玻璃钢复合材料无磁杜瓦真空性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院等离子体物理研究所 作者:杨长春

  讨论了玻璃钢复合材料无磁杜瓦的真空性能。提出了采用三层模式壳体结构、加热、充CO2 置换气体、放置活性炭等提高和保持杜瓦夹层真空度、减少抽空时间的方法。同时简述了影响夹层真空度测量的相关因素。研究结果表明:玻璃钢复合材料放气率是影响夹层真空度的主要因素;在液氮温度下杜瓦夹层动态真空度可达5 ×10-4Pa ,并可长期使用而真空度不变。

  随着超导量子干涉仪( SQUID , Superconducting Quantum Interference Devices) 广泛应用于地磁探测、生物磁测量、无损检测、扫描电镜、潜艇和卫星等领域,SQUID 能够测量大地的感生磁化强度,寻找矿藏和地下资源,进行地磁场的精度测量、古地磁场测量以及用来研究大地的形成与变迁,是探测海底潜艇的方位及生物磁场变化的有力工具。为了能使SQUID 器件正常工作,必须将SQUID 器件置于无磁、无振动及极低温度的环境下。从70 年代开始,人们一直在开拓SQUID 的应用技术,用于SQUID 弱磁测量的玻璃钢复合材料杜瓦就成为低温工作者们广为关心的课题。

  制作无磁杜瓦一般选用具有较高比强度、比刚度和低磁化率的玻璃钢材料,玻璃钢具有质量轻,强度高,抗疲劳性能、电绝缘性能及热性能优良,减振性和耐化学药品性好,施工工艺性和可设计性良好以及容易着色、成型方便、工艺简单、能通过电磁波等优点,但玻璃钢材料的放气率大于金属材料的放气率,所以设计玻璃钢作杜瓦结构材料时一定要研究放气率对杜瓦夹层真空性能的影响。

  对于用于低温的真空绝热杜瓦容器,除了设计中保证容器的刚度和强度外,影响质量的主要指标是绝热空间的真空度,无磁玻璃钢杜瓦的绝热要求其夹层保持0.01Pa 以上高真空度,而玻璃钢材料的放气在大程度上影响无磁杜瓦夹层的真空度,因为玻璃钢材料的放气会造成真空夹层气体压力的逐渐增大,容器的绝热效果下降,冷损增加,容器的使用寿命降低。本文在前人对玻璃钢材料放气特性研究的基础上,就涉及到影响无磁玻璃钢杜瓦容器真空性能的因素进行了分析研究,总结出了一整套提高真空度的方法和工艺,并通过设计的10L 杜瓦容器的夹层空间真空性能实验进行分析验证。

  本文实验中真空度的测量点不是在杜瓦夹层中,而是在分子泵口,因此这种测量是一种间接测量,根据装置分析,影响夹层真空度间接测试结果有以下因素[6] :

  (1) 真空机组本底真空度越高,对夹层动态真空度的影响越小,因此测量系统中配置的真空泵应采用机械泵和高真空分子泵相结合真空机组,其极限压力应低于2 ×10 - 5 Pa 。

  (2) 管路、接头和真空阀门的放气是造成夹层真空度测量误差的主要因素。为了减少放气,测量管路应采用不锈钢材质;抽真空连接前,杜瓦真空密封接头与抽气阀应清洗、烘干再连接;测量时可以加热管路除气,缩短抽气时间。

  (3) 环境温度的影响。由于材料在真空下放气率大小与温度和抽气时间有关,外壁的环境温度和内筒的工作温度都会使壳体材料、吸附剂、阀门和管路的放气率改变,进而影响测量结果,为了使测量具有可比性,测量环境要保持在统一的允许误差范围内。

  (4) 低温液体充满率的影响。容器内盛装低温液体过少时,在内筒轴向上温度分布不均匀,导致容器夹层中的吸气剂的吸气量下降,破坏真空度,因此杜瓦容器在使用时应装有不少于有效容积50 %的低温液体,且达到热平衡后方可进行。

4、结论

  本文对玻璃钢杜瓦设计中影响夹层真空性能的诸多因素进行了分析和研究,采用适当的工艺技术方法提高和保持了夹层真空度,并通过试验分析了影响杜瓦夹层真空度间接测量的因素。具体结论如下:

  (1) 玻璃钢结构材料放气率是影响杜瓦真空性能主要因素,可以通过控制温度和时间来提高材料的真空性能。

  (2) 采用三层模式结构设计玻璃钢壳体材料、加热、充入CO2 置换气体、放置活性炭等工艺技术方法可以增加材料表面吸附气体脱附速率、提高和维持夹层真空度、降低抽空时间。

  (3) 杜瓦夹层动态真空度测量受诸多因素影响,其中抽空阀门真空密封性能是主要的影响因素,采用二级密封方式可以很好的解决这个问题。

参考文献

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  [4] 肖尤明,徐 烈,张洁,等. HTcSQUID 磁强计用无磁液氮玻璃钢杜瓦的真空性能研究[J] . 低温与超导,2004,32(1):12-15
  [5] 徐烈,朱卫东,汤晓英. 低温绝热与贮运技术[M] . 北京:机械工业出版社,1999:211-247
  [6] 邢迎明,吴义宝. 影响低温容器夹层真空度间接测量结果的相关因素分析[J] . 特种设备安全技术,2007,(6):30-32
  [7] 刘坤,巴德纯,杨乃恒,等. 高真空直排大气干泵的最新进展[J] . 真空科学与技术学报,2008,28(1) :21-25

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