材料的气体渗透性

    因为在真空容器器壁两侧的气体总是存在压力差，所以即使壁面固体上存在的微孔小到足以阻止正常气流通过时，但壁面材料总要或多或少地渗透一些气体。则气体从密度大的一侧向密度小的一侧渗入、扩散，通过和逸出固体阻挡层的过程称为渗透。在这种情况下的稳态流率称为渗透率。

    从微观的角度来看，渗透过程是按以下步骤进行的(见图1)。

图1：气体渗透性过程示意图

①首先，气体原子或分子碰撞到真空器壁的外表面；

②被器壁外表面吸附；

③吸附时有的气体分子能离解成原子态；

④气体在入射一侧的壁面表层达到一个平衡溶解度；

⑤由于浓度梯度的存在，气体向壁面的另一侧扩散；

⑥气体扩散到器壁的另一面重新结合成分子态(如果存在步骤3时)后释放；或气体扩散到器壁的另一面后解吸和释出。

    一般说来，在渗透过程中，扩散这一环节是最慢最关键的一步，它与渗透气体及壁面材料的种类和性质有密切关系。对于金属材料来说，例如氢气通过钢铁材料的渗透过程，是先以分子态吸附在材料的表面上。然后由铁表面的亲和力引起氢分子较弱的H—H键断裂，使氢离解成原子态并渗透过材料，在壁面的另一侧重新结合成分子态氢；氢气对于非金属材料，则是以分子态形式扩散渗透。

    根据扩散定律，可推导出渗透量的表达式

式中    Q——气体透过固体壁面的渗透速率

        K——某种气体对某种固体的渗透系数

        A——壁的面积

        Δp——器壁两侧的气体压力差

        J——溶解常数，对金属中的双原子气体j=2，对非金属中的气体j=1

        h——壁厚

    其中K值与气体一固体配偶的性质有关。只要知道渗透系数K，就可以根据该材料的壁厚h、壁的面积A、壁两侧的气压差Δp，由式(3)求得渗透速率。K的意义是：器壁两侧的压力差为一个大气压下，温度为0℃(即在标准状态下)渗透过单位厚度(cm)的单位面积(cm)壁面的气体量。所以K的单位常用制外单位表示：如使用[cm²／s]则与扩散系数的单位一致，形式简单，但物理意义不够明确；而使用[cm³(STP)／(cm²·s·Pa·mm^-1)]表示每mm厚的材料，在每Pa的压差下，每秒通过每cm²面积的渗透气体量(以标准状态下的cm³计)。此单位形式比较复杂，但物理意义比较明确。

    渗透系数K、扩散系数D、溶解度S之间存在以下关系

式中    D——气体在固体中的扩散系数，cm²/s

        S——气体在固体中的溶解度，cm³(STP)/(cm³·Pa);表示压力在大气压力的平衡条件下，单位体积的固体材料中所溶解的气体体积数

        K——渗透系数

    扩散系数、溶解度、渗透系数这三个参数都是温度的指数函数。