[发明专利]气体在材料表面吸附和脱附率测量系统及测量方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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，本发明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。