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玻璃鋼材料真空性能研究

更新於2008年09月24日  瀏覽了

    在國家“九五”重大科學工程項目EAST超導托卡馬克核聚變裝置中,超導磁體是非常重要的一個部件。超導磁體絕緣結構全部采用纖維增強複合材料。在真空下複合材料放氣遠大於不鏽鋼材料。由於超導磁體中絕緣部分所占比重比較大,而且極向場絕緣部分全部裸露在真空室中,因此研究低溫膠複合材料放氣性能顯得十分重要。
1 測試原理及方法
    測試裝置的布置如圖1所示。係統主真空室的體積為76L,樣品室體積約為2.7L。兩室由直徑5mm的小孔相連,小孔流導為2.3L/s(按分子流22℃,從N2計算)。係統主抽氣泵為FB-450型分子泵,有效抽速為231L/s,前級回氣采用FB-110型分子泵與2XZ-4型機械泵串聯雙級式抽氣結構。兩室裝有DL-7真空規管分別測量兩室氣載全壓。主真空室裝有一台SRS-RCA200型四極質譜儀適時監測氣載分壓。測試裝置為不鏽鋼材料結構,連接密封材料為無氧銅、純鋁絲等金屬。測試裝置空載時主真空室真空為2x10Pa,滿足測試實驗可靠性要求。
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 在此測試裝置中,如果樣品材料的總放氣量較樣品室本底的放氣量大得多,設樣品室壓強為P2,主真空室的壓強為P1,則樣品材料的出氣率方程可描述為:
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 式中,F為小孔固定流導;S為泵的抽速;V為真空室體積。將每一瞬時放氣率對時間t積分,得到總的放氣量Q
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 在測試中,S(泵的抽速)=F(小孔固定流導),P1(主真空室全壓)=P2(樣品室全壓);樣品室P2的變化所產生的容積流量為V(dP2/dt),如果P2的變化緩慢,則有,V(dP2/dt)=F (P2-P1),故(2)式可簡化為:
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 恒定小孔在分子流狀態下對於不同的氣體在不同溫度時的流導為:點擊瀏覽下一頁
    式中M為氣體分子量;d0為小孔直徑。由(3)和(4)式可知,利用簡單計算的分子流狀態下小孔流導(Fm)和測量兩室的全壓及小孔壓差法來測試材料的出氣率。這種方法的精確度高,且非常可靠。同時用四極質譜儀采集的殘氣譜圖分析測試材料的出氣的氣體成分,並確定各種氣體成分的出氣率。即:

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 式中Pi是質譜中質量數為i的氣體分壓。
2 結果與分析
    運用上述裝置,對絕緣子用玻璃鋼和VPI工藝製作的玻璃鋼進行了常溫下的真空性能測試。第一次測試絕緣子用玻璃鋼,樣品為6個內徑為l0mm的軸向絕緣子,總重量為1177g,表麵積約為602cm。在測試過程中一直保持抽氣,兩室的氣壓隨時間的變化由圖2所示。
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 在測試過程中保持持續抽氣33h,在抽氣剛開始時樣品室的氣壓約為6.2x10Pa,主真空室的氣壓約為3x10Pa,等效於氮氣的出氣率約為1.2×10Pa.L/s.g。在抽氣過程中兩室氣壓隨時間的推移逐漸下降,剛開始5h內氣壓下降速率較快,而後基本趨於平緩。在經過5h抽氣後樣品室氣壓約為1.7x10Pa,主真空室的氣壓約為4.8 x 10Pa,等效於氮氣出氣率約為3.2 x 10Pa·L/s·g。25h後兩室氣壓基本保持不變。樣品室氣壓約為7.1 x 10Pa,主真空室的氣壓為1x 0Pa,等效於氮氣出氣率約為1.4x10Pa·L/s·g。
    第二次測試樣品為超導線圈絕緣層用VPI工藝的玻璃鋼材料。樣品為1個內徑為87mm的筒體,天平稱其重量約為510g,表麵積約為1144cm。兩室氣壓隨時間變化由圖4所示。
    在第二次測試過程中保持持續抽氣30h,剛開始幾個小時隻測量主真空室的壓強,抽氣5h後氣壓變化趨於平穩,在抽氣9h後開始測量樣品室壓強。此時樣品室氣壓約為1.8x 10Pa,主真空室的氣壓約為3.6x10Pa,等效於氮氣的材料出氣率約為6.6x10Pa·Ls·g。此後兩室氣壓變化較小基本維持在穩定狀態。抽氣19h後樣品室氣壓最低約為1.2x10Pa,主真空室壓強約為2.1 x 0Pa,等效於氮氣的材料出氣率約為4.5x10Pa.L/s·g。抽氣23h後樣品室氣壓有所增大,但此時兩室氣壓也達到穩定值,樣品室氣壓約為1.4 x10Pa,主真空室的氣壓約為1.7 x10Pa,等效於氮氣的材料出氣率約為5.6x10Pa·L/s·g。
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 由兩次QMS殘餘氣體譜圖看,絕緣子用玻璃鋼材料與超導線圈絕緣層用VPI工藝的玻璃鋼材料在常溫抽氣時釋放的氣體成分有很大差別。前者以氫氣為主峰,後者以水蒸氣為主要譜峰。但相同的是樣品材料的表麵和體內解吸出氫氣、炭氫化合物和炭氧化合物,而VPI材料在殘餘氣體中含有少量O2(m/e=32)。經計算,絕緣子用玻璃鋼材料各組分依次為:tH2: H20:(CO+CO2)CnHm=51%:34%:12%:3%,IVPI工藝玻璃鋼材料各組分依次為:H20:H2,(CO+,co2):CnHm:OZ=84%:7%:5%:3%:1%。
3 結論
    玻璃鋼材料經上述真空性能評價試驗後可以得到如下結論:
   (1)從出氣率上看,這兩種材料經約20h抽氣後都可以達到穩定值,其中絕緣子用玻璃鋼材料的放氣率略大,主要原因在於兩種玻璃鋼材料的成型工藝不同,VPI工藝玻璃鋼在成型時經真空處理,因其出氣率較小,其穩定後材料出氣率約為5.6 x10Pa·L/s·g,而絕緣子用玻璃鋼成型時沒有經過真空處理,穩定後材料出氣率約為1.4x10Pa·L/s·g;
   (2)從殘餘氣體的質譜分析看,絕緣子用玻璃鋼和VPI工藝的玻璃鋼也有較大的差別,存在著大量的氫氣,這主要是由於所使用的低溫膠含遊離成分。後者含有大量的水蒸氣且所含氣體質譜比較集中。從質譜看,這種材料的真空性能較好,由於其水蒸氣含量最高,因此在低溫下可使真空係統的真空度提高較多;
   (3)本次實驗從真空技術的角度分析了兩種玻璃鋼材料的相關真空性能,其結果可為EAST裝置的真空估計提供數據,同時為製作全玻璃鋼杜瓦提供設計依據。

 

 


 

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