；溫度越高，氣體在表面的凝結(jié)系數(shù)C(θ)越小，凝聚系數(shù)α<,p>越小，于是氣相空間氣體分子回吸速率I<,ads>越小。因此，溫度越高，低溫玻璃鋼材料放氣速率越大，并建立了計算低溫玻璃鋼材料放氣速率和放氣量的數(shù)學(xué)模型。 從材料放氣速率的定義著手，通過設(shè)置參數(shù)A<,c>、A<,r>和表面形貌系數(shù)ξ，建立了表面形貌與測量放氣速率之間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)該模型，對于制造工藝和貯存狀況相同的低溫玻璃鋼材料，表面越粗糙

5、，表面形貌系數(shù)ξ的數(shù)值越大，其測量放氣速率越大。 采用Multimode Nanoscope Ⅲa型掃描探針顯微鏡對低溫玻璃鋼材料試樣表面形貌進(jìn)行了掃描，并對其輪廓最大高度、均方根粗糙度、算術(shù)平均粗糙度和斷面均方根粗糙度進(jìn)行測試。采用壓差流量法測試了不同溫度下低溫玻璃鋼材料的放氣性能，其目的是為了驗證溫度越高，放氣速率越大這一理論研究結(jié)果以及所建立的表面形貌與測量放氣速率之間的關(guān)系這一數(shù)學(xué)模型。根據(jù)已建立的模型和測試數(shù)據(jù)，設(shè)置系

6、數(shù)ψ<,sc>、ψ<,sh>和ψ進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)處理，發(fā)現(xiàn)：(1)當(dāng)溫度在300K時，ψ<,sc>和ψ<,sh>的數(shù)值基本相等；當(dāng)溫度低于300K時，ψ<,sc>小于ψ<,sh>；當(dāng)溫度高于300K時，ψ<,sc>大于ψ<,sh>。(2)ψ<'sc>和ψ<,sh>表現(xiàn)出相同的規(guī)律，在200K時具有最大值：當(dāng)溫度低于200K時，隨著溫度的降低，ψ<,sc>和ψ<,sh<降低；當(dāng)溫度高于200K時，隨著溫度的升高，ψ<,sc>和ψ<,sh>降低

7、。(3)溫度越高，ψ越小，表面形貌對低溫玻璃鋼材料測量放氣速率的影響越弱，這時，低溫玻璃鋼的放氣主要來自材料內(nèi)部的氣體擴(kuò)散。 在研究氣相下低溫玻璃鋼材料放氣性能時，應(yīng)用分子動力學(xué)理論，從氣相空間分子間的碰撞、氣相空間分子與低溫玻璃鋼材料表面的碰撞、氣相空間分子與低溫玻璃鋼材料表面的作用、低溫玻璃鋼材料表面氣體分子的徙動、低溫玻璃鋼材料表面氣體分子的脫附幾個方面進(jìn)行研究，結(jié)果表明，當(dāng)對真空空間充入一定量的高純氣體，低溫玻璃鋼材料表

8、面氣體的脫附速率會大大增加。 通過測試沒有充入氣體的自然狀態(tài)下和充入高純氦氣、氮?dú)夂投趸細(xì)怏w狀態(tài)下低溫玻璃鋼材料放出的幾種主要?dú)怏w，測量結(jié)果顯示：(1)氣相下，低溫玻璃鋼材料表面吸附的氫氣、水、一氧化碳和二氧化碳的脫附速率分別比沒有充入氣體的自然狀態(tài)下的脫附速率大；(2)無論是沒有充入高純氣體的自然狀態(tài)下，還是充入高純氦氣、氮?dú)饣蛘叨趸細(xì)怏w狀態(tài)下，低溫玻璃鋼材料表面越粗糙，其放出氫氣、水、一氧化碳和二氧化碳的速率越大；(