一种基于COMSOL软件获得氢原子在材料表面脱附行为的方法技术

一种基于COMSOL软件获得氢原子在材料表面脱附行为的方法，包括以下步骤；取一金属薄板，氢原子在其中均匀分布，确定氢原子在金属材料内的扩散控制方程满足菲克第二定律，以氢分子的形式进入空气，由于每个氢分子需要由2个氢原子复合，将求解对象进行网格划分，针对氢原子在薄板试样表面的脱附行为进行计算，得到某个k值对应的氢脱附情况，改变k值，进一步获得不同k值对应的表面氢浓度随时间变化关系曲线，取多个平行试样，进行氢含量测量实验，得到样品在脱附前后的氢含量差，即确定实际材料在此脱附时间段内发生的氢脱附总量。本发明专利技术解决由于氢脱附导致不锈钢真空容器无法长时间保持高真空的问题。保持高真空的问题。保持高真空的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于COMSOL软件获得氢原子在材料表面脱附行为的方法


[0001]本专利技术属于氢原子在材料中扩散脱附
，特别涉及一种基于COMSOL软件获得氢原子在材料表面脱附行为的方法。

技术介绍

[0002]目前，关于氢原子在材料表面的脱附行为，不管是实验研究还是理论计算都相当困难。可以确定的是，金属内的氢原子要脱附到空气中，必定需要在材料表面复合为氢分子，然后以氢分子的形式进入空气。根据前人的研究结果，氢原子在金属表面的脱附通量可以表示为：
[0003][0004]公式中k为氢原子复合为氢分子的速率常数。从给出的公式可以看到，金属表面氢原子的脱附通量与氢浓度的平方成正比。很明显，这是一个非线性的边界条件，因此对于金属表面氢脱附行为的理论求解相当困难。不难看出，氢原子的复合速率常数k是决定金属表面氢脱附快慢的关键参数，其受材料种类和材料表面状态的影响很大。而遗憾的是，目前仍然没有可靠的实验技术能够准确地测定k值，这就给深入研究金属表面的氢脱附行为带来了很大困难。

技术实现思路

[0005]为了克服以上技术问题，本专利技术的目的在于提供一种基于COMSOL软件获得氢原子在材料表面脱附行为的方法，此方法简单易行、结果可靠，该方法能够得氢原子在金属表面的复合速率常数，解决由于氢脱附导致不锈钢真空容器无法长时间保持高真空的问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种基于COMSOL软件获得氢原子在材料表面脱附行为的方法，包括以下步骤；
[0008]取一金属薄板，氢原子在其中均匀分布，确定氢原子在金属材料内的扩散控制方程满足菲克第二定律，即：
[0009][0010]公式中C为金属材料中的氢浓度，D为氢原子在材料内的扩散系数，假设D＝1
×
10
‑
13
m2/s，金属中的氢原子要向空气中脱附；
[0011]氢原子在金属表面复合为氢分子，然后以氢分子的形式进入空气，由于每个氢分子需要由2个氢原子复合，因此确定氢原子在金属表面的脱附边界条件为：
[0012][0013]x＝0,d
[0014]公式中d为薄板样品的厚度，k为氢原子复合为氢分子的复合速率常数，由公式可
知，金属表面氢原子的脱附通量与表面氢浓度的平方成正比；
[0015]将求解对象进行网格划分，采用COMSOL软件自带的自由三角形网格对二维薄板进行网格剖分，网格细化程度为软件中提供的“极细化”程度；
[0016]针对氢原子在薄板试样表面的脱附行为进行计算，得到某个k值对应的氢脱附情况，改变k值，进一步获得不同k值对应的表面氢浓度随时间变化关系曲线，由此，根据不同k值下的浓度曲线，得到不同k值对应的氢脱附通量随时间变化关系曲线；
[0017]在已知氢脱附通量的情况下，通过在脱附时间段内对脱附通量进行积分的方法得到氢脱附总量，计算依据为：
[0018][0019]公式中为金属表面的氢原子脱附总量，S为发生氢脱附的样品表面积，t0为发生氢脱附的时间，由此，进一步地获得此脱附时间内不同氢原子复合速率常数k对应的氢脱附总量关系曲线；
[0020]取多个平行试样，进行氢含量测量实验，得到样品在脱附前后的氢含量差，即确定实际材料在此脱附时间段内发生的氢脱附总量。
[0021]进一步的，为确保氢含量测量的准确性，在氢脱附前后多测几个试样取平均值，得到氢脱附总量后，进一步确定此种材料对应的表面氢原子复合速率常数k。
[0022]本专利技术的有益效果。
[0023](1)本专利技术提出了一种利用COMSOL仿真软件求解氢原子在金属材料表面脱附行为的方法，此方法简单可行、结果可靠，结合氢含量测试实验，可以进一步求得氢原子在金属材料表面的复合速率常数k。
[0024](2)本专利技术提供的是一种通用方法，在实际应用中如果初始条件、边界条件、材料种类发生变化，仍然可以按照上述步骤进行操作，只是需要在相应的位置将相关参数进行替换。
附图说明：
[0025]附图1为COMSOL仿真模拟中建立的矩形模型及相应的参数设定。
[0026]附图2为附图1中材料表面A点处在不同氢原子复合速率常数k值情况下对应的氢浓度随脱附时间变化关系曲线。
[0027]附图3为附图1中材料表面A点处在不同氢原子复合速率常数k值情况下对应的氢脱附通量随时间变化关系曲线。
[0028]附图4为在此种材料条件下氢脱附总量随氢原子复合速率常数k值变化关系曲线。
具体实施方式
[0029]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0030]本专利技术中对于氢原子在金属材料表面脱附行为的求解采用COMSOL软件中自带的“稀物质扩散”物理场进行。
[0031]如附图1所示，建立5
×
0.5mm的矩形模型，设定矩形区域内的初始氢浓度为C0＝1mol/m3，在本专利技术的实际应用中可以通过测氢技术测定实际材料中的初始氢浓度C0。此外，设定氢原子在此种材料内的扩散系数为D＝1
×
10
‑
13
m2/s，上下两表面处的边界条件为：
[0032][0033]x＝0,d
[0034]公式中k为氢原子在此种金属材料表面复合为氢分子时的复合速率常数，在首次计算中假设k＝5
×
10
‑
11
m4/mol
·
s。
[0035]对矩形区域的网格剖分采用COMSOL软件自带的自由三角形网格，网格细化程度为极细化。
[0036]设定计算时间为t0＝1000分钟，运行研究计算，从而可以得到k＝5
×
10
‑
11
m4/mol
·
s时附图1中表面A点处的氢浓度随时间变化关系曲线。
[0037]进一步的，改变k的值，分别取k＝1
×
10
‑
10
、3
×
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、5
×
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‑
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、7
×
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‑
10
、9
×
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‑
10
m4/mol
·
s，仍然计算每个k值对应的t0＝1000分钟内A点处的氢浓度变化关系曲线，得到的结果如附图2所示。
[0038]根据附图2中不同k值对应的氢浓度随时间变化关系曲线，结合公式：
[0039][0040]可以计算不同k值对应的金属材料表面氢脱附通量随时间变化关系曲线，得到的结果如附图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于COMSOL软件获得氢原子在材料表面脱附行为的方法，其特征在于，包括以下步骤；取一金属薄板，氢原子在其中均匀分布，确定氢原子在金属材料内的扩散控制方程满足菲克第二定律，即：公式中C为金属材料中的氢浓度，D为氢原子在材料内的扩散系数，假设D＝1
×
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‑
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m2/s，金属中的氢原子要向空气中脱附；氢原子在金属表面复合为氢分子，然后以氢分子的形式进入空气，由于每个氢分子需要由2个氢原子复合，因此确定氢原子在金属表面的脱附边界条件为：x＝0,d公式中d为薄板样品的厚度，k为氢原子复合为氢分子的复合速率常数，由公式可知，金属表面氢原子的脱附通量与表面氢浓度的平方成正比；将求解对象进行网格划分，采用COMSOL软件自带的自由三角形网格对二维薄板进行网格剖分，网格细化程度为软件中提供的“极细化”程度；针对氢原子在薄板试样表面的...

【专利技术属性】
技术研发人员：马兆祥，刘仲礼，王成旭，王玉敏，徐娟萍，
申请(专利权)人：烟台大学，
类型：发明
国别省市：