一體化陶瓷遷移管在離子遷移譜中的應用*

康 澤 尤興志 譚旭暉

(中船重工第七一〇研究所 宜昌 443003)

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一體化陶瓷遷移管在離子遷移譜中的應用*

康 澤 尤興志 譚旭暉

(中船重工第七一〇研究所 宜昌 443003)

離子遷移管的材料和制備工藝對離子遷移率、環境適應性和穩定性有很大的影響。論文綜述了離子遷移技術和陶瓷封接技術,應用陶瓷封接技術加工制備了一體化離子遷移管,進行了離子遷移實驗,并通過和傳統遷移管的實驗對比表明:使用陶瓷封接工藝制備的一體化遷移管環境適應性好、分辨率較高、機械強度高。

離子遷移; 陶瓷焊接; 遷移管; 一體化

Class Number TJ55

1 引言

離子遷移譜技術具有很多優點,如檢測靈敏度高、檢測速度快、便攜,為毒劑和爆炸物檢測領域提供了良好的檢測手段。美國和德國相關的軍用化學毒劑報警器均采用陶瓷金屬封裝的遷移管,具有機械結構強和絕對氣密的特點,有非常高的可靠性和環境適應性。而據筆者了解,我國相關研究單位尚沒有攻克同等技術的一體化遷移管,本文針對遷移管這一部件進行相關研究,利用陶瓷封接技術制備了同等技術的一體化遷移管,與傳統的遷移管進行了對比,具有良好的性能。

離子遷移技術的基本原理為:待測樣品經過離子源電離,形成各種產物帶電離子,再通過周期性開啟的離子門,在反應區形成周期性的離子脈沖,離子脈沖在均勻電場作用下發生遷移,不同種類的離子在電場中遷移率不同,故沿電場方向到達檢測器的時間不同[1～5]。因此,固定遷移管的長度和電場場強,可測量帶電離子的遷移率,通過與遷移率數據庫的比對來判定被檢測物質的種類。

然而在復雜的現場環境下進行的物質檢測實驗中發現,有許多因素制約著檢測的效果,如氣路系統的密閉性、遷移管材料的性質、檢測設備受到的震動及外界的電磁干擾等。遷移管作為離子檢測的核心部件,對檢測的結果有最直接的影響。檢測結果的好壞與遷移管的氣密是否嚴格、材質是否合適,結構是否合理等有關。

傳統遷移管的制備均采用金屬電極與絕緣材料墊片疊加制成,絕緣材料通常選用的是特氟龍等工程塑料,這一方案比較簡單,但是也存在諸多缺陷。尤其是在高溫高濕、煙氣干擾和振動強烈的惡劣環境中,由多個零散部件組合在一起的遷移管無法滿足所需的穩定性和環境適應性。

2 實驗部分

2.1 實驗軟硬件設備

離子遷移技術檢測設備的結構圖如圖1所示。它由六部分組成:氣路循環系統,溫控模塊,門控模塊,信號放大模塊,高壓電源模塊,數據處理及顯示模塊。遷移管作為設備核心組件,各個模塊均直接或間接與其相連,這六個部分圍繞遷移管完成離子遷移測量。

圖1 離子遷移系統圖

2.2 遷移管原理

遷移管是整個系統的核心,是樣品分子離化和離化分子遷移的場所,它主要有兩個區域:離化區和遷移區,由離子門分隔開來,此外還包含幾個部分:三個氣路進出口、電極、輻射源、柵格網和檢測器,其結構如圖2所示。

圖2 遷移管結構示意圖

樣品氣體從進氣口-1送入遷移管,在離化區離化,門控信號控制離子門的開關,離子門打開,樣品離子進入遷移區,在電場作用下,到達檢測器,得到該樣品離子的圖譜,要生成均勻電場,一般是用不銹鋼金屬墊片和絕緣材料墊片交錯排列,再將離子門、輻射源、柵格網、檢測器等嵌入,由此結構制備遷移管,即在相等的距離內施加相等的電勢差,這樣就保證遷移管內部電場恒定。

2.3 陶瓷封接遷移管

陶瓷封接是指陶瓷材料和金屬電極之間的焊接,此技術在國內尚處于發展中階段,受到各行業的關注,陶瓷的主要成分是金屬氧化物,其中氧化鋁瓷具有絕緣性好、硬度高、真空致密等優良特性,被廣泛應用于各個行業[6～9]。目前,95%氧化鋁瓷在陶瓷封接中應用最為廣泛,簡稱95瓷。而金屬封接件采用的是不銹鋼材質,它抗腐蝕能力強,應用廣泛,價格低廉,且具有良好的機械性能。但是陶瓷和不銹鋼焊接具有很多的難題,最主要的困難在于陶瓷和金屬的熱膨脹系數差異很大,和金屬之間的焊接處應力較大,使得焊接過程困難,或者焊接品強度不夠,易斷裂[10～11]。而且,陶瓷材料應用在離子遷移譜儀器中的時候,常規未處理陶瓷材料具有很大的空隙,且表面粗糙,直接使用會導致儀器在對樣品檢測后恢復時間非常長,殘留效應嚴重,因此必須對陶瓷進行封釉處理,使表面光潔。

陶瓷與金屬的封接有多種方法,如激光焊接、燒釉封接、粘合劑封接、燒結金屬粉末封接等,本文采用的是燒結金屬粉末的封接方式。具體封接工藝為:

1) 制作模具,加工所需的陶瓷件,再對陶瓷件進行研磨、消洗、素燒和內表面燒釉處理;

2) 制備金屬粉末,金屬粉末的配方對封接的質量有較大影響,將金屬粉末制成膏狀;

3) 將膏狀焊料涂抹在待金屬化的陶瓷表面;

4) 高溫燒結,使得焊料固化在陶瓷表面;

5) 在陶瓷金屬化層的表面電鍍一層金屬Ni;

6) 再將陶瓷件放置于900℃環境燒結20min左右,至此完成陶瓷零件表面的金屬化;

7) 將金屬化的陶瓷與金屬件裝夾,焊接面涂抹液態焊料,由于遷移管內部離子遷移通道的結構比較重要,選擇陶瓷片與金屬電極之間的對準采用內腔對準的方式;

8) 將陶瓷件與金屬件封接,完成封接產品的制作。

實驗中選用95瓷與304不銹鋼進行封接,封接產品實物如圖3所示。

圖3 陶瓷與金屬封接零件實物圖

在制備出陶瓷金屬封接產品后,還需對其各種性能做些表征,如真空氣密性、焊接強度、熱沖擊性能、耐壓值、絕緣電阻等指標。

· 真空氣密性

將零件兩端用密封件堵住,抽出內部空氣,并連續測量零件內部氣壓,結合零件腔內體積,算出零件漏氣速率小于2×10-11Pa*M3/s;同時,傳統方案使用特氟龍墊片與金屬電極制備的遷移管做相同的氣密試驗,抽氣后內部氣壓下降至0.05MPa之后,氣壓無法繼續下降,表明傳統的結構無法達到絕對氣密。

· 焊接強度

將焊接零件置于振動平臺上,設定加速度為3g,持續8h,焊接件外形無明顯形變,且實驗結束后,使用其得到離子遷移譜圖無明顯改變;做拉伸強度試驗[12～13],得到平均抗拉強度大于80MPa;而相同試驗條件和試驗方法,傳統遷移管的抗震、抗拉強度明顯不足,有較為明顯的變形,得到的離子遷移譜圖失真。

· 熱沖擊性能

將焊接件放入高低溫試驗箱,以2℃/min的速率加熱到800℃,再以2℃/min降到室溫,連續5次,測試焊接件不裂不漏;傳統的特氟龍墊片有較低的熱變形溫度,且在溫度達到400℃以后會燃燒分解。

· 耐壓值及絕緣電阻

由于金屬電極之間要加高壓,故需檢測電極之間的耐壓值和等效電阻,經測試,采用5mm厚的陶瓷片,等效絕緣電阻達到5×1011Ω,耐壓值大于6000V,完全能夠滿足制備遷移管的電學性能要求。

3 實驗結果

利用基于陶瓷封接技術制備的遷移管對各種化學毒劑模擬物[14～18]進行測定,在載氣200mL/min的氣流條件下,各個模擬物均能被有效識別和檢測,且能夠對正負離子同時檢測。

測定的化學毒劑模擬物有:2,4二甲基吡啶、氨、脫甲基膦酸甲酯、乙二醇二甲醚和磷酸三乙酯,通過濃度發生器,制備出所需濃度、濕度的樣氣,通入陶瓷遷移管進行檢測,得到實時測量數據,繪制成以下幅值-時間數據圖。

圖4 各物質檢測數據圖

此次檢測,遷移管電壓為4000V,氣流量為200mL/min,試驗溫度為室溫,從圖譜中可以看出,使用陶瓷封接制作的遷移管檢測得到的波形峰寬較窄,上升沿和下降沿陡峭,幅值較大,離子遷移譜的分辨率公式[19]為

R=t/Wh

t為圖譜中出現極大值所對應的時間;Wh為峰高一半所對應的時間寬度。

經過計算,各個檢測物質的分辨率均大于40,分辨率較高,能夠輕易實現對待測物質的識別和檢測。

為應對惡劣使用環境,筆者做了高溫高濕條件下遷移管的檢測實驗。實驗數據表明,在溫度為70℃,相對濕度為95%時,一體化遷移管實驗數據正常,波形易分辨;同等條件下,傳統遷移管檢測波形明顯失真,無法判定待測物質。

4 實驗分析

4.1 遷移管的密封性

由于遷移管檢測非常靈敏,如有污染物進入遷移管,會影響最終的檢測結果,可能出現多個峰,抑或將目標波峰掩蓋,而得到錯誤結果,故遷移管,乃至整個設備的氣路密封性顯得尤為重要,傳統遷移管是由眾多電極、墊片以及其他零部件交錯疊加組成的,非常容易漏氣,而陶瓷封接的方式將墊片與電極直接焊接成一個整體,大大減小了漏氣的可能性,保證檢測的正確性。

4.2 遷移管的潔凈度

離子遷移的靈敏性導致離子遷移技術對潔凈度要求很高,故需保證整個遷移管內部潔凈,且與外部環境隔離,以免雜質不斷滲入。因此從單個零件的清潔,到組裝過程都必須按照清潔標準嚴格執行,減少污染物引入的可能性。而使用陶瓷封接技術制備的遷移管大大降低了遷移管組裝引入雜質的可能性,陶瓷封接遷移管氣路通道燒釉,表面光潔,不易附著雜質,且零部件作為一個整體,方便清潔。

4.3 機械穩定性

在有強烈震動的環境,由多個墊片和電極組合而成的遷移管容易發生位移,而離子遷移時間和遷移距離之間有非常嚴格的對應關系,因此傳統遷移管的測量結果隨著使用時間存在較大的漂移。而一體化陶瓷遷移管由于是焊接熱加工之后一體成型,本身整體是一個部件,而且通過測試具有非常高的機械強度,因此遷移管對機械振動不敏感,具有很高的穩定性。

4.4 小型化

一體化遷移管通過熱加工成型,具有可以小型化的優勢,其尺寸可以縮小到一支鋼筆的大小,而傳統部件組合形成的遷移管隨著小型化,組裝難度不斷加大,無法做到同等的小型化程度[20]。因此,一體化遷移管的制備工藝也是離子遷移譜儀器小型化中的一項關鍵基礎技術。

5 結語

本文介紹了陶瓷遷移管的加工制備工藝,生產一體化陶瓷遷移管,并用化學模擬毒劑的檢測。實驗結果表明,對比傳統遷移管的測量數據,使用一體化陶瓷遷移管做離子遷移實驗,實驗數據更加穩定,峰形更易識別,即能更好完成對各種試劑的檢測和識別。文章的最后也對數據的準確性予以分析,并指明一體化陶瓷遷移管的優勢和前景。隨著離子遷移技術的深入研究和應用,我國的衡量檢測和防化能力必將提升至新的水平。

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Application of Integrated Ceramic Drift Tube in Ion Mobility Spectrometry

KANG Ze YOU Xingzhi TAN Xuhui

(No. 710 Research Institute, CSIC, Yichang 443003)

This article reviews the principles of ion mobility spectrometry and metal-to-ceramic sealing technology. An integrated ceramic drift tube has been prepared to compare with a traditional stack-ring drift tube. The results prove that the integrated drift tube is more robust, shows higher resolution and higher strength.

ion mobility, ceramic-to-Metal, drift tube, integrated

2015年2月7日,

2015年3月17日

康澤,男,碩士,助理工程師,研究方向:離子遷移設備的研發及機械結構設計。尤興志,男,博士,工程師,研究方向:化學分析及衡量檢測。譚旭暉,男,碩士,助理工程師,研究方向:充實機械結構設計。

TJ55

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.040