真空绝热板(VIPs)芯材放气机理

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

气相二氧化硅(fumed silica)真空放气性能与放气机理

  用于VIPs 的气相二氧化硅芯材是典型的多孔性材料,拥有很大的比表面积(100 m2/g~400 m2/g),孔隙率一般都在90%以上,最大孔隙直径小于300 nm。这种大比表面积、高孔隙率、纳米级别的泡孔尺寸使得气相二氧化硅非常容易吸收水分,在一定程度上是一种性能优良的干燥剂。由其等温吸附曲线[18](图3)可知,在相对湿度50%以下,吸附等温线线性增长,在50%以上呈指数级别增长。这主要是细小孔隙导致的毛细凝结效应引起的,根据开尔文- 拉普拉斯定律,当相对湿度超过95%时,所有直径小于20 nm 的孔隙都将充满水分。另外温度越高吸附水分的能力越强,所以高温环境中的VIPs 芯材放气量会增大。存在于孔隙中的水蒸气导热,吸附于芯材表面的水分导热以及板热面吸附水分的蒸发、扩散、在冷面的凝结引起从热面到冷面的热量传递都会增加VIPs 的有效导热系数。研究表明单位重量水分含量的增加将导致VIPs 的导热系数上升0.5 mW/(mK)[19]。

真空绝热板(VIPs)芯材放气机理

  在本底压强10- 6 Pa 下,从气相二氧化硅的放气质谱图中可以看到出气成分有H2O、H2、CO和CO2,其中H2O 的离子流强度是其它几种气体总和的20 倍,所以H2O 是最主要的出气成分[20]。其它几种微弱气体成分到底是四级质谱仪及规管引起的还是气相二氧化硅本身放气,从此实验手段上无法判别, 从量上看,这几种气体引起的真空负荷可以忽略不计。

  从气相二氧化硅制作过程可知,硅卤烷在水解后发生的缩聚反应是不完全的,因而残留许多硅羟基(Si- OH)分布于二氧化硅表面及聚集体内部。羟基的凝聚生成化学吸附水,其振动频率与二氧化硅表面声子振动频率相当,脱附活化能较高,在126 kJ/mol 以上。在羟基上的化学吸附水分子由于硅醇基团的阻尼作用,振动频率会低一些。而物理吸附水振动频率会更低,脱附活化能在38 kJ/mol~61 kJ/mol 之间。所以在制作VIPs 之前对气相二氧化硅芯材进行高温烘烤是必需的步骤,特别是为了最大限度去除化学吸附水,烘烤温度要在500 K 以上。

泡沫芯材的真空放气性能与放气机理

  PAOLO MANINI 曾经采用压力上升法辅以四级质谱仪进行气体成分分析对开孔聚氨酯泡沫进行了测试,试样经在410 K 下进行20 min 烘烤,气体成分及分压力见图4[4],以此为基础对真空绝热板长期总放气负荷进行了计算。

  VIPs 芯材同所有其它材料一样在一定真空度下会发生分子升华现象,蒸气压力为材料表面处于平衡态时气体在混合气体中的分压力,蒸气压力Ps 可以表示为[21]:

lnPs = A-B/T(3)

  其中A、B 为与温度T(K)无关的常数,蒸发率用下式计算:

  式中σ 为凝结系数,M 为材料分子量,Ps 为在温度T 下的蒸气压力。

真空绝热板(VIPs)芯材放气机理

  可用作VIPs 芯材的材料尤其是泡沫类材料,蒸气压力一般都很低,其值一般在10- 7 Pa~10- 5 Pa,而从图1 可以看出以泡沫类和玻璃纤维为芯材的VIPs 内部压力最小在0.1 Pa~10 Pa 左右就已经满足要求,对于气相二氧化硅材料甚至达到1000 Pa,所以在VIPs 内部所需的真空范围内,材料表面升华构成的放气可以忽略不计。芯材真空放气的气体来源可能有以下几个方面。处于真空环境下的泡沫类材料,在达到一定真空度时材料本身会升华。真空下基体溶解气体的内部扩散并在表面脱附和表面吸附气体的脱附。另外对于泡沫类芯材,在发泡过程中很难做到100%的开孔率,内部微量的闭孔结构会封闭一部分发泡剂气体和发泡反应生成的二氧化碳气体,这部分气体会缓慢透过泡孔壁向VIPs 内部真空空间扩散,导致了一部分真空放气负荷。所以芯材真空放气包括四个部分:材料本身真空升华、基体溶解气体的扩散脱附、气体表面脱附及闭孔结构内气体的扩散渗透,如图5 所示。

真空绝热板(VIPs)芯材放气机理

  无论泡沫基体内气体的扩散还是还是闭孔结构内发泡剂气体透过泡孔壁向外扩散,都遵循Fick 第二定律。

  对于闭孔结构内的发泡剂气体,由于气体浓度和压力存在正比关系,即

C = kp (6)

  在知道相关扩散系数的情况下,由以上公式可以计算基体内溶解气体的浓度和闭孔内发泡剂气体压力随时间的变化。

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