材料的氣體滲透性

2008-10-29 劍氣書生 真空技術網整理

    因為在真空容器器壁兩側的氣體總是存在壓力差,所以即使壁面固體上存在的微孔小到足以阻止正常氣流通過時,但壁面材料總要或多或少地滲透一些氣體。則氣體從密度大的一側向密度小的一側滲入、擴散,通過和逸出固體阻擋層的過程稱為滲透。在這種情況下的穩態流率稱為滲透率。

    從微觀的角度來看,滲透過程是按以下步驟進行的(見圖1)。

氣體滲透性過程示意圖

圖1:氣體滲透性過程示意圖

①首先,氣體原子或分子碰撞到真空器壁的外表面;

②被器壁外表面吸附;

③吸附時有的氣體分子能離解成原子態;

④氣體在入射一側的壁面表層達到一個平衡溶解度;

⑤由于濃度梯度的存在,氣體向壁面的另一側擴散;

⑥氣體擴散到器壁的另一面重新結合成分子態(如果存在步驟3時)后釋放;或氣體擴散到器壁的另一面后解吸和釋出。

    一般說來,在滲透過程中,擴散這一環節是最慢最關鍵的一步,它與滲透氣體及壁面材料的種類和性質有密切關系。對于金屬材料來說,例如氫氣通過鋼鐵材料的滲透過程,是先以分子態吸附在材料的表面上。然后由鐵表面的親和力引起氫分子較弱的H—H鍵斷裂,使氫離解成原子態并滲透過材料,在壁面的另一側重新結合成分子態氫;氫氣對于非金屬材料,則是以分子態形式擴散滲透。

    根據擴散定律,可推導出滲透量的表達式

Q=K·A·Δp1/j/h
(3)

式中    Q——氣體透過固體壁面的滲透速率

        K——某種氣體對某種固體的滲透系數

        A——壁的面積

        Δp——器壁兩側的氣體壓力差

        J——溶解常數,對金屬中的雙原子氣體j=2,對非金屬中的氣體j=1

        h——壁厚

    其中K值與氣體一固體配偶的性質有關。只要知道滲透系數K,就可以根據該材料的壁厚h、壁的面積A、壁兩側的氣壓差Δp,由式(3)求得滲透速率。K的意義是:器壁兩側的壓力差為一個大氣壓下,溫度為0℃(即在標準狀態下)滲透過單位厚度(cm)的單位面積(cm)壁面的氣體量。所以K的單位常用制外單位表示:如使用[cm2/s]則與擴散系數的單位一致,形式簡單,但物理意義不夠明確;而使用[cm3(STP)/(cm2·s·Pa·mm-1)]表示每mm厚的材料,在每Pa的壓差下,每秒通過每cm2面積的滲透氣體量(以標準狀態下的cm3計)。此單位形式比較復雜,但物理意義比較明確。

    滲透系數K、擴散系數D、溶解度S之間存在以下關系

 

K=DS
         
(4)

式中    D——氣體在固體中的擴散系數,cm2/s

        S——氣體在固體中的溶解度,cm3(STP)/(cm3·Pa);表示壓力在大氣壓力的平衡條件下,單位體積的固體材料中所溶解的氣體體積數

        K——滲透系數

    擴散系數、溶解度、滲透系數這三個參數都是溫度的指數函數。