聚合物的放气分率与放气模型研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院光电研究院 作者:罗艳

  在某些工程应用中,除了关注真空材料的总放气率之外,还需知道放出的单一气体的放气分率。本文采用定容升压法对三类聚合物样品进行放气率测试和放气组分分析;将四极质谱计真空规对比校准修正所测的放气分压,得到水和碳氢化合物的放气分率随时间变化情况;依据扩散放气模型,对所测数据进行曲线拟合,获得具有实际应用意义的放气率表达式和时间指数。任何固体材料在大气环境下都能溶解和吸附一些气体。当材料置于真空中时就会因解溶、解吸而放气。真空材料放气特性的研究,在航天(卫星、飞船和空间站等) 及半导体光刻等领域具有广泛的应用价值。

  针对真空材料的放气特性,国内外开展了大量的研究工作,但多偏重于测试方法的改进和总放气率的测试,关于材料放气分率的研究内容较少。而在半导体光刻等领域,除了关注真空材料总的放气率外,更关注某单一或某类气体组分的放气分压情况,比如水(H2O) 和碳氢化合物(CXHY) 等,因为这些气体将严重污染光学系统,从而影响光刻性能。

  1995 年,德国葛利克大学采用小孔流导法,利用两对称结构上的质谱计,忽略了大于45 质量数的气体分子,测得金属材料的放气分率。2013 年,兰州空间技术物理研究所在小孔流导法基础上,提出利用四极质谱计分别检测小孔两端某单一气体分压力来测量材料单一气体放气率的测试方法。本文基于定容升压法,通过四极质谱计和真空规对比校准精确测量三类聚合物放出的气体组分分压,得到聚合物的总放气率和放气分率随时间的变化规律。依据扩散放气模型,对所测数据进行曲线拟合,得到总放气率和放气分率的表达式以及时间指数α,用于预测聚合物在真空系统内长时间的放气特性,具有很好的实际应用价值。

  1、测试方法

  材料的放气分量是指材料在真空状态下单位时间内所放出的某单一或某类组分的气体量,单位为Pa·m3/s。放气分量除以放气表面积得到材料的放气分率,单位为Pa·m3/(s·cm2) 。所有放气组分的放气分率之和为总放气率。聚合物放气率一般较大,更适合采用定容升压法进行放气测试。图1 为测试装置原理图,测试室极限真空度5 × 10-7Pa,抽气泵组抽速为300 L /s,采用经过精确校准的真空规测量测试室总压,四极质谱计测分压。

定容升压法测试装置原理图

图1 定容升压法测试装置原理图

  为了保证测量结果的准确性,本装置中引入了校准漏孔。当测试室本底低于1 × 10-5 Pa,通过漏孔向测试室中充入校准气体N2,当质谱计显示测试室中95%以上均是N2,将质谱计和真空规对比校准,得到修正因子C= pion/p28,其中质谱计选用法拉第杯探测器。实际放气测试时,质谱计测得的分压需乘以此修正因子,计算获得的总放气率和放气分率均为对N2的等效值。

  测试的聚合物样品为:聚酰亚胺树脂基复合材料层压板、环氧玻璃布层压板和四丙氟橡胶板,文中分别简称为:PI、EP 和FEPM。样品尺寸为:100 mm× 100 mm × 2 mm。采用聚合物原始表面,经无水乙醇清洗干净后,真空封装储存,测试前取出于空气中静置15 min。测试装置在测试前,进行24 h 烘烤除气,并冷却到室温。每次样品放气测试前,采用质谱计对测试室进行洁净度检测,保证系统未被污染。放气测试温度为23℃,将预处理后的样品置于测试室中,泵组开始抽气时记为第0 h,每隔1 h 隔断抽气系统进行一次压升率测试和放气组分谱图分析,直至第10 h。

  2、结论

  采用定容升压放气测试系统,将四极质谱计和真空规对比校准修正所测的放气分压,经过短时间抽气后,通过压升率测试获得样品的放气时间指数,可以方便地计算获得聚合物各时刻的放气分率和总放气率,且计算结果更为准确。三类聚合物样品的总放气率顺序依次为:qtotal(PI)> qtotal(EP)> qtotal(FEPM) ,各样品放气组分中H2O含量最高,其放气分率的大小顺序基本遵循总放气率规律;PI 和EP样品放出的气体组分中几乎没有CXHY,而FEPM 样品放出大量CXHY。经过1h抽气后,真空中聚合物的放气主要是H2O 的扩散放气过程。

  无论是总放气率还是放气分率,随放气时间延长均是逐渐下降并趋于稳定的。结合扩散放气模型,对曲线进行拟合,获得聚合物放气分率表达式及时间指数αi,可以外推获得更长放气时间样品的放气分率,从而预测真空腔室中材料放出的污物分压的变化情况,对航天及半导体光刻应用中真空部件的选材具有指导意义。

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