气体在材料表面吸附和脱附率测量系统及测量方法技术方案

本发明专利技术提供了一种气体在材料表面吸附和脱附率测量系统及测量方法，该测量系统包括压强控制箱、抽气系统、待测气体供应系统和可控温QCM测量系统；抽气系统和待测气体供应系统分别通过气体穿舱法兰与压强控制箱连通；可控温QCM测量系统通过QCM穿舱法兰与压强控制箱连接，可控温QCM测量系统包括QCM探头、QCM信号处理器和冷却机，QCM探头中的表面晶片镀有待测金属材料，冷却机通过冷却管路连接QCM探头，用以控制表面晶片的温度，利用该测量系统能够实现在低温、低压条件下气体在材料表面吸附和脱附率的精确测量。该测量方法为利用上述测量系统的测量方法。

Measurement system and method of gas adsorption and desorption rate on material surface

【技术实现步骤摘要】
气体在材料表面吸附和脱附率测量系统及测量方法
本专利技术涉及金属材料测量及分析领域，具体涉及一种气体在材料表面吸附和脱附率测量系统及测量方法。
技术介绍
双组元姿控发动机是航天器的核心装置，其工作时产生的真空羽流会对航天器产生羽流污染。航天器设计部门对羽流污染评估不准，会引发事故，或使设计保守，影响到航天器安全性和先进性。现有描述羽流污染物与航天器材料作用过程的是到达后全部吸附模型，并不能准确描述复杂的羽流污染作用机制。由于航天器材料多处于双组元发动机羽流的返流区，因此具有气体压强低的特点；同时，由于太空环境中温差较大，航天器材料表面可能存在低温状态。根据当前的稀薄气体在材料表面沉积模型可知，在材料表面温度较低的条件下，气体更容易沉积于材料表面，并对材料性能产生影响，因此，在设计测量方法时，需要考虑低气压及低壁面温度等因素。当前测量气体在材料表面的吸附及脱附过程的方法分为体积法和质量法。体积法通过测量材料吸附或脱附后容器内压强的改变或相关管路气体的流量对其进行测量，这一方法的缺陷在于气体不仅仅与待测材料表面发生作用，同时也与容器器壁发生作用，因此测量结果存在较大误差；质量法通过测量待测材料在发生气体吸附和脱附后的质量改变对其进行测量，这一方法的待测材料多为特定的易吸附气体的材料，而非常用材料，其对稀薄气体条件下材料的质量变化敏感度较低。此外，现有技术在测量气体与材料表面吸附和脱附过程时，多为高压气体，即便在测量真空下材料脱附过程时，且其壁面温度也通常为常温，不满足双组元发动机羽流对材料表面的作用条件。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种气体在材料表面吸附和脱附率测量系统，该系统能够实现低压气体与低温材料表面吸附和脱附率的测量。本专利技术的第二目的在于提供一种采用上述气体在材料表面吸附和脱附率测量系统的测量方法。基于上述第一目的，本专利技术提供的气体在材料表面吸附和脱附率测量系统，包括：压强控制箱、抽气系统、待测气体供应系统和可控温QCM测量系统；所述压强控制箱设置有气体穿舱法兰和QCM穿舱法兰；所述抽气系统和所述待测气体供应系统分别通过气体穿舱法兰与所述压强控制箱连通；所述可控温QCM测量系统通过QCM穿舱法兰与所述压强控制箱连接，所述可控温QCM测量系统包括QCM探头、QCM信号处理器和冷却机，所述QCM探头设置在所述压强控制箱内，所述QCM探头中的表面晶片镀有待测金属材料，所述QCM信号处理器通过QCM信号线与所述QCM探头电连接，用以测量待测物质量变化，所述冷却机通过冷却管路连接QCM探头，用以控制表面晶片的温度。进一步的，所述抽气系统包括通过抽气管路依次连通的抽气控制电磁阀、缓冲罐和抽气泵。进一步的，待测气体供应系统包括供气主管路、供气分管路、供气控制电磁阀、氮气供应器和待测气体供应器；供气控制电磁阀与供气主管路的靠近出气端位置连通，所述氮气供应器和待测气体供应器分别通过供气分管路与供气主管路的靠近进气端位置连通。进一步的，所述QCM探头中的表面晶片镀有待测金属物的精度为1.1ng/cm2·Hz。进一步的，所述压强控制箱内壁面抛光，所述压强控制箱体内部腔体的体积与表面积比值为8-10:1。进一步的，该气体在材料表面吸附和脱附率测量系统还包括温度测量系统，其通过电路穿舱法兰与压强控制箱连接，所述温度测量系统包括温度探测器、测温信号线和温度信号采集器，所述温度探测器设置在压强控制箱内，所述温度探测器和所述温度信号采集器通过测温信号线电连接。进一步的，该气体在材料表面吸附和脱附率测量系统还包括压强测量系统，其通过电路穿舱法兰与压强控制箱连接，所述压强测量系统包括压强传感器、测压信号线和压强信号采集器，压强传感器设置在压强控制箱内，用于测量气体与壁面作用过程中气体压强，所述压强信号采集器通过测压信号线与压强传感器电连接。基于上述第二目的，本专利技术提供的一种测量方法，包括如下步骤：步骤S1，利用抽气系统将压强控制箱及待测气体供应系统中的供气管路抽至真空，为压强控制箱及供气管路保压一定时间，将待测金属材料内残余气体释放；步骤S2，利用氮气供应器向压强控制箱内充入氮气至压强控制箱内达到实验压强，利用QCM信号处理器记录实验压强下QCM探头的基础频率值；步骤S3，利用冷却机将QCM探头冷却至实验温度，待QCM探头频率稳定后，利用QCM信号处理器记录QCM探头当前频率f1；步骤S4，利用抽气系统将压强控制箱及待测气体供应系统中的供气管路抽至真空；步骤S5，开启待测气体供应器及供气控制电磁阀，向压强控制箱内充入待测气体至实验压强；步骤S6，将QCM探头稳定控制在指定实验温度，利用QCM信号处理器记录QCM探头当前频率f2，将所记录频率f2-f1＝f，f即为当前压强和温度下材料表面气体吸附量；步骤S7，开启抽气系统中抽气泵，将压强控制箱抽至真空；同时，利用QCM信号处理器记录QCM探头在真空下频率变化曲线。进一步的，该测量方法中，利用温度测量系统检测压强控制箱内的温度值。进一步的，该测量方法中，利用压强测量系统测量气体与压强控制箱内壁面作用过程中气体压强。采用上述技术方案，本专利技术的具有以下有益效果：本专利技术提供的气体在材料表面吸附和脱附率测量系统，采用可控温QCM测量系统对气固表面吸附和脱附作用进行测量，能够实现低温要求，通过待测气体供应系统对压强控制箱内进行压强控制，从而达到低压要求，满足在低温、低压条件下对气体的吸附和脱附检测。本专利技术提供的一种测量方法，实现了在低温、低压环境下对气体的吸附和脱附的检测，保障能够对双组元发动机羽流在材料表面的吸附和脱附过程进行实验，有效降低了容器壁面对气体吸附和脱附对测量结果的影响；解决了质量法不利于测量微小质量变化的问题；解决了稀薄气体环境下气体吸附和脱附的测量问题；解决了壁面低温条件下气体的吸附和脱附问题。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的气体在材料表面吸附和脱附率测量系统的第一种结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的气体在材料表面吸附和脱附率测量系统的第二种结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的气体在材料表面吸附和脱附率测量系统的第三种结构示意图；图4为本专利技术实施例提供的气体在材料表面吸附和脱附率测量系统的测量方法的流程图。图标：100-压强控制箱；101-气体穿舱法兰；102-电路穿舱法兰；103-QCM穿舱法兰；200-抽气系统；201-抽气管路；202-抽气控制电磁阀；203-缓冲罐；204-抽气泵；300-待测气体供应系统；301-供气主管路；302-供气控制电磁阀；303-待测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气体在材料表面吸附和脱附率测量系统，其特征在于，包括：压强控制箱、抽气系统、待测气体供应系统和可控温QCM测量系统；/n所述压强控制箱设置有气体穿舱法兰和QCM穿舱法兰；/n所述抽气系统和所述待测气体供应系统分别通过气体穿舱法兰与所述压强控制箱连通；/n所述可控温QCM测量系统通过QCM穿舱法兰与所述压强控制箱连接，所述可控温QCM测量系统包括QCM探头、QCM信号处理器和冷却机，所述QCM探头设置在所述压强控制箱内，所述QCM探头中的表面晶片镀有待测金属材料，所述QCM信号处理器通过QCM信号线与所述QCM探头电连接，用以测量待测物质量变化，所述冷却机通过冷却管路连接QCM探头，用以控制表面晶片的温度。/n

【技术特征摘要】
1.一种气体在材料表面吸附和脱附率测量系统，其特征在于，包括：压强控制箱、抽气系统、待测气体供应系统和可控温QCM测量系统；
所述压强控制箱设置有气体穿舱法兰和QCM穿舱法兰；
所述抽气系统和所述待测气体供应系统分别通过气体穿舱法兰与所述压强控制箱连通；
所述可控温QCM测量系统通过QCM穿舱法兰与所述压强控制箱连接，所述可控温QCM测量系统包括QCM探头、QCM信号处理器和冷却机，所述QCM探头设置在所述压强控制箱内，所述QCM探头中的表面晶片镀有待测金属材料，所述QCM信号处理器通过QCM信号线与所述QCM探头电连接，用以测量待测物质量变化，所述冷却机通过冷却管路连接QCM探头，用以控制表面晶片的温度。


2.根据权利要求1所述的气体在材料表面吸附和脱附率测量系统，其特征在于，所述抽气系统包括通过抽气管路依次连通的抽气控制电磁阀、缓冲罐和抽气泵。


3.根据权利要求1所述的气体在材料表面吸附和脱附率测量系统，其特征在于，待测气体供应系统包括供气主管路、供气分管路、供气控制电磁阀、氮气供应器和待测气体供应器；供气控制电磁阀与供气主管路的靠近出气端位置连通，所述氮气供应器和待测气体供应器分别通过供气分管路与供气主管路的靠近进气端位置连通。


4.根据权利要求1所述的气体在材料表面吸附和脱附率测量系统，其特征在于，所述QCM探头中的表面晶片镀有待测金属物的精度为1.1ng/cm2·Hz。


5.根据权利要求1所述的气体在材料表面吸附和脱附率测量系统，其特征在于，所述压强控制箱内壁面抛光，所述压强控制箱体内部腔体的体积与表面积比值为8-10:1。


6.根据权利要求1-5任一项所述的气体在材料表面吸附和脱附率测量系统，其特征在于，还包括温度测量系统，其通过电路穿舱法兰与压强控制箱连接，所述温度测量系统包括温度探测器、测温信号线和温度信号采集器，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡国飙，苏杨，吴成赓，翁惠焱，贺碧蛟，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11