材料在真空环境下放气的测试技术研究

　　在真空材料放气率测试装置上对金属材料的放气特性进行了实验研究，实验采用的方法为静态升压法、固定流导法、双通道气路转换法。实验结果表明，测试装置的极限真空度为9.2×10^-9Pa，铜、铝合金2A12、304不锈钢三种材料半小时后的放气率分别为2.34×10^-8 Pa·m³·s^-1·cm^-2、1.83×10^-9 Pa·m³·s^-1·cm^-2、8.48×10^-11 Pa·m³·s^-1·cm^-2。利用四极质谱计测得装置的本底气体成主要有H2、N2/CO、H2O和CO2，材料放出的气体成分主要有N2/CO、H2O。三种方法测试得到的铜金属材料的放气率随着温度的升高而不断增大。

0、引言

　　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。真空材料放气率的研究在卫星、飞船和空间站污染防护、原子钟的研制、极高真空获得和测量、光源和热源制造业等方面的研究中具有广泛的应用价值。

　　材料是组成航天器的最基本单元，材料放气往往会带来一些负作用，对材料在真空环境中的放气率进行测量，可以为航天器件材料的筛选提供科学依据，以保证材料在真空环境下应用的可靠性。因此，研制了真空材料放气率测试装置，并对其性能进行了实验研究。

1、测试装置及方法

　　测试装置主要由抽气系统、双通道气路转换法测量系统、固定流导法测量系统、静态升压法测量系统、加热及光辐照温度测控系统等五部分组成，工作原理如图1所示。

　　抽气系统分为高真空和超高真空抽气系统两部分；双通道气路转换法测量系统和固定流导法测量系统主要由高真空室、小孔、测试室、超高真空室、热阴极电离真空计、四极质谱计等组成；静态升压法测量系统主要由高真空室、标准容器、电容薄膜真空计、供气系统等组成；整个装置外侧均匀包裹加热套，温度测控范围为23~300益，光辐照加热采取外置红外加热的方式，加热灯管位于高真空室顶部，为防止玻璃变形破裂，加热窗口装有水循环冷却装置，温度测量采用热电偶温度计。实验前，热阴极和冷阴极电离真空计经过了精确校准。

图1 材料放气率测试装置原理图

1、2、3.热阴极电离真空计；4.低压力电容薄膜真空计；5.高压力电容薄膜真空计；6.冷阴极真空计；7、10、11、12、13、17.角阀；8、9、14、16.截止阀；15.插板阀；18、20.机械泵；19、21、22.分子泵；23.超高真空室；24、25.小孔；26、27.测试室；28.高真空室；29.加热系统；30.四极质谱计；31.标准容器

3、结论

　　由实验看出，研制的真空材料放气率测试装置的极限真空度可达到9.2×10^-9 Pa。为了测试材料的放气率，首先运用静态升压法、固定流导法、双通道气路转换三种方法对测试装置的本底进行了测试，在此基础上对铜、铝合金2A12、304不锈钢三种金属材料在室温下的放气率进行了测试，并利用四极质谱计对装置的本底气体成分和材料放出的气体成分进行了分析。另外，对铜在不同温度点下的放气特性进行了实验研究。

图8 双通道气路转换法不同温度下材料放气率

　　结果表明，这三种金属材料半小时后的放气率分别为2.34×10^-8Pa·m³·s^-1·cm^-2、1.83×10^-9Pa·m³·s^-1·cm^-2、8.48×10^-11Pa·m³·s^-1cm^-2。测试装置的本底气体成分主要为H2、N2、CO，以及少量的H2O和CO2等气体，材料放出的气体成分主要为N2、CO、H2O。三种方法测试得到的铜材料的放气率随着温度的升高而增大。