玻璃钢及多层绝热材料真空放气速率试验研究.pdf

Jul.220232023年7 月空VACUUM真Vol.60,No.4第6 0 卷第4期玻璃钢及多层绝热材料真空放气速率试验研究王敬哲，周飞鸽，冯慧华（上海船用柴油机研究所，上海201108)摘要：在低温储运时，由于真空夹层中材料的放气，夹层真空度会下降，热量从外界导人使得低温容器的蒸发率加大，低温液体损耗增加，真空寿命缩短。因此，对真空夹层中材料放气性能的研究非常重要。本文基于静态升压测量法，搭建了真空下材料放气率测试装置，进行了低温储罐用多层绝热材料和玻璃钢真空下放气速率测试研究，得到了多层绝热材料和D3848玻璃钢的单位面积放气速率分别为4.9310-Pam/（s m）和1.1310-7 Pam/（s m），该结果可以为真空夹层吸附剂量的设计提供可靠依据。关键词：玻璃钢；多层材料；放气速率中图分类号：TB751；T B7 4；T B30 2文献标识码：A文章编号：10 0 2-0 32 2（2 0 2 3）0 4-0 0 6 5-0 4doi:10.13385/ki.vacuum.2023.04.12Experimental Study on the Vacuum Outgassing Rate of FRPand Multilayer Insulation MaterialsWANG Jing-zhe,ZHOU Fei-ge,FENG Hui-hua(Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute,Shanghai 201108,China)Abstract:In low temperature storage and transportation,due to the outgassing of materials in the vacuum interlayer,thevacuum degree of the interlayer will decrease,the heat will be introduced from the outside to increase the evaporation rate of thelow temperature container and the loss of low temperature liquid,and the vacuum life will be shortened.Therefore,it is veryimportant tostudy the outgassing properties of materials in vacum interlayer.In this paper,the outgassing rate of multilayerinsulation material and FRP in vacuum for low temperature storage tank is tested and studied.The outgassing rate per unit areaof multilayer insulation material and D3848 FRP is 4.9310-8Pam/(s m)and 1.1310-7Pam=/(s m).The results can providea reliable basis for the design of adsorption dose of vacuum interlayer.Key words:FRP;multi-layer material;outgassing rate材料放气是指当材料处于真空环境时，加工过程中溶解在材料中的气体会向其表面扩散并最终脱离而进人环境中1-3。在低温储运时，由于真空夹层中材料的放气，夹层真空度会下降，热量从外界导人使低温容器的蒸发率加大，低温液体损耗增加，真空寿命缩短。因此，对真空夹层中材料放气性能的研究非常重要。玻璃钢(Glass Fiber Reinforced Plastics,GFRP)亦称作FRP，即纤维强化塑料，其具有性能稳定、机械强度高、导热系数低等性能特点，广泛应用于低温绝热设备的支撑结构。刘一凡等4根据小孔流导法在常温下测试了绝缘子用玻璃钢和VPI工艺制作的玻璃钢的真空性能。肖尤明5从低温玻璃钢材料的放气率与温度、表面形貌的关系出发，基于吸附扩散模型马列夫理论，对低温玻璃钢材料的放气速率进行研究，测得了四种不同处理的低温玻璃钢材料在不同温度（91K、153K、208K、2 8 9K 和37 3K）下放气速率随时间的变化。孙立臣等6 在2 5下分别采用动态排气法和静态压强上升法测试得到玻璃钢材料（尺寸为125mm9mm）的放气速率。除玻璃钢外，许多学者针对低温容器常用的主体金属材料也开展过相关测试研究。董猛等7 基于静态法搭建了放气测试试验台，试验对象为铜、铝合金和不锈钢。一些学者还对不锈钢的放气速率8-12 及多层绝热材料13-16 的放气特性开展收稿日期：2 0 2 2-0 7-2 7作者简介：王敬哲（1992-），男，山东省菏泽市人，硕士，工程师通讯作者：周飞鸽，工程师66第6 0 卷空VACUUM真了试验研究。对于玻璃钢，不同材料组成和工艺下的放气速率不尽相同。此外，低温储罐用多层材料的放气速率研究数据较少，且不同材料和结构的多层材料的放气速率也不相同。因此，开展玻璃钢和多层材料的放气速率试验十分必要。本文主要测试用于低温储罐的多层绝热材料和D3848玻璃钢在常温真空下的放气速率，以便为真空夹层吸附剂量的设计提供可靠的依据。1试验方法、原理和装置依据不同测试原理，材料放气测试方法分为以下四种：静态升压法、收集法、称重法和气体流量法7-2 0。本文采用静态升压法测量试样的放气速率。测试时先测得夹层空间不放置测试材料时的漏放气速率，即空载时的漏放气速率。然后将测试材料放置到夹层空间，测得带载时夹层空间的漏放气速率，两者相减为所测材料的放气速率。为了保证试验精度，试验中确保装置的漏率远小于放气速率。试验装置如图1所示。8912131021141541622120M5171819112321：实验罐内罐；2：液氮储罐；3：夹层空间；4：测温导线；5：试验试样；6：航空接头；7：复合规管；8：气体质量流量计；9：温度采集仪；10：真空计；11：计算机；12-19：高真空挡板阀；2 0：高真空电磁阀；21：分子泵机组；2 2：液氮冷阱；2 3：恒温加热器。图1试验装置原理图Fig.1Schematic diagram of the experimental setup2试验步骤空载测试与四类试样测试过程相似，步骤如下：（1)将测试对象以适当的方式放置到夹层中；（2）按图1所示连接设备，对实验罐进行四次48 h热氮气置换粗抽真空，氮气温度不高于150，然后用分子泵机组抽至高真空；（3）夹层真空度抽至优于510-Pa时，关闭抽真空阀门，开始第一次测试漏放气速率，记录夹层真空度，每小时记录一次，当漏放气速率长时间维持在较稳定值时（试验测得夹层内外壁温度为19.6，温度较为稳定），终止漏放气速率测试。重复此过程三次，测得三组漏放气速率。3空载漏放气速率测试对试验装置进行夹层的空载漏放气速率测试，测得的值作为多层绝热材料和玻璃钢漏放气速率的本底值。图2 为空载下夹层真空度随时间的变化。图3为空载下夹层漏放气速率随时间的变化。1.61.20.8一第1次0.4一第2 次第3次0.001020304050时间/h图2空载时夹层真空度随时间的变化Fig.2Changes of vacuum degree of interlayer with time under no load第1次1.0106一第2 次一第3次8.010-76.0 10-74.010-72.010701020304050时间/h图3空载时夹层漏放气速率随时间的变化Fig.3Changes of leakage and exhaust rate of interlayerwith time under no load在整个试验过程中，漏放气速率变化幅度较小，试验7 h的值与稳定之后的平均值趋于一致。因此，取7 h后3次趋于稳定的漏放气速率测试平均值作为空载时的漏放气速率Qo，为6.47 10-7Pam/s。4多层绝热材料漏放气速率测试多层绝热材料由50 层绝热纸（短纤维化纤纸）和50 层反射屏（双面镀铝聚酯薄膜）相间隔组成，试验时包裹在试验罐内罐外表面的直段和下封头上，总面积为1.0 7 1m。试验前将多层绝热材料在常温干燥环境中放置48 h。夹层净容积为0.071156m，试验过程中测得夹层内外壁温度约19.7，温度较为稳定。67第4期王敬哲，等：玻璃钢及多层绝热材料真空放气速率试验研究图4为测试多层绝热材料放气速率时夹层真空度随时间的变化。图5为测试多层绝热材料放气速率时夹层漏放气速率随时间的变化。2.52.01.5一第1次一第2 次0.5第3次0.001020 304050 60708090时间/h图4测试多层绝热材料时夹层真空度随时间的变化Fig.4Variation of vacuum degree of interlayer with time whentestingmultilayerinsulationmaterials第1次1.010-一第2 次一第3次u8.0 10-76.010-74.010-72.0 10-70.010102030405060708090时间/h图5测试多层绝热材料时夹层漏放气速率随时间的变化Fig.5Variation of leakage and exhaust rate of interlayer with timewhen testing multilayer insulation materials整个测试过程进行了8 9h。对7 47 h时间段计算时，3次测试值分别为4.90 10-7 Pa?m/s、4.8410-7Pa?m/s、4.9910-7 Pa?m/s，平均漏放气速率为4.9110-7 Pam/s;对7 8 9h时间段计算时，3次测试平均漏放气速率为4.7 7 10-Pam/s，两者相差2.96%。为与空载时的测试时间对应，取第7 47 h时间段的数据为漏放气速率值。空载时放气的不锈钢面积为2.8 197 4m，在内罐外表面的直段和下封头包扎多层绝热材料后，金属的放气面积为1.910 0 7 m，为测量空载时放气面积的6 7.7%，故此时的本底为：Qo=6.4710-767.7%=4.3810-7Pam/s(1)夹层放置多层绝热材料试样后增加的放气速率（包含多层绝热材料最外层材料表面及多层绝热材料层间释放的气体）为：Q多层=Q多层-Q=5.30 10-8Pam/s(2)多层绝热材料单位面积的放气速率为：AQ多层=55.3010-Pam/sS1.071m4.93 10-Pa m/(sm)(3)5玻璃钢漏放气速率测试玻璃钢（D3848）试样的表面积为1.198 m，总体积为0.0 159m。试验前将玻璃钢试样在常温干燥环境中放置48 h。夹层净容积为0.0 58 944m，试验过程中测得夹层内外壁温度约19.6，温度较为稳定。图6 为测试玻璃钢放气速率时夹层真空度随时间的变化。图7 为测试玻璃钢放气速率时夹层漏放气速率随时间的变化。2.42.01.61.20.8一第1次一第2 次0.4第3次一0.005101520 253035404550时间/h图6测试玻璃钢时夹层真空度随时间的变化Fig.6Variation of vacuum degree of interlayer withtime when testing FRP1.6106第1次M一第2 次一1.4 106一第3次1.21061.0 1068.0106.01074.010-70510152025 3035404550时间/h图7测试玻璃钢时夹层漏放气速率随时间的变化Fig.7Variation of leakage and exhaust rate of interlayerwith time when testing FRP在整个测试过程中，为了与空载时的测试时间对应，同样从第7 h开始计算平均漏放气速率。3次漏放气速率测试值分别为7.7 8 10-7 Pa?m/s、8.2810-7Pam/s、7.40 10-Pa?m/s。取3次测试的平均值作为测试玻璃钢时的漏放气速率Q玻璃钢，为7.8 2 10-7 Pa?m/s。夹层放置玻璃钢试样后增加的放气速率为：Q玻璃钢=Q玻璃钢Q。=7.82 10-76.47 10-7(4)=1.35 10-7Pam/s玻璃钢单位面积的放气速率为：68第6 0 卷VACUUM空真AQ玻璃缸=1.3510-Pam/sS1.198m=1.13 10-7Pa m/(s m)(5)6结论本文采用静态升压法对低温储罐用多层绝热材料和玻璃钢进行真空放气速率测试，并搭建了一整套试验装置。测得试验装置夹层的空载漏放气速率本底值为6.47 10-7 Pa?m/s；由50 层绝热纸（短纤维化纤纸）和50 层反射屏（双面镀铝聚酯薄膜）组成的多层绝热材料单位面积放气速率为4.9310-Pam（s m）；玻璃钢（D3848）单位面积放气速率为1.1310-Pam/（s?m）。本次试验测试的多层绝热材料组合方式及玻璃钢材料常见于低温储罐中，试验结果可为低温储罐真空夹层吸附剂量的设计提供可靠的依据。参考文献1 达道安.真空设计手册M.北京：国防工业出版社，2004.2BOBROVK,SHECHTER H,HOFFMAN A,et al.Molecular oxygen adsorption and desorption from singlecrystal diamond(111)and(110)surfaces J.AppliedSurface Science,2002,196(1-4):173-180.3 连小晓，杨传森，吴端，等.真空保温杯常用材料放气特性研究J.真空科学与技术学报，2 0 2 0，40(5)：485-489.4刘一凡，潘皖江，武松涛，等.玻璃钢材料真空性能研究J.玻璃钢/复合材料，2 0 0 5(6)：2 1-2 3.5肖尤明.低温玻璃钢材料的真空放气性能研究D.上海：上海交通大学，2 0 0 7.6孙立臣，童靖宇，汪力，等.环模设备研制用玻璃钢的放气性能研究J.航天器环境工程，2 0 0 7，2 4(2)104-108.7董猛，冯焱，成永军，等.材料在真空环境下放气的测试技术研究J.真空与低温，2 0 14,2 0(1)：46-51.8罗艳，王魁波，吴晓斌，等.高精度真空材料放气测试研究J.真空科学与技术学报，2 0 16,36(3)：2 51-2 57.9郭迪舟，张军辉.基于双通道方法对不锈钢高温出气性能的研究J.真空科学与技术学报，2 0 11,31(3)：368-371.10 BATTES K,DAY C,HAUER V.Outgassing ratemeasurements of stainless steel and polymers using thediference methodJ.Journal of Vacuum Science&Technology A,2015,33(2):021603.11SEFA M,FEDCHAK J A,SCHERSCHLIGT J K.Investigations of medium-temperature bakes to achievelow outgassing rates in stainless steel ultra-high vacuumchambersJ.Journal of Vacuum Science&Technology A,2017,35(4):041601.12MAMUNMAA,ELMUSTAFAAA,STUTZMANML,et al.Effect of heat treatments and coatings on theoutgassing rate of stainless steel chambers J.Journalof Vacuum Science&Technology A,2014,32(2):021604.13朱静，陈树军，张杏珂，等.低温容器真空夹层中绝热材料放气特性实验研究J.低温与超导，2 0 2 2，50(5):1-5.14李蔚，夏莉，刘金良.一种深冷绝热纸放气率测试系统的研究J.制冷与空调(四川)，2 0 16，30(5)：58 2-58 5.15 BURDAKOV A V,VARAND A V,KRASNOV A A,et al.The thermal outgassing rate of materials used in high-vacuum systems J.Instruments and ExperimentalTechniques,2022,65(3):519-523.16 OGAWA N,YAMASHITA Y,KURISU H,et al.Outgassing properties ofvarioussurfacefinishedaluminum alloy measured by extremely highvacuumsystemJ.表面真空,2 0 2 1,6 4(9):411-417.17曾祥坡.真空材料放气率测试方法研究C/第十五届全国质谱分析与检漏会议暨第十届全国真空计量测试年会.2 0 0 9：134-138.18 SCHINDLER N,SCHLEUBNER D,EDELMANNC.Measurements of partial outgassing ratesJ.Vacuum,1996,47(4):351-355.19 KOYATSU Y,MIKI H,WATANABE F.Measurements ofoutgassing rate from copper and copper alloy chambersJ.Vacuum,1996,47(6/7/8):709-711.20】关玉慧，宋洪，董海义，等.常见放气率测试方法的量化比较J.真空科学与技术学报，2 0 2 0，40(6)：52 4-530.