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玻璃钢材料真空性能研究

更新于2008年09月24日  浏览了

    在国家“九五”重大科学工程项目EAST超导托卡马克核聚变装置中,超导磁体是非常重要的一个部件。超导磁体绝缘结构全部采用纤维增强复合材料。在真空下复合材料放气远大于不锈钢材料。由于超导磁体中绝缘部分所占比重比较大,而且极向场绝缘部分全部裸露在真空室中,因此研究低温胶复合材料放气性能显得十分重要。
1 测试原理及方法
    测试装置的布置如图1所示。系统主真空室的体积为76L,样品室体积约为2.7L。两室由直径5mm的小孔相连,小孔流导为2.3L/s(按分子流22℃,从N2计算)。系统主抽气泵为FB-450型分子泵,有效抽速为231L/s,前级回气采用FB-110型分子泵与2XZ-4型机械泵串联双级式抽气结构。两室装有DL-7真空规管分别测量两室气载全压。主真空室装有一台SRS-RCA200型四极质谱仪适时监测气载分压。测试装置为不锈钢材料结构,连接密封材料为无氧铜、纯铝丝等金属。测试装置空载时主真空室真空为2x10Pa,满足测试实验可靠性要求。
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 在此测试装置中,如果样品材料的总放气量较样品室本底的放气量大得多,设样品室压强为P2,主真空室的压强为P1,则样品材料的出气率方程可描述为:
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 式中,F为小孔固定流导;S为泵的抽速;V为真空室体积。将每一瞬时放气率对时间t积分,得到总的放气量Q
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 在测试中,S(泵的抽速)=F(小孔固定流导),P1(主真空室全压)=P2(样品室全压);样品室P2的变化所产生的容积流量为V(dP2/dt),如果P2的变化缓慢,则有,V(dP2/dt)=F (P2-P1),故(2)式可简化为:
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 恒定小孔在分子流状态下对于不同的气体在不同温度时的流导为:点击浏览下一页
    式中M为气体分子量;d0为小孔直径。由(3)和(4)式可知,利用简单计算的分子流状态下小孔流导(Fm)和测量两室的全压及小孔压差法来测试材料的出气率。这种方法的精确度高,且非常可靠。同时用四极质谱仪采集的残气谱图分析测试材料的出气的气体成分,并确定各种气体成分的出气率。即:

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 式中Pi是质谱中质量数为i的气体分压。
2 结果与分析
    运用上述装置,对绝缘子用玻璃钢和VPI工艺制作的玻璃钢进行了常温下的真空性能测试。第一次测试绝缘子用玻璃钢,样品为6个内径为l0mm的轴向绝缘子,总重量为1177g,表面积约为602cm。在测试过程中一直保持抽气,两室的气压随时间的变化由图2所示。
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 在测试过程中保持持续抽气33h,在抽气刚开始时样品室的气压约为6.2x10Pa,主真空室的气压约为3x10Pa,等效于氮气的出气率约为1.2×10Pa.L/s.g。在抽气过程中两室气压随时间的推移逐渐下降,刚开始5h内气压下降速率较快,而后基本趋于平缓。在经过5h抽气后样品室气压约为1.7x10Pa,主真空室的气压约为4.8 x 10Pa,等效于氮气出气率约为3.2 x 10Pa·L/s·g。25h后两室气压基本保持不变。样品室气压约为7.1 x 10Pa,主真空室的气压为1x 0Pa,等效于氮气出气率约为1.4x10Pa·L/s·g。
    第二次测试样品为超导线圈绝缘层用VPI工艺的玻璃钢材料。样品为1个内径为87mm的筒体,天平称其重量约为510g,表面积约为1144cm。两室气压随时间变化由图4所示。
    在第二次测试过程中保持持续抽气30h,刚开始几个小时只测量主真空室的压强,抽气5h后气压变化趋于平稳,在抽气9h后开始测量样品室压强。此时样品室气压约为1.8x 10Pa,主真空室的气压约为3.6x10Pa,等效于氮气的材料出气率约为6.6x10Pa·Ls·g。此后两室气压变化较小基本维持在稳定状态。抽气19h后样品室气压最低约为1.2x10Pa,主真空室压强约为2.1 x 0Pa,等效于氮气的材料出气率约为4.5x10Pa.L/s·g。抽气23h后样品室气压有所增大,但此时两室气压也达到稳定值,样品室气压约为1.4 x10Pa,主真空室的气压约为1.7 x10Pa,等效于氮气的材料出气率约为5.6x10Pa·L/s·g。
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 由两次QMS残余气体谱图看,绝缘子用玻璃钢材料与超导线圈绝缘层用VPI工艺的玻璃钢材料在常温抽气时释放的气体成分有很大差别。前者以氢气为主峰,后者以水蒸气为主要谱峰。但相同的是样品材料的表面和体内解吸出氢气、炭氢化合物和炭氧化合物,而VPI材料在残余气体中含有少量O2(m/e=32)。经计算,绝缘子用玻璃钢材料各组分依次为:tH2: H20:(CO+CO2)CnHm=51%:34%:12%:3%,IVPI工艺玻璃钢材料各组分依次为:H20:H2,(CO+,co2):CnHm:OZ=84%:7%:5%:3%:1%。
3 结论
    玻璃钢材料经上述真空性能评价试验后可以得到如下结论:
   (1)从出气率上看,这两种材料经约20h抽气后都可以达到稳定值,其中绝缘子用玻璃钢材料的放气率略大,主要原因在于两种玻璃钢材料的成型工艺不同,VPI工艺玻璃钢在成型时经真空处理,因其出气率较小,其稳定后材料出气率约为5.6 x10Pa·L/s·g,而绝缘子用玻璃钢成型时没有经过真空处理,稳定后材料出气率约为1.4x10Pa·L/s·g;
   (2)从残余气体的质谱分析看,绝缘子用玻璃钢和VPI工艺的玻璃钢也有较大的差别,存在着大量的氢气,这主要是由于所使用的低温胶含游离成分。后者含有大量的水蒸气且所含气体质谱比较集中。从质谱看,这种材料的真空性能较好,由于其水蒸气含量最高,因此在低温下可使真空系统的真空度提高较多;
   (3)本次实验从真空技术的角度分析了两种玻璃钢材料的相关真空性能,其结果可为EAST装置的真空估计提供数据,同时为制作全玻璃钢杜瓦提供设计依据。

 

 


 

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