真空热试验中材料放气的放气量及其导热问题

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1、万方数据第23卷第2期航天器环境工程2006年4月Sf’ACECRAFTENvIRON～陋NTENGINEERINGl03真空热试验中材料放气的放气量及其导热问题陈涛，李玉忠，许忠旭，郄殿福(北京卫星环境工程研究所，北京100094)摘要：材料放气是真空热试验中常见的现象，文章分析了材料放气的过程和机理，给出了计算放气量的两种方法。对于平缓的材料出气过程，从气体扩散的角度，利用费克第二定律求解得到了平板材料模型的气体浓度分布，并由此计算出放气量；对于短时间内的剧烈放气过程，是根据放气后的抽气试验数据拟合出抽气曲线，以此反算放气量的大小。

2、文章最后还分析了由于放气而引起的低压气体导热过程，为真空热试验中的相关问题提供了理论分析依据。关键词：放气量；热传导；真空热试验；材料中图分类号：V416．5；T盯1‘4文献标识码：A文章编号：1673—1379(2006)02—0103—041前言在空间真空环境下，航天器的材料放气和结构放气是一种常见的现象，它对航天器正常、稳定地运行具有很大的影响。航天器任何一处微小的放气或漏气，都会产生一个附加的加速度，改变航天器的运行轨道和姿态；材料表面和内部吸附的水气、二氧化碳和其它气体及氧化物在真空环境中会产生材料放气，虽然这能使材料表面更加

3、清洁，材料的电学、光学性能得到改善，然而活动部件表面吸附的气体分子逃逸，将使活动部件驱动力矩加大，逐步发展到接触面粘结或焊死(冷焊)，以至失效；此外，由于材料的质量损失和放气，其挥发物将会污染航天器上的敏感表面，如光学镜头、热控涂层、继电器触点等，使其功能降低甚至失效[1】。同样，材料出气对于真空热试验的进行也有重要的影响。材料出气数据是对材料进行筛选的依据之一，在各种航天器用材料的选材、加工制造、整星及部组件的真空热试验中，都应认真考虑材料放气的问题，对其含气密度、放气过程需准确量化。真空热试验中的热模拟装置在热设计时通常只考虑辐射换

4、热，而忽略高真空状态下的气体对流及热传导。而实际情况是：进行热控的试件的温度是在一个不停的波动状态。分析其中原因，由于材料放气使空间气体分子数目增加，明显增强了气体分子热传导而引起了热量变化也是其因素之一，故我们有必要从气体分子运动的角度对此现象进行理论分析。2材料放气的放气量计算材料放气的原因是材料内部所含气体的逸出(如扩散、渗透、蒸发、升华等)。正常情况下，材料的放气(出气)是时间的连续函数，但是当遇有工艺气泡等情况，就会产生突破式的放气。关于放气量的计算方法，一种可以从材料本身的材质来考虑，另一种也可以根据试验过程中放气的真空度一

5、时间曲线直接测算。2．1针对具体材料计算放气量固体中通常能溶解一定数量的气体，气体压强越大，溶解的数量就越多。航天器用材料要求气体浓度尽可能小，当浓度较低时，固体中溶解气体的浓度C通常遵循：C=剧矽，(1)式中：S为溶解度；P固体外的气体压强；，z为指数(非金属为1；如为金属；则双原子分子溶解时要分解，依质量作用定律，浓度比例于压强的平方根，故为1／2)。材料出气的机理是扩散。材料内部气体浓度收稿日期：2006—0卜12；修回日期：2006一03—1O作者简介：陈涛(198o一)男，工学硕士，主要从事航天器真空热环境试验研究。联系电话：

6、(010)68746167；E．mailsdchenta02008@yahoo．com．cn万方数据航天器环境工程2006年第23卷的分布是不均匀的，存在浓度差，气体将在固体内扩散。将材料置于真空中，其中所含的气体也将通过固体界面逸出到真空中。大多数情况下，由于扩散系数比较小，导致气体在固体内流动在很长一段时间内都是非稳定状态，这时它遵循费克第二定律【2】．a2cacD瓦2瓦真空热试验中，像太阳电池板材料、多层、胶带以及涂层、黑漆等放气量都比较大，它们的放气问题可以按有限厚平板的气体扩散问题来讨论。设平板厚度为d，其初始含气浓度是均匀一

7、致的，为C0(设在制造时得到这种分布)。其两面都处于真空中，则其所含气体将不断地从内部向两边逸出，靠近表面处的气体先逃逸掉，内部的慢慢扩散出来，取坐标系如图1所示，则初始条件为当卢0，c=C0，0奴

8、，横坐标是删，以无量纲时间D衍作为参量，当f一0时，C／C0为等于l的横线，随时间f的增长，逐渐变为下边的曲线。由图可知，只有时间足够长时，平板中间部分(删一0．5)的浓度才能变小。从而也说明无论放气量或多