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行理論研究和試驗研究

3、。 本文從吸附擴散模型。馬列夫理論出發(fā)，對低溫玻璃鋼材料的放氣速率進行研究。通過氣-固表面的吸附、脫附、表面擴散以及氣體在低溫玻璃鋼材料內(nèi)部的擴散幾個方面，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散系數(shù)D越大，于是低溫玻璃鋼材料內(nèi)部氣體擴散速率越大：溫度越高，表面擴散系數(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進行試驗數(shù)據(jù)處理，發(fā)現(xiàn)：(1)當溫度在300K時，ψ<,sc>和ψ<,sh>的數(shù)值基本相等；當溫度低于300K時，ψ<,sc>小于ψ<,sh>；當溫度高于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：當溫度低于200K時，隨著溫度的降低，ψ<,sc>和ψ<,sh<降低；當溫度高于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行研究，結(jié)果表明，當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、氮氣和二氧化碳氣體狀態(tài)下低溫玻璃鋼材料放出的幾種主要氣體，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、氮氣或者二氧化碳氣體狀態(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；(