真空材料的出气以及出气率等相关计算

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   任何固体材料在大气环境下都能溶解、吸附一些气体。当材料置于真空中时,就会因解溶、解吸而出气。对一般真空设备来说,材料的出气是真空系统中最主要的气源。常用的出气速率单位有:Pa·L/s·cm2

    出气速率通常与材料中的气体含量和温度成正比。所以有时(如电真空器件)也用高温下材料的出气总量作为选材依据。出气总量的单位:考虑体积含量为主时可用Pa·L/g;考虑表面含量为主时则用Pa·L/cm2

    材料的出气速率除了与材料性质有关外,还和材料的制造工艺,储存情况等有关。另外,材料的预处理工艺(如:清洗、烘烤、气体放电轰击、表面处理等)对材料的出气速率影响也很大。因此选用材料出气速率的数据时必须考虑这些情况。

    材料出气速率是温度的函数,表示为

q=qoexp(-E/RT)
 
(5)

则单位时间内容器器壁表面出气量为

 

Qm=A·q
 
(6)

式中    q——出气速率

        qo——常数

        E——出气活化能

        R——气体普适常数

        T——绝对温度

        Qm——器壁表面出气量

        A——出气表面的面积

    因为出气速率与温度有关,所以在设计真空系统时必须选用实际使用时的温度数据。如无此数据,则可根据两个不同温度下的数值按式(5)进行估算。另外从式中也可以看出,出气速率按指数变化,所以出气量是时间的慢变化函数(即时间延长一个数量级,出气速率降低较慢)。已经出过气(经除气后)的材料经长时间暴露大气后,能重新吸气并恢复到原来的情况。因此,对真空系统来说,为了降低出气率,缩短抽空时间,应该经常保持在真空状态。例如,经常运转的真空系统,如果只是在两次运转之间短时间暴露大气的话(如1 h以内),则大约等效为材料已在真空中进行了10 h的出气时间;对于经常运转而只暴露于低真空的材料,则可等效于已经历了lOO h的出气时间。

    另外,材料的出气速率不仅和所经历的出气时间有关,而且和材料的表面预处理方法、表面状况有很大关系。例如:对于清洁的表面来说,表面的光洁度越高,吸附的水气就越少;在干燥氮气或空气中烘烤,可使不锈钢表面形成一层密实的淡黄色氧化膜,也可以减少出气,而且可以将表面的污染物氧化成气体或烧掉;用有机溶剂去脂时,表面的单分子层污染是无法除掉的,只能靠在真空下烘烤来除掉。例如,温度在200℃以上的真空环境下的烘烤可有效地除掉水气,但要有效地除掉氢,则必须在400℃以上的温度下进行真空烘烤。

    对真空系统设计来说,仅有材料出气速率的数据还是不够的,因为有许多真空泵的抽气能力是有选择性的,所以如果能进一步知道材料出气中的各种气体成分的比例,就能有针对性的选配合适的真空泵,得到更合理的设计。

    各种材料的出气率都是用实验方法(如动态法或静态法测量)测得的,数据存在较大差异。各种数据可查阅有关手册。

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