专利名称：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的制作方法
技术领域：
本发明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
>J-U装直。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Imm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I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
本发明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。本发明的目的之二是提供利用上述的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对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进行测定的方法。本发明的技术方案
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I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I、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I的体积比为2-3 1 ；
所述的样品池I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I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I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I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 ；
所述的参比池3与供气池2间的差压计11和参比池3与样品池I间的差压计12的最大量程均为±10 torr，精度均为读数的0. 15%，响应时间小于50ms ；
所述的数据采集器13采集各参数的采集速度为2-4个/秒；
利用上述的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对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进行的测定的方法，包括容器标定、气体置换、系统平衡、测定过程和数据处理五个步骤，具体如下
(1)、容器标定
用注水称重法测量标定池4的容积，以标定池4的容积为基准，利用理想气体状态方程，标定供气池2和样品池I的体积，分别记录为Vl和V ;
(2)、气体置换把大块体纳米孔材料样品Q
装入样品池I中，开启阀门20，21，用供气瓶23中的弱吸附气体吹扫缓冲罐5，之后关闭阀门 20，21 ；
关闭阀门18，打开阀门15，16，17，启动真空泵22对样品池I、供气池2和参比池3抽真空，至参比池3的绝压计10显示压力为0 ;开启阀门21，把来自供气瓶23的弱吸附气体进入缓冲罐5，之后关闭阀门21，打开阀门18，让缓冲罐5的弱吸附气体进入样品池I、供气池2和参比池3，当参比池3的绝压计显示压力达到所要测定的压力时，关闭阀门18 ；
(3)、系统平衡
关闭阀门15和16，开启阀门18，让缓冲罐5的弱吸附气体进入供气池2，当供气池2与参比池3之间的差压计11的压力差为7. 5-9. 5torr，关闭阀门18，等待l_3h，直至测试系统达到平衡状态，即样品池1，供气池2和参比池3的温度和压力基本不随时间而变化；
(4)、测定过程
瞬间打开阀门15，即t>0，体积为V1的供气池2中的弱吸附气体通过阀门15进入体积为V的样品池1，样品池I中的气体压力上升，由于弱吸附气体向大块体纳米孔材料样品n内扩散渗透，样品池I中的压力达到最大值之后，随时间的延长逐渐下降，测定之前，开启数据采集器13和数据采集计算机14，每500ms记录一次数据，数据包括
样品池I的温度T和样品池I与参比池3之间的差压计12压力Pd (t);
供气池2的温度T1和供气池2与参比池3之间的差压计11压力Pd1⑴;
参比池3的绝压计10压力P。(t);
这样，样品池I的压力P(t)为P(t)= Pd (t)+ P0 (t);供气池2的压力Pl (t)为P1W= Pd1 (t)+ P0 ⑴；
(5)、数据处理
根据压力扩散偏微分方程公式，样品池I中大块体纳米孔材料样品Ci内的气体压力P满足下列方程(I)
权利要求
1.一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測定装置，其特征在于所述的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測定装置由真空容器系统、温度控制和測定系统、动态压カ测定系统、数据采集系统和供气瓶组成； 所述的真空容器系统由样品池、供气池、參比池、标定池、缓冲罐和真空泵组成，供气池与样品池的体积比为2-3:1; 所述的样品池通过管道经阀门后与供气池连接，供气池上设有一路管道通过阀门与參比池连接，供气池上还设有一路管道经四通后分别经阀门与标定池、缓冲罐及真空泵相连； 所述的缓冲罐上还设有一管道经阀门与供气瓶相连，另外，缓冲罐池上还设有ー实现放空的阀门； 所述的动态压カ測定系统即包括參比池上设有的绝压计、參比池与供气池间设有的差 压计及样品池与參比池间设有的差压计； 所述的温度控制和測定系统包括恒温箱、供气池测温传感器和样品池测温传感器及样品池恒温炉； 上述的供气池，參比池，标定池，缓冲罐及附属管道、阀门和和测量仪表均放置在恒温箱内； 所述的数据采集系统包括数据采集器及与其相连的计算机，数据采集器将參比池上的绝压计、參比池与供气池间的差压计、參比池与样品池间的差压计、供气池测温传感器和样品池测温传感器发送的数据采集过来后送入与其相连的计算机。
2.如权利要求I所述的ー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測定装置，其特征在于所述的參比池与供气池间的差压计和參比池与样品池间的差压计的最大量程均为±10 torr，精度均为读数的O. 15%，响应时间小于50ms。
3.如权利要求2所述的ー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測定装置，其特征在于所述的数据采集器采集各參数的采集速度为2-4个/秒。
4.如权利要求3所述的ー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測定装置，其特征在于所述的数据采集器采集各參数，即參比池绝对压力、參比池与供气池间的差压、參比池与样品池间的差压、供气池温度和样品池温度的记录时间间隔为250_500mso
5.如权利要求1、2、3或4所述的ー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測定装置，其特征在于所述的供气池上设有的一路管道经四通后分别经阀门与标定池、缓冲罐及真空泵相连； 其中所述的与缓冲罐及真空泵相连的阀门分别为3个串级相连阀门。
6.利用如权利要求5所述的ー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測定装置进行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，其特征在于包括容器标定、气体置換、系统平衡、测定过程和数据处理五个步骤，具体如下 (I)、容器标定 用注水称重法測量标定池(4)的容积，以标定池(4)的容积为基准，利用理想气体状态方程，标定供气池(2)和样品池(I)的体积，分别记录为V1和V ; (2)、气体置換把大块体纳米孔材料样品Q装入样品池(I)中，开启阀门(20)，(21)，用供气瓶(23)中的弱吸附气体吹扫缓冲罐(5)，之后关闭阀门(20)，(21); 关闭阀门(18)，打开阀门(15)，(16)，(17)，启动真空泵(22)对样品池(I)、供气池(2)和參比池(3)抽真空，至參比池(3)的绝压计(10)显示压カ为O ;开启阀门(21)，把来自供气瓶(23)的弱吸附气体进入缓冲罐(5)，之后关闭阀门(21);打开阀门(18)，让缓冲罐(5)的弱吸附气体缓慢进入样品池(I)、供气池(2)和參比池(3)，当參比池(3)的绝压计(10)显示的压カ达到所要測定的压カ时，关闭阀门(18); (3)、系统平衡 关闭阀门(15)和(16)，开启阀门(18)，让缓冲罐(5)的弱吸附气体进入供气池(2)，当供气池(2)与參比池(3)之间的差压计(11)的压カ差为7. 5-9. 5torr时，关闭阀门(18)，等待l_3h，直至测试系统达到平衡状态，即样品池(1)，供气池(2)和參比池(3)的温度和压力基本不随时间而变化； (4)、测定过程 瞬间打开阀门(15)，即t>0，体积为V1的供气池⑵中的气弱吸附体通过阀门(15)进入体积为V的样品池(1)，样品池(I)中的弱吸附气体压カ上升，由于弱吸附气体向大块体纳米孔材料样品Ω内扩散渗透，样品池(I)中的压カ达到最大值之后，随时间的延长逐渐下降，測定之前，开启数据采集器(13)和数据采集计算机(14)，每500ms记录一次数据，数据包括t时刻时，样品池⑴的温度T和样品池⑴与參比池(3)之间的差压计(12)压カPd⑴; t时刻时，供气池(2)的温度T1和供气池(2)与參比池(3)之间的差压计(11)压カPd1 ⑴; t时刻时，參比池(3)的绝压计(10)的压カP。(t)； 这样t时刻时，样品池⑴的压カP(t)为P(t)= Pd (t)+ P0 (t)； 供气池(2)的压カ P1 (t)为=P1 (t)= Pd1 (t)+ P0 (t)； (5)、数据处理 根据压カ扩散偏微分方程公式，样品池(I)中大块体纳米孔材料样品Ω内的弱吸附气体压カP满足下列方程(I):ず· dP Dld2P Q2P d2P). ft 參、Sc2 φ2 &2 ノ p(x,y,z,0) = P0m ΩΡ(χ,γ,ζ;￡) = Pc(X0kY0jZ0-J) on ΘΩ \(I) 其中，D为有效扩散系数； Φ为纳米孔块状样品的孔隙率； PO为样品池(I)在t=0时刻的压力，即步骤(4)中t=0时刻时，样品池(I)的压カP(O)为P(0)= Pd (0)+ P0 (O)； Pc为大块体纳米孔材料样品Ω在t=t时刻时的边界压力，即与样品池(I)在t=t时刻时的压力P (t)相同，X(l，y(l和Ztl为大块体纳米孔材料样品Ω三维方向的尺寸，测定样品池(I)的压カP (t)随时间t的变化，即上述方程⑴的边界压力Pc (x0, y0, z0, t)； 由于样品池(I)和供气池(2)内的气体满足理想气体状态方程，即 PV = nRT(2) 其中，P:气体压力； F:气体体积； n..气体物质的量； R 理想气体常数； Γ:温度； t时刻时，样品池⑴中的弱吸附气体的物质的量可以通过供气池⑵和样品池(I)的物料衡算求得，即
7.如权利要求6所述的利用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測定装置进行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測定，其特征在于 所述的低气压下即压カ为50-100000Pa ； 所述的弱吸附气体为氮气、氩气、氦气； 所述的大块体纳米孔材料为气凝胶材料或者纳米孔材料。
8.如权利要求7所述的利用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測定装置进行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測定，其特征在于所述的大块体纳米孔材料的规格为(10-30) X (10-40) X (50-60) mm。
9.如权利要求8所述的利用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測定装置进行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測定，其特征在于 所述样品池(I)中放入的大块体纳米孔材料样品，按体积比计算，大块体纳米孔材料样品体积样品池(I)体积为O. 3 O. 5: I。
全文摘要
本发明公开了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及其应用，所述的测定装置包括真空容器系统、数据采集系统和供气瓶等组成，其中真空容器系统由样品池、供气池、参比池、标定池、缓冲罐和真空泵组成，样品池通过管道经阀门后与供气池连接，供气池上设有一路管道通过阀门与参比池连接，供气池上还设有一路管道通四通后分别经阀门与标定池、缓冲罐及真空泵相连；缓冲罐通过管道经阀门与供气瓶相连；数据采集系统包括数据采集器及其与其相连的计算机，数据采集器采集数据过来后送入与其相连的计算机。该装置结构简单，适用于低气压下弱吸附气体在大块体纳米孔材料中的有效扩散系数测定。
文档编号G01N13/04GK102706778SQ20121020644
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者张睿, 徐耀民, 金鸣林 申请人:上海应用技术学院