申请/专利权人：中国科学技术大学

申请日：2018-12-29

公开（公告）日：2024-03-29

公开（公告）号：CN109490139B

主分类号：G01N9/26

分类号：G01N9/26

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.29#授权;2019.04.12#实质审查的生效;2019.03.19#公开

摘要：本发明公开了一种基于物理吸附仪测试材料真密度的装置和方法，包括吸附仪真空系统1、歧管系统2、歧管系统连接阀3、样品管连接口4、样品管5、杜瓦瓶盖子6、填充棒7、液氮8、样品9、样品管样品室10、P0管11和杜瓦瓶12，装有填充棒7和样品9的样品管5通过样品管连接口4与吸附仪的真空系统1连接，盖上杜瓦瓶盖子6，所述的样品管样品室10为底端封闭的圆柱形结构，可以容纳更多的样品。本发明通过物理吸附实验在得到材料的比表面积、孔径分布曲线、孔容积的同时得到材料的真密度信息；本发明无需通过商品化的真密度仪，可以直接测量得到材料的真密度信息。

主权项：1.一种基于物理吸附仪测试材料真密度的装置，包括吸附仪真空系统1、歧管系统2、歧管系统连接阀3、样品管连接口4、样品管5、杜瓦瓶盖子6、填充棒7、液氮8、样品9、样品管样品室10、P0管11和杜瓦瓶12，其特征在于：装有填充棒7和样品9的样品管5通过样品管连接口4与吸附仪真空系统1连接，盖上杜瓦瓶盖子6，所述的样品管样品室10为底端封闭的圆柱形结构，容纳更多的样品；在室温下通过歧管系统连接阀3的打开与关闭向样品管中加入一定量的氦气，通过压力传感器测量在加入氦气前后的压力变化来得到热自由空间体积；将装有液氮8的杜瓦瓶12升至指定的高度，使样品管的样品室完全浸没在液氮液面以下；平衡后，通过歧管系统连接阀3的打开与关闭向样品管中加入一定量的氦气，通过压力传感器测量在加入氦气前后的压力变化来得到冷自由空间体积；实验时通过测量在室温下向样品管中填充氦气前后的压力变化得到的体积称为热自由空间体积，用VFW表示，测得的VFW用以下方程1表示： 上式中，VFW为热自由空间的体积，单位为标准条件下的体积cm3；VLOW下歧管体积，单位为cm3；T1为将氦气加入到样品管前的歧管系统的温度，单位为K；TSTD为标准温度，为273.13K；P1为将氦气加入到样品管前的歧管系统的压力，单位为mmHg；P2将氦气加入到样品管后的歧管系统的压力，单位为mmHg；在实验过程中，当液氮杜瓦瓶上升到指定的位置后，样品管底部被浸泡在液氮环境中，此时根据填充氦气前后的压力变化来得到冷自由空间的体积，用以下方程2表示： 上式中，VFC为冷自由空间的体积，单位为标准条件下的体积cm3；T2为杜瓦瓶上升到指定的位置后并填充氦气直至达到平衡后的歧管系统的温度，单位为K；P3为杜瓦瓶上升到指定的位置后并填充氦气直至达到平衡后的样品管的压力，单位为mmHg；在以上两个方程1和2中的下歧管体积VLOW是指歧管系统连接阀3关闭后，与此相连的连接管与样品管的总体积；由方程1计算得到的VFW是歧管系统的体积，即歧管系统连接阀3至歧管系统2之间的空间的体积，而由方程2计算得到的VFC则是样品管和样品管与歧管连接端的体积，即歧管系统连接阀3至样品管5之间的空间的体积，实际测量得到的VFW通常要远低于VFC，根据方程1和方程2分别得到的热自由空间的体积VFW和冷自由空间的体积VFC并不是样品管分别在室温和液氮温度下的体积，根据密度公式计算得到所测样品的真密度。

全文数据：一种基于物理吸附仪测试材料真密度的装置和方法技术领域本发明涉及物理吸附测试的技术领域，特别涉及一种基于物理吸附仪测试材料真密度的装置和方法。背景技术真密度是指材料在绝对密实状态下的体积内固体物质的实际体积，不包括内部孔隙或者颗粒间的空隙叫真密度。在我国现有国家标准和行业标准中如：GBT533、GBT1033.1、GBT6155、GBT23561、YBT5300、JBT7984.3、GBT1713、GBT8929、GBT1713、GBT208、GBT5071、QBT1010、GBT9966、GBT18856、GBT24203、GBT8330、SL-237等标准均采用密度瓶比重瓶法来测定材料的真密度。在采用这种方法时，材料磨得越细，材料的孔就会测得的密实体积数值就越精确。使用密度瓶法测试材料的真密度存在一些影响测试结果的问题，如：1测试时采用的浸润液体可能会与样品发生溶解、反应等问题；2如果浸润液选择不恰当，会产生不易浸润表面的情况，影响测试结果；3在测试粉末状材料时，当粉末完全浸入液体中，必须完全排除其气泡，才能确定其所排除的体积。通过密度瓶法测定真密度的方法的操作过程繁琐且不一定能够确保完全排除气泡。目前的商品化仪器中普遍采用“气体置换法”来测量材料的真密度。这种仪器采用氦气代替浸润液，由于氦气是小分子的惰性气体，具有易扩散、渗透性好、稳定性好的优势，测量时氦气分子可以迅速深入到材料的内部孔隙中，对常规方法无法测量的材料孔隙和不规则表面凹陷等均可迅速填充，测量得到的样品体积比密度瓶法更加接近样品的真实体积，从而使得样品的真密度值更加接近真实值。本发明基于通常用来测量材料的比表面积、孔径分布和孔容积等信息的商品化的容量法原理的物理吸附仪在进行物理吸附过程中测量得到的样品管和真空歧管的自由空间的数据，开发出了一种可以用来测量材料的真密度的测量方法。发明内容本发明主要解决如下技术问题：基于商品化的容量法原理的物理吸附仪在进行物理吸附过程中测量得到的样品管和真空歧管的自由空间的数据，开发出了一种基于物理吸附仪测试材料真密度的装置和方法。本发明采用的技术技术方案为：一种基于物理吸附仪测试材料真密度的装置，包括吸附仪真空系统、歧管系统、歧管系统连接阀、样品管连接口、样品管、杜瓦瓶盖子、填充棒、液氮、样品、样品管样品室、P0管和杜瓦瓶，装有填充棒和样品的样品管通过样品管连接口与吸附仪的真空系统连接，盖上杜瓦瓶盖子，所述的样品管样品室为底端封闭的圆柱形结构，可以容纳更多的样品。其中，在室温下通过歧管系统连接阀的打开与关闭向样品管中加入一定量的氦气，通过压力传感器测量在加入氦气前后的压力变化来得到热自由空间体积；将装有液氮的杜瓦瓶升至指定的高度，使样品管样品室完全浸没在液氮液面以下；平衡后，通过歧管系统连接阀的打开与关闭向样品管中加入一定量的氦气，通过压力传感器测量在加入氦气前后的压力变化来得到冷自由空间体积。一种基于物理吸附仪测试材料真密度的方法，利用所述的装置，实验时通过测量在室温下向样品管中填充氦气前后的压力变化可以得到的体积称为热自由空间warmfreespace体积，用VFW表示。测得的VFW可用以下方程1表示：上式中，VFW为热自由空间的体积，单位为标准条件下的体积cm3；VLOW下歧管体积，单位为cm3；T1为将氦气加入到样品管前的系统歧管的温度,单位为K；TSTD为标准温度，为273.13K；P1为将氦气加入到样品管前的系统歧管的压力，单位为mmHg；P2将氦气加入到样品管后的系统歧管的压力，单位为mmHg；在实验过程中，当液氮杜瓦瓶上升到指定的位置后，样品管底部被浸泡在液氮环境中，此时可以根据填充氦气前后的压力变化来得到冷自由空间coldfreespace的体积，用以下方程2表示：上式中，VFC为冷自由空间的体积，单位为标准条件下的体积cm3；T2为杜瓦瓶上升到指定的位置后并填充氦气直至达到平衡后的系统歧管的温度，单位为K；P3为杜瓦瓶上升到指定的位置后并填充氦气直至达到平衡后的样品管的压力，单位为mmHg；在以上两个方程1和2中的下歧管体积VLOW是指歧管系统连接阀关闭后，与此相连的连接管与样品管的总体积；由方程1计算得到的VFW是歧管系统的体积，即图1歧管系统连接阀至歧管系统之间的空间的体积，而由方程2计算得到的VFC则是样品管和样品管与歧管连接端的体积，即歧管系统连接阀至样品管之间的空间的体积，实际测量得到的VFW通常要远低于VFC，根据方程1和方程2分别得到的热自由空间的体积VFW和冷自由空间的体积VFC并不是样品管分别在室温和液氮温度下的体积。在仪器每次实验后输出的原始数据中，可以在每页的报告中比较直观地得到每次实验的VFW和VFC。本发明与现有技术相比的优点在于：1本发明采用氦气代替浸润液，由于氦气是小分子的惰性气体，具有易扩散、渗透性好、稳定性好的优势，测量时氦气分子可以迅速深入到材料的内部孔隙中，对常规方法无法测量的材料孔隙和不规则表面凹陷等均可迅速填充，测量得到的样品体积比密度瓶法更加接近样品的真实体积，从而使得样品的真密度值更加接近真实值。2本发明可以通过物理吸附实验在得到材料的比表面积、孔径分布曲线、孔容积的同时得到材料的真密度信息；3本发明无需通过商品化的真密度仪，可以直接测量得到材料的真密度信息。附图说明图1为容量法原理的物理吸附仪的工作原理示意图；其中，1吸附仪真空系统；2-歧管系统；3-歧管系统连接阀；4-样品管连接口；5-样品管；6-杜瓦瓶盖子；7-填充棒；8-液氮；9-样品；10-样品管样品室；11-P0管；12-杜瓦瓶；图2为实验结束后由仪器软件输出的原始数据格式示例图。具体实施方式下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。对于大多数商品化的容量法原理的物理吸附仪，其通常配置不同量程的压力传感器，通过压力的变化来测量材料在特定温度下对气体的吸附量，实验时通过测量热自由空间体积VFW和冷自由空间体积VFC,根据加入样品前后的冷自由空间VFC的变化可以直接计算出样品在标准条件273.13K下的体积变化，从而由密度计算公式计算得到材料的真密度。对于大多数商品化的容量法原理的物理吸附仪，其通常配置不同量程的压力传感器，通过压力的变化来测量材料在特定温度下对气体的吸附量。如图1所示一种基于物理吸附仪测试材料真密度的装置，包括吸附仪真空系统1、歧管系统2、歧管系统连接阀3、样品管连接口4、样品管5、杜瓦瓶盖子6、填充棒7、液氮8、样品9、样品管样品室10、P0管11和杜瓦瓶12，将装有填充棒7和样品9的样品管5通过样品管连接口4与吸附仪的真空系统1连接起来，盖上杜瓦瓶盖子6。所述的样品管样品室10为底端封闭的圆柱形结构，可以容纳更多的样品。在室温下通过歧管系统连接阀3的打开与关闭向样品管中加入一定量的氦气，通过压力传感器测量在加入氦气前后的压力变化来得到热自由空间体积。通过仪器的机械系统将装有液氮8的杜瓦瓶12升至指定的高度，使样品管的样品室完全浸没在液氮液面以下。平衡后，通过歧管系统连接阀3的打开与关闭向样品管中加入一定量的氦气，通过压力传感器测量在加入氦气前后的压力变化来得到冷自由空间体积。实验时通过测量在室温下向样品管中填充氦气前后的压力变化可以得到的体积称为热自由空间warmfreespace体积，用VFW表示。测得的VFW可用以下方程1表示：上式中，VFW为热自由空间的体积，单位为标准条件下的体积cm3；VLOW下歧管体积，单位为cm3；T1为将氦气加入到样品管前的系统歧管的温度,单位为K；TSTD为标准温度，为273.13K；P1为将氦气加入到样品管前的系统歧管的压力，单位为mmHg；P2将氦气加入到样品管后的系统歧管的压力，单位为mmHg。在实验过程中，当液氮杜瓦瓶上升到指定的位置后，样品管底部被浸泡在液氮环境中，此时可以根据填充氦气前后的压力变化来得到冷自由空间coldfreespace的体积，用以下方程2表示：上式中，VFC为冷自由空间的体积，单位为标准条件下的体积cm3；T2为杜瓦瓶上升到指定的位置后并填充氦气直至达到平衡后的系统歧管的温度，单位为K；P3为杜瓦瓶上升到指定的位置后并填充氦气直至达到平衡后的样品管的压力，单位为mmHg。需要指出，在以上两个方程1和2中的下歧管体积VLOW是指歧管系统连接阀3关闭后，与此相连的连接管与样品管的总体积。由方程1计算得到的VFW是歧管系统的体积即图1歧管系统连接阀3至歧管系统2之间的空间的体积，而由方程2计算得到的VFC则是样品管和样品管与歧管连接端即图1中歧管系统连接阀3至样品管5之间的空间的体积，实际测量得到的VFW通常要远低于VFC。因此，根据方程1和方程2分别得到的热自由空间的体积VFW和冷自由空间的体积VFC并不是样品管分别在室温和液氮温度下的体积。在仪器每次实验后输出的原始数据中，可以在每页的报告中比较直观地得到每次实验的VFW和VFC，如图2所示。图2实验结束后由仪器软件输出的原始数据格式示例。显然，当样品管中加入样品之后，通过实验测量得到VFW和VFC相对于样品管中加入样品之前的测量值也会随之发生变化。表1中分别给出了通过多次实验测量得到的在样品管中加入样品铜片前后的VFW和VFC数值已换算至231.13K下的体积。可以按照表1的形式记录不同实验次数下得到的加入样品前后的热自由空间的体积VFW和冷自由空间的体积VFC数值单位：cm3。表112345平均值加入样品前的VFW加入样品后的VFW加入样品前的VFC加入样品后的VFC根据表1中所得到的热自由空间的体积VFW和冷自由空间的体积VFC数值的平均值乘以一个校正系数可以得到样品的体积，校正系数由已知密度的标准物质通常为紫铜确定。根据密度公式可以计算得到所测样品的真密度。本发明可以通过以下形式进行实施：1实验时通过采用大体积样品管来加大实验时的样品用量的方法来提高冷自由空间VFC的变化；2本方法可以应用于含有微孔、介孔或大孔信息的多孔材料；3测试的样品可以是粉末、薄膜、纤维、块体等结构形式。

权利要求：1.一种基于物理吸附仪测试材料真密度的装置，包括吸附仪真空系统1、歧管系统2、歧管系统连接阀3、样品管连接口4、样品管5、杜瓦瓶盖子6、填充棒7、液氮8、样品9、样品管样品室10、P0管11和杜瓦瓶12，其特征在于：装有填充棒7和样品9的样品管5通过样品管连接口4与吸附仪的真空系统1连接，盖上杜瓦瓶盖子6，所述的样品管样品室10为底端封闭的圆柱形结构，可以容纳更多的样品。2.根据权利要求1所述的一种基于物理吸附仪测试材料真密度的装置，其特征在于：在室温下通过歧管系统连接阀3的打开与关闭向样品管中加入一定量的氦气，通过压力传感器测量在加入氦气前后的压力变化来得到热自由空间体积；将装有液氮8的杜瓦瓶12升至指定的高度，使样品管的样品室完全浸没在液氮液面以下；平衡后，通过歧管系统连接阀3的打开与关闭向样品管中加入一定量的氦气，通过压力传感器测量在加入氦气前后的压力变化来得到冷自由空间体积。3.一种基于物理吸附仪测试材料真密度的方法，利用权利要求1所述的装置，其特征在于：实验时通过测量在室温下向样品管中填充氦气前后的压力变化可以得到的体积称为热自由空间warmfreespace体积，用VFW表示。测得的VFW可用以下方程1表示：上式中，VFW为热自由空间的体积，单位为标准条件下的体积cm3；VLOW下歧管体积，单位为cm3；T1为将氦气加入到样品管前的系统歧管的温度，单位为K；TSTD为标准温度，为273.13K；P1为将氦气加入到样品管前的系统歧管的压力，单位为mmHg；P2将氦气加入到样品管后的系统歧管的压力，单位为mmHg；在实验过程中，当液氮杜瓦瓶上升到指定的位置后，样品管底部被浸泡在液氮环境中，此时可以根据填充氦气前后的压力变化来得到冷自由空间coldfreespace的体积，用以下方程2表示：上式中，VFC为冷自由空间的体积，单位为标准条件下的体积cm3；T2为杜瓦瓶上升到指定的位置后并填充氦气直至达到平衡后的系统歧管的温度，单位为K；P3为杜瓦瓶上升到指定的位置后并填充氦气直至达到平衡后的样品管的压力，单位为mmHg；在以上两个方程1和2中的下歧管体积VLOW是指歧管系统连接阀3关闭后，与此相连的连接管与样品管的总体积；由方程1计算得到的VFW是歧管系统的体积，即歧管系统连接阀3至歧管系统2之间的空间的体积，而由方程2计算得到的VFC则是样品管和样品管与歧管连接端的体积，即歧管系统连接阀3至样品管5之间的空间的体积，实际测量得到的VFW通常要远低于VFC，根据方程1和方程2分别得到的热自由空间的体积VFW和冷自由空间的体积VFC并不是样品管分别在室温和液氮温度下的体积。4.根据权利要求3所述的一种基于物理吸附仪测试材料真密度的方法，其特征在于：在仪器每次实验后输出的原始数据中，可以在每页的报告中比较直观地得到每次实验的VFW和VFC。

百度查询： 中国科学技术大学 一种基于物理吸附仪测试材料真密度的装置和方法

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