鋯釩鐵在亞真空領(lǐng)域凈化的應用

金策　劉濤

【摘 要】本文通過設(shè)計研制了在充入高純度惰性氣體的亞真空環(huán)境中，即幾百帕到上千帕的環(huán)境中使用的凈化裝置，通過研究凈化裝置中主要成分鋯釩鐵的吸氣特性，驗證了在亞真空狀態(tài)下鋯釩鐵仍可以工作。歸納出鋯釩鐵在亞真空領(lǐng)域中的最佳工作溫度，并同時在試驗過程中對鋯釩鐵片的激活和失效機理作出驗證。

【關(guān)鍵詞】鋯釩鐵;亞真空環(huán)境;工作溫度

中圖分類號： TG132 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）15-0078-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.038

Application of Zr-V-Fe in the Field of Sub-vacuum Purification

JIN Ce1 LIU Tao2*

（1.Nuclear Industry Institute of Physics and Engineering，Tianjin 300180，China;

2.Nuclear Industry Instituteof Physicsand Engineering，National Science Key Lab of Particle

Transport and Enrichment Technology，Tianjin 300180，China）

【Abstract】Based on a purification device designed for a sub-vacuum environment filled with high-purity inert gas （hundreds of thousands Pa），the paper studied the gettering characteristics of Zr-V-Fe，the main component of the purification device，it is verified that Zr-V-Fe can still work in sub-vacuum environment.The optimum working temperature of Zr-V-Fe in the field of sub-vacuum purification was summarized，and the activation and failure mechanism of Zr-V-Fe sheets were verified during the experiment.

【Key words】Zr-V-Fe;Sub-vacuum environment;Working temperature

0 引言

在鍍膜領(lǐng)域有時為了保護涂層，會充入惰性氣體作為緩沖氣體，為了不影響蒸發(fā)速率，緩沖氣體一般保持在百帕到千帕的范圍里?，F(xiàn)有市場上的氣體循環(huán)凈化系統(tǒng)成兩級分化狀態(tài)，一部分系統(tǒng)工作在幾個大氣壓甚至十幾個大氣壓下工作，而不適用一個大氣壓以下的工作環(huán)境;而另一部分低氣壓的真空吸氣泵，一般工作在10-2帕以下。經(jīng)過調(diào)研市場上的各種解決方案均不太適用。在百帕到千帕的工作環(huán)境中沒有比較成熟的解決方案，無法在生產(chǎn)中進行直接使用。同時有些緩沖氣體的成本比較高所以需要采用鋯釩鐵進行凈化。

1 氣體凈化裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個氣體凈化裝置分為腔體，鋯釩鐵置放裝置，加熱裝置，測溫系統(tǒng)，其具體結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖中27為蜂窩狀隔網(wǎng);28為鋯釩鐵吸氣劑;29為溫控鎧裝加熱體;30為凈化裝置外殼;氣體凈化系統(tǒng)采用鋯釩鐵作為吸氣劑，來吸附混入實驗系統(tǒng)中的惰性氣體中的各種氣體雜質(zhì)，采用多層結(jié)構(gòu)安裝可以使氣體充分的與鋯釩鐵片接觸。每一層鋯釩鐵片均安裝在不銹鋼網(wǎng)內(nèi)，以便氣體與鋯釩鐵片的接觸面積更大。溫度采用K型熱電偶測量。罐體周圍安放為加熱體，采用溫控鎧裝加熱體的方式。使鋯釩鐵可以在最佳的工作溫度進行氣體凈化的同時，還能保證加熱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在鋯釩鐵的效率降低到設(shè)計的70%能力時，可以使用加熱體對鋯釩鐵進行高溫加熱，達到激活的目的。惰性氣體氣體在凈化裝置罐體中的流向如上圖箭頭所示。

按照設(shè)計，鋯釩鐵選擇制成直徑1厘米，1.5毫米厚的圓片，經(jīng)過計算每一片的表面積為2.04cm2。氣體凈化裝置分為10層，每層放單層的鋯釩鐵片45片，以保證每一片的整個表面都能與凈化氣體充分接觸。

按照450片的數(shù)量計算表面積為920cm2，以280℃的工作環(huán)境為例，對H2的吸氣速度為409L/s，滿足實驗要求。

鋯釩鐵吸氣劑在工作之前需要進行高溫激活，通常的推薦激活條件為：在高真空下加熱至500℃維持10分鐘，在實際應用過程中如果激活溫度不能達到500℃時則需適當延長激活時間。[4]

2 驗證實驗

2.1 實驗環(huán)境

在能力實驗過程中需要真空維持系統(tǒng)，配氣系統(tǒng)，實驗檢測系統(tǒng)，真空檢測系統(tǒng)。

真空維持系統(tǒng)采用機械泵配合分子泵使系統(tǒng)達到實驗要求，其配氣系統(tǒng)采用雙路配氣混氣，在本實驗中系統(tǒng)內(nèi)充入5N高純氬氣，即99.999%的Ar，作為整個實驗系統(tǒng)的緩沖氣體。

實驗的檢測系統(tǒng)采用INFICOIN公司的殘余氣體分析儀（RGA），實時監(jiān)控激活鋯釩鐵或者鋯釩鐵正常加熱吸氣時，真空腔體內(nèi)殘余氣體雜質(zhì)的成分按量的變化。

真空檢測系統(tǒng)采用兩套真空計，以便監(jiān)控真空腔體在實驗過程中的兩種不同的試驗狀態(tài)，一套是濟寧新光公司的XG-5527-II型復合真空計，用來監(jiān)控系統(tǒng)在抽真空時真空參數(shù)。另一套是成都正華公司的ZDM-I-5型電容真空計，用來監(jiān)控系統(tǒng)在充入緩沖氣體時的真空參數(shù)變化。

2.2 實驗

通過實驗要達到確定實驗過程中，凈化泵的最佳工作溫度，以及在該溫度下整個系統(tǒng)的實際表現(xiàn)如何。

要想知道系統(tǒng)的最佳工作溫度，就要對鋯釩鐵加熱到不同的溫度進行監(jiān)測，而監(jiān)測殘余氣體的主要構(gòu)成也要先通過實驗進行測量，以方便后期的實時監(jiān)控。

在實驗初始狀態(tài)將真空系統(tǒng)抽空到1.1*10-3Pa時，注入99.999%的高純氬氣，然后再將系統(tǒng)抽空到1.1*10-3Pa，靜止5分鐘后，此時系統(tǒng)內(nèi)的氣體有氬氣的殘余氣體，也有真空系統(tǒng)因一定漏率產(chǎn)生的空氣的進入，比較接近實驗中氣體雜質(zhì)的主要組成部分，這時用質(zhì)譜儀檢測殘余氣體的雜質(zhì)，氣體的成分如圖2所示。

由圖2可見在整個殘余氣體的主要成分為氫氣、氮氣、氧氣、氬氣、二氧化碳以及水蒸氣。所以在后續(xù)試驗中也基本以這幾個主要殘余氣體，作為監(jiān)控的目標。

2.2.1 選擇系統(tǒng)最佳工作溫度

在實驗過程中將鋯釩鐵片的溫度分別加熱到226℃、231℃、240℃、250℃、265℃不同的溫度，開啟真空泵在真空度達到1.1*10-3Pa時，關(guān)閉閥門只用系統(tǒng)的凈化泵進行吸氣，同時開始計時，直到系統(tǒng)的真空度達到2.2*10-2Pa時停止計時，并保存四級質(zhì)譜儀檢測的數(shù)據(jù)。

如圖3所示可以明顯地看出系統(tǒng)在240-250℃時系統(tǒng)的壓升率最低，同樣條件下，都是606秒從1.1*10-3Pa達到2.2*10-2Pa。而其他溫度都比這個時間更短，意味著壓升率均沒有這個溫度表現(xiàn)得好。

所以選定在240℃和250℃的溫度條件下，進行下一步實驗。

分別在240℃和250℃溫度下對氫氣、氮氣、氧氣、氬氣、二氧化碳以及水蒸氣的含量進行分析，最終的結(jié)果顯示240℃和250℃在實驗系統(tǒng)中的表現(xiàn)相近。根據(jù)需求從而選擇240℃相對較低溫度，作為實驗系統(tǒng)加熱的最佳工作溫度。

在選定溫度后，分別測量凈化泵在開啟和關(guān)閉時，實驗系統(tǒng)中不同雜質(zhì)的含量如氫氣、氮氣、氧氣、氬氣、二氧化碳以及水蒸氣等，在長時間真空條件下凈化的能力，同樣以氮28作為對比，結(jié)果如圖4所示。

如圖4所示在長時間使用循環(huán)凈化系統(tǒng)各個雜質(zhì)氣體均有較明顯的降低，基本符合實驗預期。

實驗中還對對已經(jīng)激活過鋯釩鐵片和未激活的鋯釩鐵片進行了對比，發(fā)現(xiàn)在激活過后的鋯釩鐵片表面會有許多裂痕，隨著溫度的增高而增多，發(fā)現(xiàn)鋯釩鐵片的加熱激活原理，是加熱到高溫狀況下，使表面發(fā)生龜裂，從而增大鋯釩鐵的表面積，使凈化氣體能夠更加充分的與未反應的鋯釩鐵接觸，當不斷激活反應后，鋯釩鐵片的表面積不再增加，凈化效率隨之降低，既為鋯釩鐵的壽命已經(jīng)達到。具體如圖5所示。

圖5中圖左為加熱激活過的鋯釩鐵片，右側(cè)為使用過但未加熱激活過的鋯釩鐵片。由圖可見在10um尺度下，使用過但未激活的鋯釩鐵片表面有許多白色的氧化點，表面比較平滑。

而激活過后的鋯釩鐵片表面會有許多裂痕，白色的氧化點變得較少。這說明在高溫激活的使用條件下，鋯釩鐵片是表面發(fā)生了龜裂，產(chǎn)生了部分脫落，從而使未反應的鋯釩鐵部分露出，參與凈化。經(jīng)過幾次激活后，鋯釩鐵片的表面無法產(chǎn)生新的裂痕便導致吸氣凈化效率的下降，在宏觀上表現(xiàn)即為鋯釩鐵凈化效率下降，達到使用壽命。也印證了本文中的論點，同時也解釋了鋯釩鐵片的激活和失效機理。

因此實際應用中，在鋯釩鐵使用的過程中如果效率下降的并不明顯，不要進行激活，如果激活次數(shù)過多，會使鋯釩鐵表面過早出現(xiàn)過多裂痕。提前達到使用壽命。

3 結(jié)論

鋯釩鐵作為吸氣劑，在不同領(lǐng)域中使用較廣，多用于高真空吸氣泵中。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)在由惰性氣體作為緩沖氣體的亞真空狀態(tài)下，仍然可以發(fā)揮較好的凈化效果，在240℃至250℃時吸氣的效率更高。同時在試驗過程中對鋯釩鐵片的激活和失效機理做出驗證。

【參考文獻】

[1]郭衛(wèi)斌，薛函迎，柴云川.《吸氣劑在行波管中的應用》[J].真空電子技術(shù)，2011年第04期.

[2]熊玉，華顧為，尉秀英，苑鵬，秦光榮.《ZrVFe吸氣劑激活過程及其機理》[J].中國有色金屬學報2008年第18期.

[3]畢冬麗.《鋯釩鐵消氣劑的應用》[J].真空電器技術(shù)，1998年第2期.

[4]楊曉偉，李金山，王旭峰，張鐵邦，胡銳，薛詳義，周廉.《Zr57V36Fe7合金金屬的微結(jié)構(gòu)及活化與吸氫性能》[J].稀有金屬材料與工程，2010年第11期.