真空绝热板(VIPs)表面隔膜的放气性能与放气机理

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)大连海洋大学机械与动力工程学院 作者:杨春光

表面隔膜种类

  表面隔膜在真空绝热板(VIPs) 真空度保持方面起着绝对的支配作用,在真空绝热板(VIPs) 寿命期内有效的阻止外部环境中O2、N2、H2O、CO2 及其它气体由于浓度差和压力差向板内部真空空间的渗透。目前主要有金属膜(不锈钢)、铝- 聚酯复合膜(AluminiumFoil,简称AF) 及多层镀铝聚酯膜(Multilayer AlCoated Foil,简称MF)。抗气体渗透能力较强的当属金属,能够确保板内部真空环境,采用0.6 mm~1 mm厚的不锈钢材料作为表面隔膜、气相SiO2 作为芯材,板中心导热系数可达5 mW/(mK)[7],但由于纯金属层势必增加整个表面隔膜的导热系数,同时又加大了整个真空绝热板(VIPs) 的热桥效应,增加了其有效导热系数。

  在建筑维护结构上的应用是真空绝热板(VIPs) 的一个主要应用场合,为了降低真空绝热板(VIPs) 的热桥效应,同时在建筑寿命期内保持板内真空度,主要采用AF 及MF 类型表面隔膜。AF 中采用PET 为外保护层,PE 为热封层,中间夹10 μm 铝层作为阻隔层。MF 中外保护层和内热封层不变,中间夹多层镀铝PET 层作为阻隔层,镀铝层厚度总计在40 nm~100 nm 之间。示意图见图2。

真空绝热板(VIPs)表面隔膜的放气性能与放气机理

  微米级别厚度铝层的存在增大了表面隔膜的抗气体渗透性能,保证了50 年左右的使用寿命,同时降低了热桥效应。对于使用寿命要求比较短的冷冻冷藏装置,多使用纳米级别镀铝层厚度的MF 作为表面隔膜。为了在热水器的储水箱中应用真空绝热板(VIPs),日本以镀铝EVOH 为阻气层开发了可承受100℃高温的表面隔膜,此隔膜也可应用于冷冻冷藏装置[8]。

不锈钢表面隔膜的真空放气性能与放气机理

  不锈钢由于其具备标准的焊接技术、属于非磁性物质、具有化学惰性而且价格比较便宜,被广泛用于真空壳体。大气环境中的气体会经过气体分子吸附- 离解- 扩散等过程溶解在不锈钢材料内部[10]。当将此溶解了气体的不锈钢表面隔膜用于真空绝热板(VIPs) 时,由于真空绝热板(VIPs) 内部的真空环境,内部溶解的气体在压力差和浓度差的作用下将逐渐在真空内侧解溶,在表面离解的原子重新结合为分子态脱附释出。当然还有一部分气体分子直接吸附于不锈钢表面,在真空下脱附释出。

  不锈钢表面隔膜真空放气的气体来源主要有:气体表面脱附;外部大气环境中气体的渗透和表面隔膜内部气体的扩散渗透。在不锈钢材料的放气成分分析中可知氢气是最主要的残余气体成分,在配以四级质谱仪的放气实验中也可检测到H2O、CO、CO2 及甲烷等成分。但研究表明[11,12],除H2 外,CO、CO2 及甲烷成分是由于测量规管及四级质谱仪引起的,少量的H2O 是体内H 原子与表面的氧原子相互作用生成的,所以洁净的不锈钢材料放气成分基本全部是H2,国内关于极高真空(XHV) 下316L 不锈钢的放气研究也证实了这一点[13 ]。

  用作表面隔膜的不锈钢材料厚度小,一般在0.6 mm~1 mm,这比一般的不锈钢真空腔体要薄得多。Park [14]通过实验测定了厚度为1.6 mm 的306L 和314L 两种不锈钢薄膜的放气速率,结果表明在空气中进行96 h 400℃的烘烤处理,放气速率为2.5×10- 12 PaLs- 1cm- 2,而20 mm 厚的同种材料经过同样热处理的放气速率为2×10- 10 PaLs- 1cm- 2,放气速率大大降低,同时发现在同样温度下进行大气环境烘烤比真空在线烘烤放气速率低。VincentNemani[15]对厚度为0.15 mm 的304 不锈钢经过24 h260℃的烘烤后进行了放气速率测试,结果为3×10- 13 PaLs- 1cm- 2。经过热处理后不锈钢薄膜的放气速率比厚壳体的放气速率低, 可以用无因次时间尺度数Fo 来解释,其表达式为:

Fo = 4Dtd- 2 (2)

  其中D 为温度T 下的扩散常数,t 为热处理时间,d 为材料厚度,厚度越小Fo 数越大,热处理时的扩散系数越大,最后的放气速率越低。在空气中进行烘烤比真空在线烘烤放气速率低是由于前者处理过程中在不锈钢表面形成了氧化层,阻止了部分H2 分子的扩散。

  总体上真空绝热板(VIPs) 中不锈钢表面隔膜的放气速率很低,引起板内的真空负荷很小。在制作时进行空气环境中的高温烘烤处理,或采用镀膜技术比如镀TiN 介电膜、金膜、铝膜等阻止气体扩散渗透。另外尽量降低薄膜厚度以增大热处理时的Fo数,从而降低不锈钢表面隔膜的最终放气速率。

AF、MF 及耐高温表面隔膜的真空放气性能及放气机理

  以AF、MF 及耐高温表面隔膜制作的真空绝热板(VIPs),处于真空环境中的表面隔膜部分均是PE 材料。

  高密度聚乙烯(HDPE)作为热封层,其熔点约为128℃,最高可承受的温度约为104℃。Dinh[16]在常温环境、本底压强为10- 6 Pa 对0.7 mm 厚的HDPE 进行了放气性能测试,采用质谱分析进行气体成分检测。结果表明在抽真空30 min 内,H2、O2、N2 及CO2 可以彻底去除, 但要想彻底去除H2O,需抽真空24 h 以上。这主要是由于聚合物中存在的氢键、含氧点缺陷基团(如- CH2- CO- CH2-、- CH2- COH- CH2-、- CH2- O- CH2-) 构成的非极性H2O 不像其他极性气体容易扩散出来。HDPE 中H2O 和CnHx(n 最高值为9,x=2~9)是最主要的放气成分。在常温下,12 年时间内由于CnHx 的放气导致HDPE 重量损失为0.21±0.002 wt%。如果在368 K 下烘烤16 h,可以去除大部分的CnHx 放气负荷[17]。n 较低的碳氢化合物主要来自于聚合物中的弱键连接,可能是由于聚合反应中氧化作用造成的。

  在高温情况下,一些有机气体如苯乙烯、甲苯等将从HDPE 中释放出来。研究表明[9]在100℃下保持30 min,此两种气体的放气量为1.12 μg/g。所以在高温环境下的真空绝热板(VIPs) 内部放置有机气体吸气剂如沸石、CaO 等是必要的。

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