材料的气体渗透性(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)真空技术网整理 作者:剑气书生

    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)。

气体渗透性过程示意图

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

Q=K·A·Δp1/j/h
(3)

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

 

K=DS
         
(4)

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。

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