CN104374667A - 超高真空热环境下材料挥发特性测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高真空热环境下材料挥发特性测试装置，包括测试容器、真空抽气***、加热控温测试平台、水冷控温收集平台和测控***，其中测试容器的装载法兰接口上连接有上下组合放置的加热控温测试平台和水冷控温收集平台，加热控温测试平台用于加载样品材料，其包括无氧铜加热平台，加热平台上分别设置有五个试料盒测试工位，加热平台底部通过绝热瓷和隔离板支撑在水冷控温收集平台上，收集平台上设置有试料接收板，水冷控温收集平台内部焊有隔板，其中设置循环水管路，冷却温度由热电偶测量，收集平台通过冷水循环机控制水温以实现冷却温度25±1℃的稳定控制。
Description
技术领域
本发明属于真空材料测试技术领域，具体涉及一种用于材料在超高真空和热环境下进行挥发特性测试的装置。
背景技术
热真空环境条件下材料会因解析而挥发放气，因而材料的热真空挥发特性被用于评价真空材料性能。特别是对于应用于空间环境的材料，其在空间环境中通常会因蒸发、升华、出气而产生质损(Total Mass Loss,TML)现象。其中，部分质损材料可能在较冷的表面上重新凝结，并有可能对航天器敏感表面造成污染，这些重新凝结的物质称为“可凝挥发物”(VCM)。通常，质损所产生的可凝物对光学器件等星船敏感器件产生的污染影响尤为严重。航天器在无际的空间运行，选材的主要出发点是：在额定的寿命期内航天器是否能耐受空间真空环境及材料逸出物对敏感表面的污染程度。1978年NASA发表的材料出气数据中，共收录17类材料2807种；中国空间技术研究院标准《航天器非金属材料出气数据手册》中也收录各类材料的出气数据。材料的挥发出气，特别是对于多种有机物、聚合物和无机物材料在真空中的挥发特性的研究是当前空间材料和污染控制的主要研究领域之一。
热真空环境下的材料挥发出气在空间环境领域的影响主要表现为一方面出气成分会在其它较低温度表面凝结造成环境和仪器的污染，特别是挥发材料中可冷凝物质(CVCM)是危险的污染源。污染的后果是严重的，轻则影响这些器件的性能，重则可使它们完全失效。另一方面挥发出气又使材料的尺寸发生变化。空间材料的蒸发、升华会造成材料组份变化，引起材料质量损失、造成有机物的膨胀，改变材料原有的性能，如改变热物理与介电性能。因此，材料在热真空环境下的挥发特性是空间结构材料的重要考核指标，但目前还没有一种能够精确测量超高真空热环境下材料挥发特性的测试装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高真空热环境下材料挥发特性的测试装置，该装置能够高精度地实现材料的挥发特性测试。
本发明目的是通过如下技术方案实现的：
本发明的一种超高真空热环境下材料挥发特性测试装置，包括测试容器、真空抽气***、加热控温测试平台、水冷控温收集平台和测控***，测试容器为卧式圆筒结构，表面抛光处理，接口采用金属垫圈密封，测试容器上设置有CF200装载法兰、CF150真空泵安装法兰接口以及真空测量、测温、加热、预抽、充气法兰接口，其中CF200装载法兰接口上连接有上下组合放置的加热控温测试平台和水冷控温收集平台，加热控温测试平台用于加载样品材料，并对其进行控温测试，加热控温测试平台包括无氧铜加热平台，加热平台上分别设置有五个试料盒测试工位，试料盒上安装试料盒盖板，加热平台底部通过绝热瓷设置在隔离板上，隔离板底部支撑在水冷控温收集平台上，隔离板底部内的水冷控温收集平台上设置有试料接收板，绝热瓷和隔离板上设置有孔道供材料挥发物沉积在隔离板盖着的试料接收板上，加热控温测试平台通过侧部设置的铠装加热丝以保证加热控温测试平台加热均匀，其上配有热电偶用于测量平台温度，水冷控温收集平台内部焊有隔板，其中设置循环水管，冷却温度由热电偶测量，收集平台通过冷水循环机控制水温以实现冷却温度25±1℃的稳定控制，测控***中的控温仪、测温热电偶组成闭环控制***实现加热控温测试平台的控温，加热温度50～150℃范围内可控。
其中，水冷控温收集平台上设置有试料接收板的安装接口，用于完成挥发材料中的可冷凝材料收集，水冷控温收集平台底部同时预留孔道便于试料接收板的装卸。
其中，测试容器选用不锈钢材料制造并支撑在机架上。
其中，真空抽气***采用分子泵、离子泵与升华泵作为主泵，涡旋干泵进行预抽真空的组合抽气方式，辅以超高真空阀门与真空测量装置组成无油真空***，实现优于1.0×10-8Pa的超高真空。
其中，测控***采用PLC加触摸屏模式，通过在触摸屏上操作控制样品加热温度、加热时间；监测控制水冷平台温度；控制离子泵，分子泵和机械泵的开启互锁；并显示和记录真空度。
其中，加热控温测试平台采用无氧铜槽埋加热丝的方式进行加热。
本发明的超高真空热环境下材料挥发特性测试装置具有以下改进效果：
(1)适用于真空度高达1×10-8Pa、加热温度50～150℃环境下的超高真空热环境测试，测试真空度较高，加热范围较宽；
(2)加热平台通过无氧铜铺装铠装加热丝的结构设计保证了测试材料的受热均匀性；
(3)内部加热水冷控温平台优化设计可有效实现材料挥发测试过程中的污染防护，其可拆式模块设计可实现试料的快速装卸，降低测试过程中其他气体或材料的干扰。
附图说明
图1为本发明的超高真空材料挥发特性的测试装置示意图；
其中，1-测试容器；2-真空抽气***；3-加热控温测试平台；4-水冷控温收集平台；5-测控***。
图2为本发明的测试装置中加热控温平台和水冷控温收集平台的结构示意图；
其中，31-绝热瓷；32-试料盒盖板；33-加热丝；41-试料接收板；42-隔离板43-循环水管。
具体实施方式
以下介绍的是作为本发明内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。
图1是超高真空材料挥发特性测试装置的***示意图，该测试装置包括：测试容器1、真空抽气***2、加热控温测试平台3、水冷控温收集平台4、测控***5。测试容器1为Ф200mm×280mm的卧式圆筒结构，选用不锈钢材料制造，表面进行抛光处理，测试容器的接口采用金属垫圈密封。测试容器上设置有CF200装载法兰、CF150真空泵安装法兰接口以及其它真空测量、测温、预抽、充气安装法兰接口。其中装载法兰接口上连接有水冷控温收集平台4与加热控温测试平台3，测试容器1置于机架上，装载法兰通过滑轨导向块与机架安装集成。真空抽气***2采用分子泵、离子泵与升华泵作为主泵，涡旋干泵进行预抽真空的组合抽气方式，辅以超高真空阀门和真空测量装置等设备组成无油真空***，极限可实现优于1.0×10-8Pa的超高真空。测控***5中的控温仪、测温热电偶组成闭环控制***实现加热控温测试平台的控温，加热温度50～150℃范围内可控。
图2显示了本发明的测试装置中加热控温平台和水冷控温收集平台的结构示意图。其中，加热控温测试平台用于加载样品材料，并对其进行控温测试，加热控温测试平台包括无氧铜加热平台3，加热平台3上分别设置有五个试料盒测试工位，试料盒上安装试料盒盖板32，加热平台底部通过绝热瓷31设置在隔离板42上，隔离板42底部支撑在水冷控温收集平台4上，隔离板42底部的水冷控温收集平台上设置有试料接收板41，绝热瓷31和隔离板42上设置有孔道供材料挥发物沉积在隔离板42盖着的试料接收板41上，加热控温测试平台通过槽埋的铠装加热丝33以保证加热控温测试平台加热均匀，其上配有热电偶用于测量平台温度，水冷控温收集平台4内部焊有隔板，其中设置循环水管43，冷却温度由热电偶测量，循环水管43通过配备冷水机用于控制水温以实现冷却温度25±1℃的稳定控制，测控***中的控温仪、测温热电偶组成闭环控制***实现加热控温测试平台的控温，加热温度50～150℃范围内可控。其中加热平台采用无氧铜槽埋加热丝的方式进行加热，保证平台内部加热的均匀性。水冷平台采用内部充水特殊结构设计，既保证循环水能均匀冷却平台，同时平台底部预留通道便于接收板的装卸。加热与水冷平台通过绝热瓷叠放，中间放置特殊设计的隔离板，一方面保证了试料盒内部材料放气向收集平台的定向收集，实现防污染隔离，降低对内部其它部件的污染，另一方面将水冷加热平台整体集成与容器法兰上，便于试料的整体进出与装卸。
材料测试时，将测试容器装载法兰沿轨道通过整体抽拉的方式打开，打开试料盒盖板完成试料快速加载，尽量减少材料接触外界空气的时间，关上测试容器装载法兰进行抽真空，内部平台加热等一系列操作。测试完成后，仍通过装载法兰推出内部加热控温平台与水冷收集平台，完成试料的快速卸载与保存。加热平台与水冷收集平台结构设计易于拆卸，便于清洁维护。
测试材料在超高真空环境下通过加热控温的方式实现挥发逸气，并通过水冷收集平台完成可凝挥发物质等的收集，通过对测试前后的材料质量变化完成对材料的特性测试。本发明优化的***与结构设计既可以保证超高真空环境的获得，同时可以保证内部控温的均匀性，同时也实现了测试过程中挥发材料的污染防护，实现了材料挥发特性的精确测量。
尽管上文对本发明专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明专利的保护范围之内。
Claims (6)
1.超高真空热环境下材料挥发特性测试装置，包括测试容器、真空抽气***、加热控温测试平台、水冷控温收集平台和测控***，测试容器为卧式圆筒结构，表面抛光处理，接口采用金属垫圈密封，测试容器上设置有CF200装载法兰、CF150真空泵安装法兰接口以及真空测量、测温、加热、预抽、充气法兰接口，其中CF200装载法兰接口上连接有上下组合放置的加热控温测试平台和水冷控温收集平台，加热控温测试平台用于加载样品材料，并对其进行控温测试，加热控温测试平台包括无氧铜加热平台，加热平台上分别设置有五个试料盒测试工位，试料盒上安装试料盒盖板，加热平台底部通过绝热瓷设置在隔离板上，隔离板底部支撑在水冷控温收集平台上，隔离板底部内的水冷控温收集平台上设置有试料接收板，绝热瓷和隔离板上设置有孔道供材料挥发物沉积在隔离板盖着的试料接收板上，加热控温测试平台通过侧部设置的铠装加热丝以保证加热控温测试平台加热均匀，其上配有热电偶用于测量平台温度，水冷控温收集平台内部焊有隔板，其中设置循环水管，冷却温度由热电偶测量，收集平台通过冷水循环机控制水温以实现冷却温度25±1℃的稳定控制，测控***中的控温仪、测温热电偶组成闭环控制***实现加热控温测试平台的控温，加热温度50～150℃范围内可控。
2.如权利要求1所述的材料挥发特性测试装置，其中，水冷控温收集平台上设置有试料接收板的安装接口，用于完成挥发材料中的可冷凝材料收集，水冷控温收集平台底部同时预留孔道便于试料接收板的装卸。
3.如权利要求1所述的材料挥发特性测试装置，其中，测试容器选用不锈钢材料制造并支撑在机架上。
4.如权利要求1-3任一项所述的材料挥发特性测试装置，其中，真空抽气***采用分子泵、离子泵与升华泵作为主泵，涡旋干泵进行预抽真空的组合抽气方式，辅以超高真空阀门与真空测量装置组成无油真空***，实现优于1.0×10-8Pa的超高真空。
5.如权利要求1-3任一项所述的材料挥发特性测试装置，其中，测控***采用PLC加触摸屏模式，通过在触摸屏上操作控制样品加热温度、加热时间；监测控制水冷平台温度；控制离子泵，分子泵和机械泵的开启互锁；并显示和记录真空度。
6.如权利要求1-3任一项所述的材料挥发特性测试装置，其中，加热控温测试平台采用无氧铜槽埋加热丝的方式进行加热。
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