[实用新型]一种低气压下弱吸附气体在大块体纳米孔材料中有效扩散系数的测定装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种低气压下弱吸附气体在大块体纳米孔材料中有效扩散系数的测定装置。

背景技术

当隔热材料用于航天工业和民用移动隔热领域时，其体积和重量越小越好，因此降低隔热材料的导热性能至关重要。超级隔热材料就是热导率低于相同条件下静止空气的热导率的一类材料。为了降低超级隔热材料的热导率，超级隔热材料必需是整体成型或者块体材料，这样才能够降低和消除气体对流传热可能产生的热短路，且超级隔热材料的孔隙大小需要比空气分子的平均自由程（室温和常压下70nm）小。而当超级隔热材料纳米孔小于70nm时，气体在其中的扩散系数显著降低，主要以努森扩散为主，且有效扩散系数越小，气体传热抑制越显著，因此气体在超级隔热材料中的有效扩散系数是衡量气体传热是否被显著抑制的重要指标。

在高温固体氧化物燃料电池中，要求其电极材料既具有较高的比表面来提高其催化活性，又要求其具有很高的离子传导性，因此其电极材料必需是整体块状的，这样，离子在其连续的骨架上才具有很低的传导阻力，同时气体燃料和氧气的供给及气体产物的排除，要求气体在这种整体块状的电极材料中的有效扩散系数要大。因此气体在整体块状的高温固体氧化物燃料电池电极材料中的有效扩散系数是衡量其性能的重要指标之一。

上述应用领域要求一种气体在大块状材料纳米孔中有效扩散系数的测定方法和装置。

目前，用于气体在材料中有效扩散系数的测定装置，如重量法、体积法、色谱法、零柱长法等主要针对催化剂材料和分子筛而开发，由于催化剂颗粒的大小只有1mm左右，因此这些测定装置仅适用于粉末样品的有效扩散系数的测定。

如以英国Hiden公司的智能重量吸附仪为代表的重量法，其样品是0.5mm的薄片或者球形小颗粒，且重量不能大于150mg。由于重量法的重量分辨率仅为10^-6g/g，且响应时间长1-3.8s，对于弱吸附的大块体样品测定困难。

体积法压力传感器精度高，稳定性好，响应时间短（20-50ms）。样品的重量分辨率比重量法高1个数量级。然而，体积法扩散方程的解析解非常复杂，得不到简单和直观的解。目前，该法仅可以用于对称性好的样品，如片状和均匀球形颗粒的测定。

然而，对于超级隔热材料或者固体氧化物燃料电池电极材料，其脆性的特点使得制备薄片状和均匀球形颗粒十分困难，即使能够制备出这样的样品，制样使得其缺陷含量显著增加，而缺陷会导致有效扩散系数的改变，因此并不能代表其样品的初始状态。

迄今为止，对于低气压下弱吸附气体在大块体纳米孔材料中有效扩散系数的测定系统国内外尚无涉及。

发明内容

本实用新型的目的之一是为了解决上述问题而提供一种低气压下弱吸附气体在大块体纳米孔材料中有效扩散系数的测定装置。该装置基于体积法，采用有限差分数值计算，拟合压力扩散偏微分方程求解有效扩散系数，理论上适用于任何形状的样品，因此，避免了制样造成的样品结构破坏，测试样品具有很好的代表性。

本实用新型的技术方案

一种低气压下弱吸附气体在大块体纳米孔材料中有效扩散系数的测定装置，其结构示意图如图1所示，由真空容器系统、温度控制和测定系统、动态压力测定系统、数据采集系统和供气瓶23组成；

所述的真空容器系统由样品池1、供气池2、参比池3、标定池4、缓冲罐5和真空泵22组成，供气池2与样品池1的体积比为2-3：1；

所述的样品池1通过管道经阀门15后与供气池2连接，供气池2上设有一路管道通过阀门16与参比池3连接，供气池3上还设有一路管道通四通后分别经阀门19、18、17与标定池4、缓冲罐5及真空泵22相连；

所述的缓冲罐5还设有一管道经阀门21与供气瓶23相连，另外，缓冲罐上还设有一实现放空的阀门20；

所述的动态压力测定系统即包括参比池3上设有的绝压计10、参比池3与供气池2间设有的差压计11，样品池1与参比池3间设有的差压计12； 

所述的温度控制和测定系统包括恒温箱6、供气池2测温传感器7和样品池1测温传感器8及样品池恒温炉9；

上述的供气池2，参比池3，标定池4，缓冲罐5及附属管道、阀门和和测量仪表均放置在恒温箱6内；

所述的数据采集系统包括数据采集器13及其与其相连的计算机14，数据采集器13将参比池3上的绝压计10、参比池3与供气池2间的差压计11、参比池3与样品池1间的差压计12、供气池测温传感器7和样品池测温传感器8发送的数据采集过来后送入与其相连的计算机14；