CN104034647A - 一种气体渗透特性参数测试装置及使用其测量微纳米多孔材料气体渗透特性参数的方法 - Google Patents

Abstract

一种气体渗透特性参数测试装置及使用其测量微纳米多孔材料气体渗透特性参数的方法，它涉及一种高温气体渗透特性参数测试装置及使用其测量多孔材料高温气体渗透特性参数的方法。本发明的目的是要解决现有测量微纳米多孔材料气体渗透特性参数的方法存在因室温下微纳米多孔材料的渗透流量小和高温下测量微纳米多孔材料气体渗透特性参数受到限制，测量困难和测量数据误差大的问题。装置包括真空泵、阀门气源、加热器、实验缸体、压力传感器、盖板、样品平台、隔板和管筒；使用渗透特性参数测量装置，根据公式和计算室温和高温下微纳米多孔材料气体渗透特性参数。本发明适用于测量微纳米多孔材料气体渗透特性参数的方法。

Description

一种气体渗透特性参数测试装置及使用其测量微纳米多孔材料气体渗透特性参数的方法

技术领域

本发明涉及一种高温气体渗透特性参数测试装置及使用其测量多孔材料高温气体渗透特性参数的方法。

背景技术

微纳米多孔材料在能源、化工、航天等许多技术领域有广泛应用，例如隔热保温、高速飞行器热防护等。高超声速飞行器表面覆盖微纳米多孔隔热材料以保护飞行器结构及舱内温度在合适范围内。在机动飞行时，微纳米多孔隔热材料表面将存在气体压力差。由于隔热材料通常具有高孔隙率特点，在两侧气体压力差作用下气体将会产生渗透，进而影响微纳米多孔材料内传热特性及隔热材料的隔热性能。微纳米多孔材料渗透特性参数是传热分析、热防护材料隔热设计、隔热性能分析计算的重要基础数据。

通过测量从常温到高温条件下微纳米多孔材料渗透特性参数，可以获得微纳米多孔材料在两侧存在压力差的情况下气体在微纳米多孔材料内的渗透特性，对预测微纳米多孔材料在两侧存在气压差时高温传热特性及微纳米多孔隔热材料的隔热性能具有重要意义。

高性能微纳米多孔材料孔隙尺寸非常小、固体构架尺寸也非常小，导致渗透性能很差，实验测量中渗透流量很小；此外，高温状态下气体渗透特性参数测量存在很大困难。虽然提高微纳米多孔材料样品两侧气体压差可以部分解决渗透流量小的问题，但是，该方法由于以下两个因素而受到很大限制：一是提高压力差虽然可以增大渗透流量，但是该条件与飞行器中隔热材料所处状态存在很大差别，测得的渗透特性参数结果在实际中应用将带来很大的误差；二是这类低渗透材料通常较脆，限制了目前常用的渗透特性实验中施加于样品两侧的气体压力差。随着高温领域高性能微纳米多孔材料技术的发展，高性能微纳米多孔材料渗透特性参数实验研究变得越来越重要，特别是高温渗透特性参数的试验测量。如何测量从常温到高温不同温度条件下高性能微纳米多孔材料的渗透特性参数显得至关重要。

发明内容

本发明的目的是要解决现有测量微纳米多孔材料气体渗透特性参数的方法存在因室温下微纳米多孔材料的渗透流量小和高温下测量微纳米多孔材料气体渗透特性参数受到限制，测量困难和测量数据误差大的问题，而提供一种气体渗透特性参数测试装置及使用其测量微纳米多孔材料气体渗透特性参数的方法。

一种气体渗透特性参数测试装置包括真空泵、第一阀门、第二阀门、气源、第三阀门、加热器、第一实验缸体、第一压力传感器、盖板、第一高温密封垫圈、第二高温密封垫圈、样品平台、第二压力传感器、第二实验缸体、隔板和管筒；

所述的真空泵通过第一阀门与第二实验缸体连通；真空泵通过第二阀门与第一实验缸体连通；第一实验缸体与第二实验缸体设有隔板，隔板将第一实验缸体与第二实验缸体分隔，隔板中间设有第一圆形孔，第一圆形孔上方设置等直径的管筒，管筒设置在第一实验缸体的内部；管筒上方焊接样品平台，样品平台中间设有第二圆形孔，第二圆形孔的轴线与第一圆形孔的轴线为同一轴线；

样品平台上方设有第二高温密封垫圈，第二高温密封垫圈中间设有第三圆形孔，且第三圆形孔与第二圆形孔等径同轴；微纳米多孔材料样品放置在第二高温密封垫圈上，微纳米多孔材料样品上方设置第一高温密封垫圈，第一高温密封垫圈中间设有第四圆形孔，且第四圆形孔与第三圆形孔等径同轴；第一高温密封垫圈上方设有盖板，盖板中间设有第五圆形孔，且第五圆形孔与第四圆形孔等径同轴；

所述的第一高温密封垫圈、第二高温密封垫圈和微纳米多孔材料样品的尺寸相同；样品平台与盖板的尺寸相同；

所述的气源通过第三阀门与加热器相连通，加热器设置在第一实验缸体内部；第一压力传感器与第一实验缸体相连接；第二压力传感器与第二实验缸体相连接。

使用一种气体渗透特性参数测试装置测量高温下微纳米多孔材料气体渗透特性参数的方法，具体是按以下步骤完成的：

一、关闭第三阀门，开启第一阀门和第二阀门；使用真空泵将第一实验缸体和第二实验缸体抽真空，再关闭第一阀门和第二阀门；开启加热器，气源提供的气体经过第三阀门进入到加热器，气体经加热器加热后达到所需温度，形成高温气体进入第一实验缸体，第一实验缸体内的高温气体依次经第五圆形孔、第四圆形孔、微纳米多孔材料样品、第三圆形孔、第二圆形孔、管筒和第一圆形孔向第二实验缸体中渗透，第一压力传感器记录第一实验缸体内气体压力随时间t的变化规律p₁(t)，第二压力传感器记录第二实验缸体内气体压力随时间t的变化规律p₂(t)；

二、第二实验缸体中气体的质量m₂随时间t的变化规律m₂(t)可用下式表示：

$m_2\left(t\right)=\frac{p_2\left(t\right)V_2}{\mathrm{RT}}---\left(1\right)$

其中，V₂为第二实验缸体的容积；T为气体的温度；R为实验气体的气体常数；p₂(t)为不同时刻第二实验缸体内的气体压力；

三、将第二实验缸体中气体的质量m₂随时间t的变化规律m₂(t)对时间t求导数，得到第二实验缸体的气体质量流量

${\stackrel{\·}{m}}_2\left(t\right)=\frac{{\mathrm{dm}}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

步骤三所述的气体质量流量即为通过微纳米多孔材料样品的渗透流量；

四、高温下微纳米多孔材料样品的高温气体渗透特性参数可用下式表示：

$K=\frac{{\stackrel{\·}{m}}_2\left(t\right)\mathrm{vH}}{A[p_1\left(t\right)-p_2\left(t\right)]}---\left(3\right)$

其中，为第二实验缸体的气体质量流量；ν为气体的运动粘性系数；A为微纳米多孔材料样品的渗透面积；H为微纳米多孔材料样品的厚度；p₁(t)为第一压力传感器记录的第一实验缸体内气体压力随时间t的变化规律；p₂(t)为第二压力传感器记录的第二实验缸体内气体压力随时间t的变化规律p₂(t)。

使用一种气体渗透特性参数测试装置测量室温下微纳米多孔材料气体渗透特性参数的方法，具体是按以下步骤完成的：

一、关闭第三阀门，开启第一阀门和第二阀门；使用真空泵将第一实验缸体和第二实验缸体抽真空，再关闭第一阀门和第二阀门；关闭加热器，气源提供的气体经过第三阀门进入到加热器，气体再经加热器进入第一实验缸体，第一实验缸体内的气体依次经第五圆形孔、第四圆形孔、微纳米多孔材料样品、第三圆形孔、第二圆形孔、管筒和第一圆形孔向第二实验缸体中渗透，第一压力传感器记录第一实验缸体内气体压力随时间t的变化规律p₁(t)，第二压力传感器记录第二实验缸体内气体压力随时间t的变化规律p₂(t)；

二、第二实验缸体中气体的质量m₂随时间t的变化规律m₂(t)可用下式表示：

$m_2\left(t\right)=\frac{p_2\left(t\right)V_2}{\mathrm{RT}}---\left(1\right)$

其中，V₂为第二实验缸体的容积；T为气体的温度；R为实验气体的气体常数；p₂(t)为不同时刻第二实验缸体内的气体压力；

三、将第二实验缸体中气体的质量m₂随时间t的变化规律m₂(t)对时间t求导数，得到第二实验缸体的气体质量流量

${\stackrel{\·}{m}}_2\left(t\right)=\frac{{\mathrm{dm}}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

步骤三所述的气体质量流量即为通过微纳米多孔材料样品的渗透流量；

四、室温下微纳米多孔材料样品的气体渗透特性参数可用下式表示：

$K=\frac{{\stackrel{\·}{m}}_2\left(t\right)\mathrm{vH}}{A[p_1\left(t\right)-p_2\left(t\right)]}---\left(3\right)$

其中，为第二实验缸体的气体质量流量；ν为气体的运动粘性系数；A为微纳米多孔材料样品的渗透面积；H为微纳米多孔材料样品的厚度；p₁(t)为第一压力传感器记录的第一实验缸体内气体压力随时间t的变化规律；p₂(t)为第二压力传感器记录的第二实验缸体内气体压力随时间t的变化规律p₂(t)。

本发明的优点：一、本发明解决了微纳米多孔材料在室温和高温条件下渗透特性参数测量受到限制的问题，特别是高温条件下，测量困难和测量数据误差大的问题；本发明极大降低了微纳米多孔材料渗透特性参数测量的难度，实现了微纳米多孔材料从常温到高温渗透特性参数的测量，可以准确获得微纳米多孔材料在不同温度下的渗透特性参数；

二、本发明可应用于航天热防护、能源、化工等领域中包括隔热材料在内的微纳米多孔材料在室温和高温渗透特性参数的测量；

三、本发明适用于测试微纳米多孔材料的渗透特性参数K<10^-10m²的样品；

本发明适用于测量微纳米多孔材料气体渗透特性参数的方法。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的一种气体渗透特性参数测试装置的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种气体渗透特性参数测试装置包括真空泵1、第一阀门2、第二阀门3、气源4、第三阀门5、加热器6、第一实验缸体7、第一压力传感器8、盖板9、第一高温密封垫圈10、第二高温密封垫圈12、样品平台13、第二压力传感器14、第二实验缸体15、隔板16和管筒17；

所述的真空泵1通过第一阀门2与第二实验缸体15连通；真空泵1通过第二阀门3与第一实验缸体7连通；第一实验缸体7与第二实验缸体15设有隔板16，隔板16将第一实验缸体7与第二实验缸体15分隔，隔板16中间设有第一圆形孔，第一圆形孔上方设置等直径的管筒17，管筒17设置在第一实验缸体7的内部；管筒17上方焊接样品平台13，样品平台13中间设有第二圆形孔，第二圆形孔的轴线与第一圆形孔的轴线为同一轴线；

样品平台13上方设有第二高温密封垫圈12，第二高温密封垫圈12中间设有第三圆形孔，且第三圆形孔与第二圆形孔等径同轴；微纳米多孔材料样品11放置在第二高温密封垫圈12上，微纳米多孔材料样品11上方设置第一高温密封垫圈10，第一高温密封垫圈10中间设有第四圆形孔，且第四圆形孔与第三圆形孔等径同轴；第一高温密封垫圈10上方设有盖板9，盖板9中间设有第五圆形孔，且第五圆形孔与第四圆形孔等径同轴；

所述的第一高温密封垫圈10、第二高温密封垫圈12和微纳米多孔材料样品11的尺寸相同；样品平台13与盖板9的尺寸相同；

所述的气源4通过第三阀门5与加热器6相连通，加热器6设置在第一实验缸体7内部；第一压力传感器8与第一实验缸体7相连接；第二压力传感器14与第二实验缸体15相连接。

图1是具体实施方式一所述的一种气体渗透特性参数测试装置的结构示意图；图中1为真空泵，2为第一阀门，3为第二阀门，4为气源，5为第三阀门，6为加热器，7为第一实验缸体，8为第一压力传感器，9为盖板，10为第一高温密封垫圈，11为微纳米多孔材料样品，12为第二高温密封垫圈，13为样品平台，14为第二压力传感器，15为第二实验缸体，16为隔板，17为管筒。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：第一圆形孔的直径为100mm～300mm。其他步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：第三圆形孔的直径为30mm～100mm。其他步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：隔板16的材质为0Cr13Al合金钢、Cr18Si2合金钢、Cr25Si2合金钢、3Cr18Ni25Si2合金钢、309合金钢、0Cr23Ni13合金钢或S30908合金钢。其他步骤与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：第一实验缸体7的材质为0Cr13Al合金钢、Cr18Si2合金钢、Cr25Si2合金钢、3Cr18Ni25Si2合金钢、309合金钢、0Cr23Ni13合金钢或S30908合金钢。其他步骤与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：第二实验缸体15的材质为0Cr13Al合金钢、Cr18Si2合金钢、Cr25Si2合金钢、3Cr18Ni25Si2合金钢、309合金钢、0Cr23Ni13合金钢或S30908合金钢。其他步骤与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：盖板9的材质为0Cr13Al合金钢、Cr18Si2合金钢、Cr25Si2合金钢、3Cr18Ni25Si2合金钢、309合金钢、0Cr23Ni13合金钢或S30908合金钢。其他步骤与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：样品平台13的材质为0Cr13Al合金钢、Cr18Si2合金钢、Cr25Si2合金钢、3Cr18Ni25Si2合金钢、309合金钢、0Cr23Ni13合金钢或S30908合金钢。其他步骤与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式是使用一种气体渗透特性参数测试装置测量高温下微纳米多孔材料气体渗透特性参数的方法，具体是按以下步骤完成的：

一、关闭第三阀门5，开启第一阀门2和第二阀门3；使用真空泵1将第一实验缸体7和第二实验缸体15抽真空，再关闭第一阀门2和第二阀门3；开启加热器6，气源4提供的气体经过第三阀门5进入到加热器6，气体经加热器6加热后达到所需温度，形成高温气体进入第一实验缸体7，第一实验缸体7内的高温气体依次经第五圆形孔、第四圆形孔、微纳米多孔材料样品11、第三圆形孔、第二圆形孔、管筒17和第一圆形孔向第二实验缸体15中渗透，第一压力传感器8记录第一实验缸体7内气体压力随时间t的变化规律p₁(t)，第二压力传感器14记录第二实验缸体15内气体压力随时间t的变化规律p₂(t)；

二、第二实验缸体15中气体的质量m₂随时间t的变化规律m₂(t)可用下式表示：

$m_2\left(t\right)=\frac{p_2\left(t\right)V_2}{\mathrm{RT}}---\left(1\right)$

其中，V₂为第二实验缸体15的容积；T为气体的温度；R为实验气体的气体常数；p₂(t)为不同时刻第二实验缸体15内的气体压力；

三、将第二实验缸体15中气体的质量m₂随时间t的变化规律m₂(t)对时间t求导数，得到第二实验缸体15的气体质量流量

${\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_2\left(t\right)=\frac{{\mathrm{dm}}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

步骤三所述的气体质量流量即为通过微纳米多孔材料样品11的渗透流量；

四、高温下微纳米多孔材料样品11的高温气体渗透特性参数可用下式表示：

$K=\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_2\left(t\right)\mathrm{vH}}{A[p_1\left(t\right)-p_2\left(t\right)]}---\left(3\right)$

其中，为第二实验缸体15的气体质量流量；ν为气体的运动粘性系数；A为微纳米多孔材料样品11的渗透面积；H为微纳米多孔材料样品11的厚度；p₁(t)为第一压力传感器8记录的第一实验缸体7内气体压力随时间t的变化规律；p₂(t)为第二压力传感器14记录的第二实验缸体15内气体压力随时间t的变化规律p₂(t)。

本实施方式的优点：一、本实施方式解决了微纳米多孔材料在室温和高温条件下渗透特性参数测量受到限制的问题，特别是高温条件下，测量困难和测量数据误差大的问题；本实施方式极大降低了微纳米多孔材料渗透特性参数测量的难度，实现了微纳米多孔材料从常温到高温渗透特性参数的测量，可以准确获得微纳米多孔材料在不同温度下的渗透特性参数；

二、本实施方式可应用于航天热防护、能源、化工等领域中包括隔热材料在内的微纳米多孔材料在室温和高温渗透特性参数的测量；

三、本实施方式适用于测试微纳米多孔材料的渗透特性参数K<10^-10m²的样品；

本实施方式适用于测量微纳米多孔材料气体渗透特性参数的方法。

具体实施方式十：本实施方式是使用一种气体渗透特性参数测试装置测量室温下微纳米多孔材料气体渗透特性参数的方法，具体是按以下步骤完成的：

一、关闭第三阀门5，开启第一阀门2和第二阀门3；使用真空泵1将第一实验缸体7和第二实验缸体15抽真空，再关闭第一阀门2和第二阀门3；关闭加热器6，气源4提供的气体经过第三阀门5进入到加热器6，气体再经加热器6进入第一实验缸体7，第一实验缸体7内的气体依次经第五圆形孔、第四圆形孔、微纳米多孔材料样品11、第三圆形孔、第二圆形孔、管筒17和第一圆形孔向第二实验缸体15中渗透，第一压力传感器8记录第一实验缸体7内气体压力随时间t的变化规律p₁(t)，第二压力传感器14记录第二实验缸体15内气体压力随时间t的变化规律p₂(t)；

二、第二实验缸体15中气体的质量m₂随时间t的变化规律m₂(t)可用下式表示：

$m_2\left(t\right)=\frac{p_2\left(t\right)V_2}{\mathrm{RT}}---\left(1\right)$

其中，V₂为第二实验缸体15的容积；T为气体的温度；R为实验气体的气体常数；p₂(t)为不同时刻第二实验缸体15内的气体压力；

三、将第二实验缸体15中气体的质量m₂随时间t的变化规律m₂(t)对时间t求导数，得到第二实验缸体15的气体质量流量

${\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_2\left(t\right)=\frac{{\mathrm{dm}}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

步骤三所述的气体质量流量即为通过微纳米多孔材料样品11的渗透流量；

四、室温下微纳米多孔材料样品11的气体渗透特性参数可用下式表示：

$K=\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_2\left(t\right)\mathrm{vH}}{A[p_1\left(t\right)-p_2\left(t\right)]}---\left(3\right)$

其中，为第二实验缸体15的气体质量流量；ν为气体的运动粘性系数；A为微纳米多孔材料样品11的渗透面积；H为微纳米多孔材料样品11的厚度；p₁(t)为第一压力传感器8记录的第一实验缸体7内气体压力随时间t的变化规律；p₂(t)为第二压力传感器14记录的第二实验缸体15内气体压力随时间t的变化规律p₂(t)。

本实施方式的优点：一、本实施方式解决了微纳米多孔材料在室温和高温条件下渗透特性参数测量受到限制的问题，特别是高温条件下，测量困难和测量数据误差大的问题；本实施方式极大降低了微纳米多孔材料渗透特性参数测量的难度，实现了微纳米多孔材料从常温到高温渗透特性参数的测量，可以准确获得微纳米多孔材料在不同温度下的渗透特性参数；

二、本实施方式可应用于航天热防护、能源、化工等领域中包括隔热材料在内的微纳米多孔材料在室温和高温渗透特性参数的测量；

三、本实施方式适用于测试微纳米多孔材料的渗透特性参数K<10^-10m²的样品；

本实施方式适用于测量微纳米多孔材料气体渗透特性参数的方法。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：一种气体渗透特性参数测试装置包括真空泵1、第一阀门2、第二阀门3、气源4、第三阀门5、加热器6、第一实验缸体7、第一压力传感器8、盖板9、第一高温密封垫圈10、第二高温密封垫圈12、样品平台13、第二压力传感器14、第二实验缸体15、隔板16和管筒17；

所述的真空泵1通过第一阀门2与第二实验缸体15连通；真空泵1通过第二阀门3与第一实验缸体7连通；第一实验缸体7与第二实验缸体15设有隔板16，隔板16将第一实验缸体7与第二实验缸体15分隔，隔板16中间设有第一圆形孔，第一圆形孔上方设置等直径的管筒17，管筒17设置在第一实验缸体7的内部；管筒17上方焊接样品平台13，样品平台13中间设有第二圆形孔，第二圆形孔的轴线与第一圆形孔的轴线为同一轴线；

样品平台13上方设有第二高温密封垫圈12，第二高温密封垫圈12中间设有第三圆形孔，且第三圆形孔与第二圆形孔等径同轴；微纳米多孔材料样品11放置在第二高温密封垫圈12上，微纳米多孔材料样品11上方设置第一高温密封垫圈10，第一高温密封垫圈10中间设有第四圆形孔，且第四圆形孔与第三圆形孔等径同轴；第一高温密封垫圈10上方设有盖板9，盖板9中间设有第五圆形孔，且第五圆形孔与第四圆形孔等径同轴；

所述的第一高温密封垫圈10、第二高温密封垫圈12和微纳米多孔材料样品11的尺寸相同；样品平台13与盖板9的尺寸相同；

所述的气源4通过第三阀门5与加热器6相连通，加热器6设置在第一实验缸体7内部；第一压力传感器8与第一实验缸体7相连接；第二压力传感器14与第二实验缸体15相连接；

所述的第一圆形孔的直径为273mm；

所述的第三圆形孔的直径为30mm；

所述的隔板16的材质为309耐热钢；

所述的第一实验缸体7的材质为309耐热钢；

所述的第二实验缸体15的材质为309耐热钢；

所述的盖板9的材质为309耐热钢；

所述的样品平台13的材质为309耐热钢。

使用一种气体渗透特性参数测试装置测量高温下微纳米多孔材料气体渗透特性参数的方法，具体是按以下步骤完成的：

一、关闭第三阀门5，开启第一阀门2和第二阀门3；使用真空泵1将第一实验缸体7和第二实验缸体15抽真空，使第二实验缸体15的压力达到设定的初始压力8.5kPa，再关闭第一阀门2和第二阀门3；开启加热器6，气源4提供的压力为101.3kPa的恒压气体经过第三阀门5进入到加热器6，气体经加热器6加热后达到温度为T＝800K的高温气体，温度为T＝800K的高温气体进入第一实验缸体7，第一实验缸体7内的温度为T＝800K的高温气体依次经第五圆形孔、第四圆形孔、微纳米多孔材料样品11、第三圆形孔、第二圆形孔、管筒17和第一圆形孔向第二实验缸体15中渗透，第一压力传感器8记录第一实验缸体7内气体压力随时间t的变化规律p₁(t)，第二压力传感器14记录第二实验缸体15内气体压力随时间t的变化规律p₂(t)；

由于气源4提供压力为101.3kPa的恒压气体，因此，第一实验缸体7内的压力p₁(t)为101.3kPa，第二实验缸体15内气体压力随时间t的变化规律p₂(t)如下表1所示，表1是不同时刻t时第二实验缸体15内气体压力值p₂(t)；

表1

t/s	0	300	600	900	1200	1500	1800	…
									p2(t)/kPa	8.5	8.87	9.64	10.41	10.92	11.68	12.71	…

二、第二实验缸体15中气体的质量m₂随时间t的变化规律m₂(t)可用下式表示：

$m_2\left(t\right)=\frac{p_2\left(t\right)V_2}{\mathrm{RT}}---\left(1\right)$

其中，V₂为第二实验缸体15的容积；T为气体的温度；R为实验气体的气体常数；p₂(t)为不同时刻第二实验缸体15内的气体压力；

根据公式(1)：计算不同时刻t时第二实验缸体15内的气体质量m₂(t)，得到第二实验缸体15中气体质量m₂(t)随时间的变化规律；

三、将第二实验缸体15中气体的质量m₂随时间t的变化规律m₂(t)对时间t求导数，得到第二实验缸体15的气体质量流量

${\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_2\left(t\right)=\frac{{\mathrm{dm}}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

步骤三所述的气体质量流量即为通过微纳米多孔材料样品11的渗透流量；

第二实验缸体15的容积为V₂＝0.153m³，气源4提供的气体为氮气，氮气的气体常数R＝287J/(kg.K)，根据表1中不同时刻第二实验缸体15的气体压力值p₂(t)数据，计算得到的不同时刻t时第二实验缸体15内的气体质量m₂(t)，如下表2所示，表2为不同时刻t时第二实验缸体15内的气体质量m₂(t)；

表2

t/s	0	300	600	900	1200	1500	1800	…
									m2(t)/10-4kg	56.61	59.07	64.20	69.33	72.73	77.79	84.65	…

根据公式(2)：对第二实验缸体15中气体质量m₂(t)随时间t的变化规律进行微分计算，得到不同时刻t经过样品渗透进入第二实验缸体15中的气体渗透流量采用向前差商近似计算方法，则得到的不同时刻t经过样品渗透进入第二实验缸体15中的气体渗透流量如下表3所示，表3为不同时刻t渗透进入第二实验缸体15中的气体渗透流量为了降低随机误差，进行算术平均后得到平均的渗透流量 ${\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_2\left(t\right)=0.0156\&times;{10}^{-4}\mathrm{kg}/s;$

表3

四、高温下微纳米多孔材料样品11的高温气体渗透特性参数可用下式表示：

$K=\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_2\left(t\right)\mathrm{vH}}{A[p_1\left(t\right)-p_2\left(t\right)]}---\left(3\right)$

其中，为第二实验缸体15的气体质量流量；ν为气体的运动粘性系数；A为微纳米多孔材料样品11的渗透面积；H为微纳米多孔材料样品11的厚度；p₁(t)为第一压力传感器8记录的第一实验缸体7内气体压力随时间t的变化规律；p₂(t)为第二压力传感器14记录的第二实验缸体15内气体压力随时间t的变化规律p₂(t)。

本实施例中，气源4提供恒定压力的气体，第一实验缸体7内气体压力p₁将不随时间t变化，p₁＝101.3kPa，根据公式(3)：温度T＝800K下的气体粘性系数值ν＝2×10^-4m²/s、微纳米多孔材料样品11厚度H＝12mm、微纳米多孔材料样品11的渗透面积A＝1.35×10^-4m²、第二实验缸体15的气体质量流量和第二实验缸体15与第一实验缸体7的压力差[p₁(t)-p₂(t)]的平均值为91.3kPa，计算氮气气体温度为T＝800K时的微纳米多孔材料样品11的高温气体渗透特性参数为：

$K=\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_2\left(t\right)\mathrm{vH}}{A[p_1-p_2\left(t\right)]}=\frac{0.0156\&times;{10}^{-4}\&times;2\&times;{10}^{-4}\&times;0.012}{1.35\&times;{10}^{-4}\&times;91.3\&times;{10}^3}=3.04\&times;{10}^{-13}{m}^{\text{2}}$

因此，氮气气体温度为T＝800K时的微纳米多孔材料样品11的高温气体渗透特性参数K＝3.04×10^-13m²。

Claims (10)

1.一种气体渗透特性参数测试装置，其特征在于一种气体渗透特性参数测试装置包括真空泵(1)、第一阀门(2)、第二阀门(3)、气源(4)、第三阀门(5)、加热器(6)、第一实验缸体(7)、第一压力传感器(8)、盖板(9)、第一高温密封垫圈(10)、第二高温密封垫圈(12)、样品平台(13)、第二压力传感器(14)、第二实验缸体(15)、隔板(16)和管筒(17)；

所述的真空泵(1)通过第一阀门(2)与第二实验缸体(15)连通；真空泵(1)通过第二阀门(3)与第一实验缸体(7)连通；第一实验缸体(7)与第二实验缸体(15)设有隔板(16)，隔板(16)将第一实验缸体(7)与第二实验缸体(15)分隔，隔板(16)中间设有第一圆形孔，第一圆形孔上方设置等直径的管筒(17)，管筒(17)设置在第一实验缸体(7)的内部；管筒(17)上方焊接样品平台(13)，样品平台(13)中间设有第二圆形孔，第二圆形孔的轴线与第一圆形孔的轴线为同一轴线；

样品平台(13)上方设有第二高温密封垫圈(12)，第二高温密封垫圈(12)中间设有第三圆形孔，且第三圆形孔与第二圆形孔等径同轴；微纳米多孔材料样品(11)放置在第二高温密封垫圈(12)上，微纳米多孔材料样品(11)上方设置第一高温密封垫圈(10)，第一高温密封垫圈(10)中间设有第四圆形孔，且第四圆形孔与第三圆形孔等径同轴；第一高温密封垫圈(10)上方设有盖板(9)，盖板(9)中间设有第五圆形孔，且第五圆形孔与第四圆形孔等径同轴；

所述的第一高温密封垫圈(10)、第二高温密封垫圈(12)和微纳米多孔材料样品(11)的尺寸相同；样品平台(13)与盖板(9)的尺寸相同；

所述的气源(4)通过第三阀门(5)与加热器(6)相连通，加热器(6)设置在第一实验缸体(7)内部；第一压力传感器(8)与第一实验缸体(7)相连接；第二压力传感器(14)与第二实验缸体(15)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种气体渗透特性参数测试装置，其特征在于第一圆形孔的直径为100mm～300mm。

3.根据权利要求1所述的一种气体渗透特性参数测试装置，其特征在于第三圆形孔的直径为30mm～100mm。

4.根据权利要求1所述的一种气体渗透特性参数测试装置，其特征在于隔板(16)的材质为0Cr13Al合金钢、Cr18Si2合金钢、Cr25Si2合金钢、3Cr18Ni25Si2合金钢、309合金钢、0Cr23Ni13合金钢或S30908合金钢。

5.根据权利要求1所述的一种气体渗透特性参数测试装置，其特征在于第一实验缸体(7)的材质为0Cr13Al合金钢、Cr18Si2合金钢、Cr25Si2合金钢、3Cr18Ni25Si2合金钢、309合金钢、0Cr23Ni13合金钢或S30908合金钢。

6.根据权利要求1所述的一种气体渗透特性参数测试装置，其特征在于第二实验缸体(15)的材质为0Cr13Al合金钢、Cr18Si2合金钢、Cr25Si2合金钢、3Cr18Ni25Si2合金钢、309合金钢、0Cr23Ni13合金钢或S30908合金钢。

7.根据权利要求1所述的一种气体渗透特性参数测试装置，其特征在于盖板(9)的材质为0Cr13Al合金钢、Cr18Si2合金钢、Cr25Si2合金钢、3Cr18Ni25Si2合金钢、309合金钢、0Cr23Ni13合金钢或S30908合金钢。

8.根据权利要求1所述的一种气体渗透特性参数测试装置，其特征在于样品平台(13)的材质为0Cr13Al合金钢、Cr18Si2合金钢、Cr25Si2合金钢、3Cr18Ni25Si2合金钢、309合金钢、0Cr23Ni13合金钢或S30908合金钢。

9.使用权利要求1所述的一种气体渗透特性参数测试装置测量微纳米多孔材料气体渗透特性参数的方法，其特征在于使用权利要求1所述的一种气体渗透特性参数测试装置测量高温下微纳米多孔材料气体渗透特性参数的方法，具体是按以下步骤完成的：

一、关闭第三阀门(5)，开启第一阀门(2)和第二阀门(3)；使用真空泵(1)将第一实验缸体(7)和第二实验缸体(15)抽真空，再关闭第一阀门(2)和第二阀门(3)；开启加热器(6)，气源(4)提供的气体经过第三阀门(5)进入到加热器(6)，气体经加热器(6)加热后达到所需温度，形成高温气体进入第一实验缸体(7)，第一实验缸体(7)内的高温气体依次经第五圆形孔、第四圆形孔、微纳米多孔材料样品(11)、第三圆形孔、第二圆形孔、管筒(17)和第一圆形孔向第二实验缸体(15)中渗透，第一压力传感器(8)记录第一实验缸体(7)内气体压力随时间t的变化规律p₁(t)，第二压力传感器(14)记录第二实验缸体(15)内气体压力随时间t的变化规律p₂(t)；

二、第二实验缸体(15)中气体的质量m₂随时间t的变化规律m₂(t)可用下式表示：

$m_2\left(t\right)=\frac{p_2\left(t\right)V_2}{\mathrm{RT}}---\left(1\right)$

其中，V₂为第二实验缸体(15)的容积；T为气体的温度；R为实验气体的气体常数；p₂(t)为不同时刻第二实验缸体(15)内的气体压力；

三、将第二实验缸体(15)中气体的质量m₂随时间t的变化规律m₂(t)对时间t求导数，得到第二实验缸体(15)的气体质量流量

${\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_2\left(t\right)=\frac{{\mathrm{dm}}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

步骤三所述的气体质量流量即为通过微纳米多孔材料样品(11)的渗透流量；

四、高温下微纳米多孔材料样品(11)的高温气体渗透特性参数可用下式表示：

$K=\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_2\left(t\right)\mathrm{vH}}{A[p_1\left(t\right)-p_2\left(t\right)]}---\left(3\right)$

其中，为第二实验缸体(15)的气体质量流量；ν为气体的运动粘性系数；A为微纳米多孔材料样品(11)的渗透面积；H为微纳米多孔材料样品(11)的厚度；p₁(t)为第一压力传感器(8)记录的第一实验缸体(7)内气体压力随时间t的变化规律；p₂(t)为第二压力传感器(14)记录的第二实验缸体(15)内气体压力随时间t的变化规律p₂(t)。

10.使用权利要求1所述的一种气体渗透特性参数测试装置测量微纳米多孔材料气体渗透特性参数的方法，其特征在于使用权利要求1所述的一种气体渗透特性参数测试装置测量室温下微纳米多孔材料气体渗透特性参数的方法，具体是按以下步骤完成的：

一、关闭第三阀门(5)，开启第一阀门(2)和第二阀门(3)；使用真空泵(1)将第一实验缸体(7)和第二实验缸体(15)抽真空，再关闭第一阀门(2)和第二阀门(3)；关闭加热器(6)，气源(4)提供的气体经过第三阀门(5)进入到加热器(6)，气体再经加热器(6)进入第一实验缸体(7)，第一实验缸体(7)内的气体依次经第五圆形孔、第四圆形孔、微纳米多孔材料样品(11)、第三圆形孔、第二圆形孔、管筒(17)和第一圆形孔向第二实验缸体(15)中渗透，第一压力传感器(8)记录第一实验缸体(7)内气体压力随时间t的变化规律p₁(t)，第二压力传感器(14)记录第二实验缸体(15)内气体压力随时间t的变化规律p₂(t)；

二、第二实验缸体(15)中气体的质量m₂随时间t的变化规律m₂(t)可用下式表示：

$m_2\left(t\right)=\frac{p_2\left(t\right)V_2}{\mathrm{RT}}---\left(1\right)$

其中，V₂为第二实验缸体(15)的容积；T为气体的温度；R为实验气体的气体常数；p₂(t)为不同时刻第二实验缸体(15)内的气体压力；

三、将第二实验缸体(15)中气体的质量m₂随时间t的变化规律m₂(t)对时间t求导数，得到第二实验缸体(15)的气体质量流量

${\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_2\left(t\right)=\frac{{\mathrm{dm}}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

步骤三所述的气体质量流量即为通过微纳米多孔材料样品(11)的渗透流量；

四、室温下微纳米多孔材料样品(11)的气体渗透特性参数可用下式表示：

$K=\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{m}}_2\left(t\right)\mathrm{vH}}{A[p_1\left(t\right)-p_2\left(t\right)]}---\left(3\right)$

其中，为第二实验缸体(15)的气体质量流量；ν为气体的运动粘性系数；A为微纳米多孔材料样品(11)的渗透面积；H为微纳米多孔材料样品(11)的厚度；p₁(t)为第一压力传感器(8)记录的第一实验缸体(7)内气体压力随时间t的变化规律；p₂(t)为第二压力传感器(14)记录的第二实验缸体(15)内气体压力随时间t的变化规律p₂(t)。