极高真空环境下软金属刀口密封研究 - 真空技术网
极高真空环境下软金属刀口密封研究
来源:真空技术网（）兰州空间技术物理研究所作动中心　作者:付朝晖
　　密封是保证航天器发射、运行可靠性及寿命的关键环节之一，随着月球及深空探测技术发展需求，迫切需要解决在极高真空环境下设备的密封技术。本文根据空间环境的适应要求，研制设计一种采用软金属合金作为填料，多层密封材料配合的密封技术。对照空间环境密封漏率指标要求，对密封材料种类、成分配比、微观结构、刀口和预紧力等关键参数进行了分析和实验研究，在高真空条件下通过实验测试了软金属材料密封装置漏率情况和温度环境的稳定性。实验结果表明，软金属材料和基体材料匹配良好，刀口结构密封装置在高真空环境下的漏率小于5&10-11 Pa&m3/s，高低温度循环后漏率稳定，可以满足未来航天器在极高真空环境下的长期稳定可靠密封使用要求。
　　对于航天器，密封性能好坏直接影响到运行的可靠性和工作寿命。随着航天技术的迅速发展，特别近年来月球及火星等深空探测技术发展，对密封技术和材料提出更高的要求，普通的密封材料由于在极高真空、高低温、高辐射等特殊环境下容易变成硬而脆的玻璃态，失去弹性，致使密封结构失效，空间使用有很大局限性。从国外发展来看，上世纪六七十年代，美国和苏联相继进行了多次月球采样和返回任务，采集了大量的月壤和岩石带回地球分析，为人类认识月球提供了重要的研究方法和研究依据。然而，真空技术网(/)认为无论是美国阿波罗计划还是苏联月球计划，样品采集的密封容器返回均出现了不同程度的泄漏，使得地球大气对月球样品造成了污染，影响了进一步的研究开展。目前中国也提出了深空探测计划，并力争在2020年前，采集关键性样品返回地球，进行实验室分析研究，目前迫切需要解决样品密封返回不受污染的问题。
　　本文借鉴国外相关的成熟经验并结合中国后续月球和火星等卫星探测需求的特点进行创新设计，提出了一种适合中国的月球及火星等探测用无人采集样品封装技术，对该封装技术采用的结构设计、材料选择匹配和密封特性等进行了详细介绍并对密封性能进行了试验验证，检验了特殊空间环境下的密封结构的性能水平。
1、实验条件
　　实验用密封结构体材料选用在空间环境下常用的三种材质(7075铝合金、TC4钛合金、1Cr18Ni9Ti不锈钢)，密封填料用质量百分数(1%～10%)不同银的铟合金，原料的纯度&99.99%。钎焊采用常规标准工艺，用丙酮加超声波清洗密封试件10min，再用无水乙醇清洁；将一定量的密封材料填装于清洗洁净的密封试件填料槽中；然后将密封试件水平放置在中；按一定速率程序控温升温至密封填料完全熔化，并保温数十分钟，随炉冷却至室温，充氩气出炉，然后把密封材料熔焊在盖体内的槽体内，形成环行的密封材料带。钎焊温度220～230℃，时间约15min，真空度10-2Pa。密封填料的成分比例和微结构形貌用日本电子光学公司JSM-5600LV低真空扫描电子显微镜(SEM)和美国Kevex公司X射线能量色散谱(EDS)仪进行观察分析，漏率的测试用(PFEIFFER)，高低温测试在-196℃～120℃范围内进行5个循环。
2、实验结果和分析讨论
　　2.1、密封结构的设计
　　密封结构的总体结构设计根据深空采集样品封装容器的实际结构、轻量化和可靠性的要求，设计采用作为容器外部一次密封以及刀口挤压软金属材料作为内部二次密封的冗余密封结构，提高装置的可靠性，具体如图1所示。该密封结构在盖体上加工橡胶圈密封槽，它和O形橡胶圈及防护裙共同形成一次密封结构。在盖体上安装铟银合金板，容器口部加工成刀口。在二次密封之前，O形橡胶圈压在防护裙上形成一次密封，防护裙使刀口和铟银合金板保持一定的距离，从而保护了刀口和铟银合金板。当进行二次密封时，锁紧机构将样品容器的盖体向下压紧，在压紧力的作用下，防护裙发生变形，最终使刀口嵌入铟银合金内形成了二次密封。
图1 密封单元结构原理图
　　2.2、密封材料的选择和匹配
　　对于极高真空、高低温和辐射特殊环境的密封来说，决定了适用这种系统环境的密封填料主要为金属材料。一般，适用于制作密封的金属材料，既可以是比较软的金属如铟、铝、银和金等，也可以是比较硬的无氧铜、蒙乃尔(Monel)合金等。在进行密封设计时首先需要考虑是基体与材料热膨胀系数的匹配性和材料和基体以及材料之间相互的润湿性。图2给出三种结构体(7075铝合金、TC4钛合金、1Cr18Ni9Ti不锈钢)材料密封设计的基本结构，一般由合金层、金属层、过渡层和基体等几部分组成。根据基体和刀口材料的不同，与其配合的过渡层、金属层可以选用不同材料，合金层需调整合金中多种金属的质量百分数比例来配基体和压紧刀口材料的特性。这里给出一种结构体材料密封设计并进行了试验验证，基体为铝合金材料&10-6/℃)、过渡层设计采用无氧铜(16.4&10-6/℃)、金属层采用纯银(17&10-6/℃)、合金层采用铟银合金(97In3Ag，20&10-6/℃)，金属挤压密封采用刀口密封，刀口的材料为钛合金TC4(10.2&10-6/℃)。
图2 密封体软合金材料结构设计图
图3 给出钎焊
　　后表面的的合金成分测试的EDS成分分析，图中给出了软金属银和铟的质量比及原子数成分比例。图4给出断面的SEM形貌图。图3表面的合金成分测试的EDS图
　　试验中铝合金基体和填料经过钎焊工艺后，过渡层、金属层和合金层实现良好的浸润性。EDS成分和SEM形貌分析表明，铟银比例均匀控制在设计的93∶7比例范围内，外观及内部形貌材料之间结合紧密、分部均匀，无大的孔洞延伸或贯穿到表面，内部缺陷数目较少，致密性能够有效防止气体的渗透和扩散。
图4 合金断面的不同放大倍数SEM形貌图
　　2.3、密封结构漏率测试和温度稳定性试验验证
　　密封结构的漏率水平一般和密封结构、填料、钎焊工艺、过渡层选择、刀口材料形状和角度、刀口压入深度、挤压力等有很大的相关性。表1给出不同基体(7075铝合金、TC4钛合金、1Cr18Ni9Ti不锈钢)、不同刀口角度、刀口深度和挤压力下，密封结构的漏率测试。图5给出密封前后结构变化示意图。
　　实验中发现，挤压密封和熔焊密封后，3种基体在无过渡层配合时，其它参数改变，漏率始终大于10-6 Pa&m3/s，无法满足设计要求。根据3种基体不同，增加不同过渡层后，&D试验件随着压入深度的增加，挤压力相应增大，一般在压入深度超过0.5mm，挤压力达到200kgf时，&D形刀口保持漏率水平在10-8～10-9 Pa&m3/s。当刀口沿45&方向后，随着刀口深度和挤压力变化，漏率水平维持在10-11 Pa&m3/s，当深度在0.5mm，漏率可以达到8.0&10 -11 Pa&m3/s，在压入深度0.6～1mm，挤压力达到450～500kgf时，漏率可以达到5.0&10-11 Pa&m3/s。在压入深度超过1mm，挤压力达到500kgf时，漏率基本维持在&5.0&10-11 Pa&m3/s。在经历-196～+120℃五次冷热循环过程中及过程后，其密封性能均不会下降，漏率保持在5.0&10-11 Pa&m3/s。同时试验中负载力卸载后，密封结构48h后测试，漏率仍保持不变，结果表明，密封材料与基体的线胀系数匹配性及密封装置的环境适应性良好，密封结构在高真空条件下能够保持好的密封性能。
表1 不同基体密封结构的漏率情况
图5 金属密封挤压前后结构示意图
　　根据空间环境的适应要求，研制设计一种密封结构、并采用软金属合金作为填料，多层密封材料配合密封技术，对照密封漏率指标要求，对密封材料种类、成分配比、微观结构、刀口形状和预紧力等关键参数进行了分析和实验研究，在高真空条件下通过实验测试了软金属材料密封装置漏率情况和温度环境的稳定，实验结果表明，软金属材料和基体材料匹配良好，刀口结构密封装置在高真空环境下的漏率小于5&10-11 Pa&m3/s，高低温度循环后漏率稳定，可以满足未来航天器在极高真空环境下的长期稳定可靠密封的使用要求。
　　在极高真空条件下软金属材料的密封可以满足复杂空间环境下的密封要求，但是，针对不同的密封工况，还需要做大量的优化设计，包括控制杂质的含量、成分的比例、密封件的尺寸、熔焊工艺和过渡层的选择等工作，来提高密封的性能和可靠性水平。
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２０ｌＯ－７理论创新
单摆运动的动力学分析
摘要：对单摆进行动力学分析，单摆运动的回复力跟位移成正比而反向，儆简谐运动。找出简谐运动的比例系数蠡值，代入简谐振动的周期公式，求出单摆做运动的周期。
关键词：动力学回复力周期类比
单摆是研究简谐运动的理想模型。当：
单摆静止时，重力和摆线拉力平衡，摆动?
后，过最低点时摆球所受合力不再为零，严：
格地讲，最低点并不是平衡位置，但就摆动?
：条件口≤５０，ｓｉｎ０一年得回复力大小为肛‘ｍ口一司聊｝ｃ∞口叫ｎ嬲ｉＩｌａ＝，，培Ｂｉｌｌ（口弗）－－ｍ４扯０８（邶）硼、／再矿８砌乎善。令扛乎代入媚Ｖ箸得屿、／手，显然，推导过程对求鳃回复力表达式当０＜５。时，Ｆ一：３呼善，则后：来说，使摆球往复运动的重力的切向分量：再由仨兰曼得单｛罢周期公式７轮盯、／上。∞Ｖｇ为零，又可看作是平衡位置。型芋，由Ｔ－－２＂丌停得：Ｔ＝２啊ｒ．厂―厂从动力学的角度看，在偏离平衡位置：是十分重要的一环。只要抓住此重要环节，
最大位移处的速度为零。重力的径向分量：就可将单摆运动周期公式推导至非惯性系
和拉力平衡，而切向分量产生单摆运动的：和各种不同情况。Ｖ面。３．任意方向加速系统中单摆的周期
加速度。重力的径向分量跟摆线拉力的合：
力提供单摆做圆周运动所需的向心力，即：：
一２二、非惯性系中单摆周期公式的推导１．竖直加速系统中的单摆周期将一摆长为Ｚ的单摆置于升降机中，
：当升降机以加速度口向上加速运动时，求
单摆运动的周期。
‘如图３，当小车由倾角为ａ的光滑斜面滑下，求挂在车厢顶上的摆长为ｌ的单摆简谐运动的周期。因斜面光滑，小车沿斜面向下的加速度为：ａ＝ｇｓｉｎａ。在摆球振动方向上：ｍｇｃｏ驴＝ｍａｗ＋ｍａｃｏｓｙ，所以Ｆｌｕ－－ｍｄｉｉ＝Ｔ－ｍｇｃｏｓ０－．－ｍＴ”－／．Ｊ重力切向分量：Ｇｌ＝ｍｇｓｉｎ０当摆角很小时，ｓｉｎ０一誓，有：Ｌ
ＧＩ＝罢已菇，首先对单摆运动的回复力分析：如图ｌ，在运动方向上，由牛顿第二定律有：●嘣ｃ邮“ｍ僦瑚）硼缸ｓｉｎ（ａ柏）一血伽删＝ｍｓｃｏｓａｓｉｎ０ｍｇｓｉｎ如ｍ（ａｗ－ａｓｉｎ０）
注意到上式中切向分量Ｇ－总与位移！回复力Ｆｍ硼＿＝ｍｇｓｉｎ０＋ｍａｓｌｎ０＝ｍ当９＜５。时，Ｆ一一旦学善，相当于蠡＝
单摆运动的动力学分析
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被引用次数：邹永贵广东省电白县实验中学新课程(教育学术)XINKECHENG2010，(7)0次
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真空条件给振荡器的应用带来极大的不便与限制。为此，在真空谐振子模型基础上，建立了气体环境下的谐振子模型，即在谐振子周围填充气体（Ar），讨论了气体密度及周围环境温度对碳管谐振的影啊，并比较了气体环境与真空环境两种状态下碳管振荡器的能量耗散，在比较的过程中发现气体阻尼对碳管振荡器有着极其重要影响。通过本文的分析计算得出如下结论：多壁纳米碳管的振荡特性是，内碳管在外碳管内沿轴向做周期性减幅振动，其振动频率可高达几十到几百吉赫（GHz）。振动过程中内碳管所受回复力只有方向的周期性变化，而大小保持稳定。振动频率受管壁间作用强度及碳管长度影响。频率与管壁间作用强度成线性关系，而与碳管长度成倒数关系；在气体环境下，两碳管间摩擦力随气体密度的增大及环境温度的升高而增大。气体分子的碰撞将导致碳管的晶格变形，从而极大改变碳管间的初始理想匹配状态，导致摩擦力增大；随着温度的升高，碳管原子热振动振幅增大和高能量声子的激发，使得碳管振动的机械能更容易转化为热能而被耗散，导致摩擦力增大。发现气体密度的增大和环境温度的升高，都将导致振幅衰减加快，振荡频率增大。通过与真空状态下的谐振子相比，气体分子与管壁的碰撞是造成能量耗散的一个主要原因，气体环境的阻尼可能是导致碳管谐振子在工程实际中失效的主要原因，其次，环境温度对谐振子也具有重要的影响，低温工作条件对谐振子是有利的。
7.期刊论文 单丽君.于成国.何卫东.SHAN Li-jun.YU Cheng-guo.HE Wei-dong 环板式针摆行星传动非线性动力学模型与方程 -大连交通大学学报)
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8.学位论文 李栋 耦合异宿环振子的动力学行为及若干应用 2009
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在第一章中首先介绍了一下动力学的基本概念和基础理论，主要目的是对后文所涉及的一些概念做一个较为系统的介绍，包括定态解、周期轨道、准周期轨道、混沌、异宿环、Poincare截面、Lyapunov指数、分岔和同步等等.其中最后一个小节介绍了几个典型的吸引性异宿环系统，包括三竞争者的对称性Gause-Lotka-Volterra模型、Busse-Heikes模型和“石头-布-剪刀”博弈模型，包括了前人对这些模型的动力学行为的研究。&br&　　
第二章中考察的是两个不相同的异宿环相互耦合时的动力学行为.小的耦合可以避免异宿环的慢化现象，当耦合强度增加时，系统由准周期振荡变为周期振荡，这个过程并非由两个基频的公度所引起，而是振动弱的基频消失，而振动强的基频主宰了整个系统.这个过程是一种典型的Hopf分岔，但在以往耦合振子的同步问题中却是不常见到，可以被理解成一种新的同步现象.随着耦合强度继续增大，系统又可以重新发生慢化现象，这是因为一个新的吸引性的异宿环的产生造成的.在此发生了异宿环的共振分岔。&br&　　
第三章中在著名的博弈模型“石头-布-剪刀”模型中加入从众心理的影响，考察从众心理对系统动力学的影响。虽然系统是全局连接，但从众心理的加入却具有局域的性质，从统计学的观点来看，三种策略出现的概率是一样的.但从动力学的观点分析却可以发现三种策略相等的定态解会在某个临界点失稳，进而形成博弈策略的周期振荡，在这个过程之中，“同步”起到了至关重要的作用，它使得局域的从众心理引起了博弈策略的全局振荡。&br&　　 在第四章中，我们从物理学和动力学的观点分析了一下n竞争者系统的稳定性和回复力的问题。这本是个生态学问题。考虑到生态系统的复杂演化行为未必会对生态系统的稳定性有害，而从物理学和动力学的观点对其进行了研究，借鉴相空间重构的方法讨论了系综平均和抽样方法的必要性和合理性，此方法有助于比较两个或者多个拥有非平衡吸引子的生态系统的稳定性强弱。&br&　　
在第五章中，通过研究正方网格上的Gause-Lotka-Volterra系统来研究空间复杂性对生态系统的影响.从中发现平均生物量的大小与系统的时间复杂性没有关系.而另一方面，随着扩散强度的增加，平均生物量却在持续降低，直至斑图的性状不再发生变化.在比较大的扩散强度下，可以通过对空间尺度的重新标度而得到相似的空间复杂性，而这是影响平均生物量的最基本因素，同时，我们发现，通过对系统进行一个小的改变而将混沌系统移到周期窗口之中来观察系统的变化，这可以是辨别混沌对系统造成本质的影响还是它只是一个表面现象的有效方法。&br&　　
在第六章中，考察了一种自相似空间扩散网络结构上的Gause-Lotka-Volterra系统.这依然是一个多稳系统.这个网络结构拥有多个空间尺度，同步现象可以发生在不同的空间尺度上.而系统的平均生物量、暂态过程、变异性等都会因为其吸引子的同步级别不同而有所区别。&br&　　
对全文的总结和工作体会将写在最后一章之中。
9.学位论文 邢祥军 几种磁性微结构的自旋动力学及两种磁性薄膜的物性研究 2010
1996年自旋转移矩效应的发现标志着自旋电子学的重大进步。这一发现深
化了人们对磁系统中电子输运性质和磁化状态之间关联的理解。自旋转移矩效应
正在更新传统的磁化理论，因为在亚微米尺寸磁系统中，自旋转移矩的磁化效应
远大于电流产生的附加磁场的磁化效应。考虑到器件的不断微型化，自旋转移矩
效应拥有巨大的应用前景。
微磁结构例如磁畴和磁畴壁是传统存储技术的重要元素，并且可能在未来的
应用中占有重要地位。自旋转移矩效应的存在使得电流对磁系统的操控成为现
实，在新型、高性能的非挥发性存取存储、硬盘存储、纳米振荡器、甚至逻辑电
路中具有重大的应用潜力。为了实现这些应用还要开展很多基础研究工作。自旋
波是磁系统中最基本的激发模式，有希望应用于低能耗的信息处理器件，但是仍
有很多基本问题有待解决。这些事实是本论文研究工作的直接原因。
铁酸铋是目前发现的唯一具有室温铁电性和反铁磁性的材料，因其巨大的应
用潜力，在过去几年间成为了研究的焦点。在此背景下，本论文研究了多层膜结
构中铁酸铋薄膜的磁性，还研究了另一种具有非共线磁结构的材料―β相二氧化
本论文的主要研究结果如下：
Ⅰ垂直注入的自旋极化电流作用下磁反涡旋的自旋动力学
系统研究了自旋极化电流作用下磁性反涡旋的动力学行为，揭示了反涡旋核
的两种激发模式：螺线进动模式和翻转模式，前者对应较低的激发电流，后者对
应较高的激发电流，即存在一个阈值电流。
螺线进动可以用Thiele方程加以描述，该方程说明了螺线轨道的畸变，轨道
畸变归因于样品边界处出现的磁结构，它们的出现改变了原有的回复力。螺线进
动模式的末态为畴壁态或者涡旋态，决定于激发电流密度。螺线进动的频率依赖
于样品的几何尺寸。在临界半径以内，偏离中心的反涡旋可以通过驰豫回归平衡
位置，即样品中心。
对于翻转模式，反涡旋极性翻转的时间尺度约200 ps，翻转事件通过两个布
洛赫点的原位注入、传播和湮灭来实现，而不是通过著名的涡旋―反涡旋对的产
生和湮灭来实现。布洛赫点的注入起源于四重圆涡旋阵列的压缩。对于不同的激
发电流，随着电流密度的降低翻转时间逐渐延长。当反涡旋极性翻转后，撤除外
激发电流，发生翻转事件的系统会驰豫至平衡态，平衡态的磁结构取决于激发参
数，即电流密度。
Ⅱ核壳磁圆盘中的受迫磁涡旋及其自旋极化电流作用下的极性翻转动力学
提出了―种由软磁圆环和嵌套在其中心的硬磁圆柱构成的核壳结构的磁圆
盘。由于能量的重新分布，硬磁圆柱上会形成一个受迫磁涡旋。研究了电流作用
下受迫磁涡旋的动力学，发现由于限制效应，涡旋核的螺线进动受到抑制，并且
核的翻转事件不经过涡旋―反涡旋对的调制完成，而是通过一个传播的布洛赫点
的辅助完成。依赖于电流密度，这种布洛赫点调制的翻转过程呈现不同的模式(A-
模式、B-模式和C-模式)。因模式转化，翻转时间随电流密度非单调变化。对于
直径为80 nm的圆盘，A-模式给出非常“干净”的翻转过程。
Ⅲ垂直注入的自旋极化电流对自旋波传播特性的调控
通过理论分析和数值模拟研究了垂直注入线状自旋阀的电流对自由层中自
旋波的传播特性的调制。理论分析表明，Slonczewski自旋转移矩可以引起自旋
波多普勒效应并调控自旋波的衰减，而类场自旋矩贡献很小以至可以忽略不计。
微磁模拟证实了以上理论预测，并且表明过阈值电流作用下自旋波不稳定。通过
局域的独立电流可以选择性地调制自旋波的衰减。
Ⅳ BiFeO3和MnO2薄膜磁性的研究
(i)三层Bi3.25La0.75Ti3O12/BiFeO3/Bi3.25La0.75Ti3O12结构中BiFeO3的磁性
利用化学溶液沉积法在(111)Pt/Ti/SiO2/Si衬底上成功制备了BLT/BFO/BLT
三层膜。相对于单层BFO薄膜，三层膜呈现减弱的铁磁性和降低的磁化强度，
这是因为氧空位受到抑制，使得BFO中磁矩间的倾斜角减小和双交换相互作用
减弱。在5 K的温度，BLT/BFO/BLT三层膜的饱和磁化强度为18 emu/cm3；在
300 K，其值为3.6 emu/cm3。三层膜中的应变没有显著增强三层膜的磁化强度。
在整个频率范围，三层膜具有良好的介电特性。
(ii)等离子体辅助分子束外延生长的MnO2薄膜的磁性
利用等离子体辅助分子束外延技术在(001)LaAlO3和(001)MgO衬底上生长
了单晶β-MnO2薄膜。XPS和Raman光谱表明薄膜为β-MnO2，其中Mn3+和Mn4+
共存。磁性测试结果表明薄膜不仅在5 K表现出铁磁性，在室温下也具有铁磁性；
在5 K温度下，两种衬底上的薄膜具有不同的低场磁滞回线。磁性的起源有两个
方面：首先，晶格形变改变了原子间距，进而破坏了三个交换相互作用项之间原
有的平衡，使螺旋磁结构达到新的平衡态；其次，混价离子的共存产生了新的交
换相互作用，导致了铁磁性的出现。
关键词：自旋动力学，自旋转移矩，磁涡旋，自旋波，磁滞回线
10.期刊论文 周向玲.杨淑敏.杨江平.ZHOU Xiang-ling.YANG Shu-min.YANG Jiang-ping 坐标系原点的选取与简谐振动 -忻州师范学院学报)
在研究简谐振动问题时,首先是要判断一个物体是否是简谐振动.判断的依据有两个方面,一个由物体所受的力是否是回复力,另一个是可以由牛顿第二定律,建立动力学微分方程来判断物体是否是做简谐振动.在这两方面的研究过程中,必须建立坐标系,恰当地选取坐标系原点可以使研究的问题简化.文章通过实例,从简谐振动动力学方程和简谐振动的势能两个方面讨论简谐运振动的坐标系原点的选取.
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