真空絕熱板(VIPs)芯材放氣機理
氣相二氧化硅(fumed silica)真空放氣性能與放氣機理
用于VIPs 的氣相二氧化硅芯材是典型的多孔性材料，擁有很大的比表面積(100 m2/g~400 m2/g)，孔隙率一般都在90%以上，最大孔隙直徑小于300 nm。這種大比表面積、高孔隙率、納米級別的泡孔尺寸使得氣相二氧化硅非常容易吸收水分，在一定程度上是一種性能優(yōu)良的干燥劑。由其等溫吸附曲線(xiàn)[18](圖3)可知，在相對濕度50%以下，吸附等溫線(xiàn)線(xiàn)性增長(cháng)，在50%以上呈指數級別增長(cháng)。這主要是細小孔隙導致的毛細凝結效應引起的，根據開(kāi)爾文- 拉普拉斯定律，當相對濕度超過(guò)95%時(shí)，所有直徑小于20 nm 的孔隙都將充滿(mǎn)水分。另外溫度越高吸附水分的能力越強，所以高溫環(huán)境中的VIPs 芯材放氣量會(huì )增大。存在于孔隙中的水蒸氣導熱，吸附于芯材表面的水分導熱以及板熱面吸附水分的蒸發(fā)、擴散、在冷面的凝結引起從熱面到冷面的熱量傳遞都會(huì )增加VIPs 的有效導熱系數。研究表明單位重量水分含量的增加將導致VIPs 的導熱系數上升0.5 mW/(mK)[19]。
在本底壓強10- 6 Pa 下，從氣相二氧化硅的放氣質(zhì)譜圖中可以看到出氣成分有H2O、H2、CO和CO2，其中H2O 的離子流強度是其它幾種氣體總和的20 倍，所以H2O 是最主要的出氣成分[20]。其它幾種微弱氣體成分到底是四級質(zhì)譜儀及規管引起的還是氣相二氧化硅本身放氣，從此實(shí)驗手段上無(wú)法判別, 從量上看，這幾種氣體引起的真空負荷可以忽略不計。
從氣相二氧化硅制作過(guò)程可知，硅鹵烷在水解后發(fā)生的縮聚反應是不完全的，因而殘留許多硅羥基(Si- OH)分布于二氧化硅表面及聚集體內部。羥基的凝聚生成化學(xué)吸附水，其振動(dòng)頻率與二氧化硅表面聲子振動(dòng)頻率相當，脫附活化能較高,在126 kJ/mol 以上。在羥基上的化學(xué)吸附水分子由于硅醇基團的阻尼作用，振動(dòng)頻率會(huì )低一些。而物理吸附水振動(dòng)頻率會(huì )更低，脫附活化能在38 kJ/mol~61 kJ/mol 之間。所以在制作VIPs 之前對氣相二氧化硅芯材進(jìn)行高溫烘烤是必需的步驟，特別是為了最大限度去除化學(xué)吸附水，烘烤溫度要在500 K 以上。
泡沫芯材的真空放氣性能與放氣機理
PAOLO MANINI 曾經(jīng)采用壓力上升法輔以四級質(zhì)譜儀進(jìn)行氣體成分分析對開(kāi)孔聚氨酯泡沫進(jìn)行了測試，試樣經(jīng)在410 K 下進(jìn)行20 min 烘烤，氣體成分及分壓力見(jiàn)圖4[4]，以此為基礎對真空絕熱板長(cháng)期總放氣負荷進(jìn)行了計算。
VIPs 芯材同所有其它材料一樣在一定真空度下會(huì )發(fā)生分子升華現象，蒸氣壓力為材料表面處于平衡態(tài)時(shí)氣體在混合氣體中的分壓力，蒸氣壓力Ps 可以表示為[21]：
lnPs = A-B/T(3)
其中A、B 為與溫度T(K)無(wú)關(guān)的常數，蒸發(fā)率用下式計算：
式中σ 為凝結系數，M 為材料分子量，Ps 為在溫度T 下的蒸氣壓力。
可用作VIPs 芯材的材料尤其是泡沫類(lèi)材料，蒸氣壓力一般都很低，其值一般在10- 7 Pa~10- 5 Pa，而從圖1 可以看出以泡沫類(lèi)和玻璃纖維為芯材的VIPs 內部壓力最小在0.1 Pa~10 Pa 左右就已經(jīng)滿(mǎn)足要求，對于氣相二氧化硅材料甚至達到1000 Pa，所以在VIPs 內部所需的真空范圍內，材料表面升華構成的放氣可以忽略不計。芯材真空放氣的氣體來(lái)源可能有以下幾個(gè)方面。處于真空環(huán)境下的泡沫類(lèi)材料，在達到一定真空度時(shí)材料本身會(huì )升華。真空下基體溶解氣體的內部擴散并在表面脫附和表面吸附氣體的脫附。另外對于泡沫類(lèi)芯材，在發(fā)泡過(guò)程中很難做到100%的開(kāi)孔率，內部微量的閉孔結構會(huì )封閉一部分發(fā)泡劑氣體和發(fā)泡反應生成的二氧化碳氣體，這部分氣體會(huì )緩慢透過(guò)泡孔壁向VIPs 內部真空空間擴散，導致了一部分真空放氣負荷。所以芯材真空放氣包括四個(gè)部分：材料本身真空升華、基體溶解氣體的擴散脫附、氣體表面脫附及閉孔結構內氣體的擴散滲透，如圖5 所示。
無(wú)論泡沫基體內氣體的擴散還是還是閉孔結構內發(fā)泡劑氣體透過(guò)泡孔壁向外擴散，都遵循Fick 第二定律。
對于閉孔結構內的發(fā)泡劑氣體，由于氣體濃度和壓力存在正比關(guān)系，即
C = kp (6)
在知道相關(guān)擴散系數的情況下，由以上公式可以計算基體內溶解氣體的濃度和閉孔內發(fā)泡劑氣體壓力隨時(shí)間的變化。
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真空絕熱板部件真空出氣性能及機理分析
