Способ измерения газовыделения материалов в вакууме

Изобретение относится к области испытания материалов в условиях вакуума применительно к определению скорости обезгаживания испытуемых материалов. Способ включает размещение образца материала в измерительном объеме вакуумной системы со средствами откачки, вакуумирование измерительного объема до заданного давления разрежения, измерение скорости роста давления в измерительном объеме и анализ остаточного газа в нем, причем после достижения заданного давления разрежения перед измерением скорости роста давления измерительный объем герметично отделяют от средств откачки, а перед каждым последующим измерением его уменьшают пропорционально уменьшению скорости роста давления в предыдущем измерении. Достигается расширение динамического диапазона и повышение точности измерений скорости газовыделения на конечном этапе обезгаживания материала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области испытаний материалов в условиях вакуума, при котором происходит так называемое обезгаживание материала, т.е. удаление частиц газа, как с поверхности материала, так и из его внутреннего объема. При этом важными являются количественные характеристики этого процесса - общая потеря массы, содержание летучих конденсирующихся веществ и кинетика массовыделения.

Известен способ измерения газовыделения материалов путем определения потерь массы и содержания летучих конденсирующихся веществ при вакуумно-тепловом воздействии (ГОСТ Р 50109-92). Сущность метода заключается в вакуумном воздействии при определенной температуре на образцы материалов, помещенные в специальные изотермические контейнеры, и в улавливании выделившихся из образцов летучих конденсирующихся веществ охлажденными поверхностями. Потерю массы определяют по разности масс образца и конденсирующей пластины до и после эксперимента.

Данный способ обеспечивает приемлемую точность измерения интегральных параметров газовыделения, а именно - общей потери массы и содержания летучих конденсирующихся веществ, однако для измерения, например, зависимости скорости газовыделения от времени, данный метод непригоден. Это связано с тем, что 1) не все продукты газовыделения осаждаются на охлаждаемых поверхностях и 2) в процессе обезгаживания материала скорость газовыделения может изменяться на несколько порядков величины. Как следствие, точность измерения скорости газовыделения на конечных этапах обезгаживания резко падает, что не позволяет получить достоверные оценки измеряемых параметров.

Наиболее близким техническим решением является способ измерения газовыделения материалов в вакууме, включающий размещение образца материала в измерительном объеме вакуумной системы со средствами откачки, вакуумирование измерительного объема до заданного давления разрежения, измерения скорости роста давления в измерительном объеме и анализ остаточного газа в нем (Нусинов М.Д. Воздействие и моделирование космического вакуума. - М.: Машиностроение, 1982. - С.79).

Данный способ позволяет фиксировать все летучие вещества, однако динамический диапазон данного метода недостаточен для надежного измерения скорости газовыделения на конечных этапах обезгаживания, что связано с ограничениями по чувствительности и точности средств измерения низких давлений (вакуума).

Целью предложенного решения является расширение динамического диапазона и повышение точности измерений скорости газовыделения на конечном этапе обезгаживания материала.

Указанная цель достигается тем, что в способе измерения газовыделения материалов в вакууме, включающем размещение образца материала в измерительном объеме вакуумной системы со средствами откачки, вакуумирование измерительного объема до заданного давления разрежения, измерения скорости роста давления в измерительном объеме и анализ остаточного газа в нем, после достижения заданного давления разрежения перед измерением скорости роста давления измерительный объем герметично отделяют от средств откачки, а перед каждым последующим измерением его уменьшают пропорционально уменьшению скорости роста давления в предыдущем измерении.

Предпочтительно при этом, что уменьшение измерительного объема производят до уровня, при котором для данного измерения отношение максимального значения измеряемого давления к заданному давлению разрежения находится в диапазоне 2…10.

На фиг.1 представлена конструктивная схема вакуумной системы со средствами откачки и измерительным объемом.

На фиг.2 представлены графики роста давления в измерительном объеме по времени.

Вакуумная система (фиг.1) включает измерительный объем в виде герметизируемой вакуумной камеры 1 с размещенным в ней образцом материала 2, средства откачки 3 и вакуумный затвор 4. Объем камеры регулируется с помощью подвижного элемента 5. Измерение давления в камере осуществляется вакуумметром 6. Состав продуктов газовыделения определяется с помощью масс-спектрометра 7.

Рост давления в измерительном объеме является линейной функцией времени (фиг.2). Кривая 8 показывает изменение давления при максимальной скорости газовыделения материала, кривая 9 - при минимальной, а кривые 10, 11, 12 - при промежуточных значениях скорости газовыделения.

Измерение скорости газовыделения производится следующим образом.

Образец материала 2 помещают в камеру 1. Откачивают камеру до заданного давления разряжения Р_нач. Герметизируют камеру с помощью затвора 4. После герметизации периодически измеряют давление в камере. Началу измерений соответствует момент времени t_нач. Измерения прекращают в момент времени t_кон, наступающий после достижения максимального давления Р_макс или после превышения максимального времени измерения t_макс. По измеренным значениям начального (Р_нач) и конечного (Р_кон) давления рассчитывают скорость роста давления в камере

Скорость газовыделения g_m рассчитывают по формуле

где Т - температура газа (К); V_к - объем камеры (м³); m_а - средняя атомная масса продуктов газовыделения молекул газа (кг); k - постоянная Больцмана (Дж/К). Средняя атомная масса продуктов газовыделения m_а определяется по результатам масс-спектрометрических измерений. За температуру газа Т принимается температура стенок камеры.

Погрешность определения скорости газовыделения определяется, в основном, погрешностью измерения скорости роста давления b.

Наименьшая погрешность измерений достигается при скорости роста давления

При b>b_опт погрешность измерений возрастает из-за ограниченного быстродействия вакуумметра, а при b>b_опт - за счет роста погрешности измерения давления.

Для снижения погрешности измерений объем камеры корректируют в зависимости от результатов измерения скорости роста давления.

Если измеренная величина скорости роста давления окажется больше значения , объем камеры увеличивают до значения

где V_k,макс - максимально возможный объем камеры.

Если измеренная величина скорости роста давления окажется меньше значения , объем камеры уменьшают до значения

где V_k,мин - минимально возможный объем камеры.

Минимальное время измерений (t_мин) ограничено быстродействием вакуумметра, максимальное (t_макс) - постоянной времени процесса газовыделения.

Начальное давление в камере (Р_нач) определяется, с одной стороны, нижним пределом измерения вакуумметра, с другой - производительностью системы откачки и скоростью газовыделения образца. Минимальное давление (Р_мин) должно быть не меньше 2×Р_нач с тем, чтобы погрешность измерения изменения давления была не хуже измерения абсолютной величины давления к камере. Максимальное давление в камере (P_макс) не должно превышать (5-10)×Р_мин, поскольку при увеличении давления в камере возрастает роль десорбции частиц на поверхности образца и стенках камеры, что снижает достоверность и точность измерений.

Таким образом, отношение измеряемого давления к заданному значению разрежения должно находиться в диапазоне 2…10.

В качестве примера рассмотрим установку для измерения скорости газовыделения конструкционных материалов космического назначения.

Характерные значения относительной скорости газовыделения этих материалов (здесь M_обр - масса образца) находятся в диапазоне 10^-3…10⁺² ppm/ч (ppm - миллионная доля массы образца). Постоянная времени процесса газовыделения при нормальной температуре составляет 10-50 часов. Средняя атомная масса продуктов газовыделения составляет ~30 а.е.м.

Для измерения давления предпочтительно использовать вакуумметры мембранного типа, обладающие высокой чувствительностью и точностью абсолютных измерений давления. Нижний предел измерения этих приборов обычно составляет 10^-4 мм рт.ст. при погрешности около 0.1%. Минимальное время измерения составляет около 1 с.

Исходя из этого примем, что Р_нач=10^-4 мм рт.ст., Р_мин=2×Р_нач Р_макс=10×Р_нач, t_мин=10 с, t_макс=1000 с.

Оптимальная скорость роста давления в этом случае составит

Минимальная скорость роста давления

Максимальная скорость роста давления

Зададимся объемом камеры, равным 10 л. Тогда соответствующие значения скорости газовыделения при температуре стенок камеры 300 К согласно формуле (2) составят

g_m,опт≈10^-11 кг/с.

g_m,мин≈10^-12 кг/с.

g_m,макс≈10^-9 кг/с.

При указанных выше значениях относительной скорости газовыделения для проведения измерений потребует образец массой

Минимальная относительная скорость газовыделения, которая может быть измерена без потери точности, при такой массе образца составит

При снижении относительной скорости газовыделения будет происходить уменьшение точности измерений пропорционально отношению . Для компенсации потерь точности объем измерительной камеры следует уменьшить пропорционально уменьшению скорости газовыделения (применительно к рассмотренному примеру с 10 л до 100 см³, т.е. в 100 раз). В этом случае точность измерений останется неизменной во всем диапазоне значений скорости газовыделения.

Таким образом, использование рассмотренного выше технического решения позволяет расширить динамический диапазон и проводить измерения скорости газовыделения на конечных этапах обезгаживания без снижения точности.

1. Способ измерения газовыделения материалов в вакууме, включающий размещение образца материала в измерительном объеме вакуумной системы со средствами откачки, вакуумирование измерительного объема до заданного давления разрежения, измерение скорости роста давления в измерительном объеме и анализ остаточного газа в нем, отличающийся тем, что после достижения заданного давления разрежения перед измерением скорости роста давления измерительный объем герметично отделяют от средств откачки, а перед каждым последующим измерением его уменьшают пропорционально уменьшению скорости роста давления в предыдущем измерении.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что уменьшение измерительного объема производят до уровня, при котором для данного измерения отношение максимального значения измеряемого давления к заданному давлению разрежения составляет 2…10.