一体化陶瓷迁移管在离子迁移谱中的应用*

康 泽 尤兴志 谭旭晖

(中船重工第七一〇研究所 宜昌 443003)



一体化陶瓷迁移管在离子迁移谱中的应用*

康 泽 尤兴志 谭旭晖

(中船重工第七一〇研究所 宜昌 443003)

离子迁移管的材料和制备工艺对离子迁移率、环境适应性和稳定性有很大的影响。论文综述了离子迁移技术和陶瓷封接技术,应用陶瓷封接技术加工制备了一体化离子迁移管,进行了离子迁移实验,并通过和传统迁移管的实验对比表明:使用陶瓷封接工艺制备的一体化迁移管环境适应性好、分辨率较高、机械强度高。

离子迁移; 陶瓷焊接; 迁移管; 一体化

Class Number TJ55

1 引言

离子迁移谱技术具有很多优点,如检测灵敏度高、检测速度快、便携,为毒剂和爆炸物检测领域提供了良好的检测手段。美国和德国相关的军用化学毒剂报警器均采用陶瓷金属封装的迁移管,具有机械结构强和绝对气密的特点,有非常高的可靠性和环境适应性。而据笔者了解,我国相关研究单位尚没有攻克同等技术的一体化迁移管,本文针对迁移管这一部件进行相关研究,利用陶瓷封接技术制备了同等技术的一体化迁移管,与传统的迁移管进行了对比,具有良好的性能。

离子迁移技术的基本原理为:待测样品经过离子源电离,形成各种产物带电离子,再通过周期性开启的离子门,在反应区形成周期性的离子脉冲,离子脉冲在均匀电场作用下发生迁移,不同种类的离子在电场中迁移率不同,故沿电场方向到达检测器的时间不同[1～5]。因此,固定迁移管的长度和电场场强,可测量带电离子的迁移率,通过与迁移率数据库的比对来判定被检测物质的种类。

然而在复杂的现场环境下进行的物质检测实验中发现,有许多因素制约着检测的效果,如气路系统的密闭性、迁移管材料的性质、检测设备受到的震动及外界的电磁干扰等。迁移管作为离子检测的核心部件,对检测的结果有最直接的影响。检测结果的好坏与迁移管的气密是否严格、材质是否合适,结构是否合理等有关。

传统迁移管的制备均采用金属电极与绝缘材料垫片叠加制成,绝缘材料通常选用的是特氟龙等工程塑料,这一方案比较简单,但是也存在诸多缺陷。尤其是在高温高湿、烟气干扰和振动强烈的恶劣环境中,由多个零散部件组合在一起的迁移管无法满足所需的稳定性和环境适应性。

2 实验部分

2.1 实验软硬件设备

离子迁移技术检测设备的结构图如图1所示。它由六部分组成:气路循环系统,温控模块,门控模块,信号放大模块,高压电源模块,数据处理及显示模块。迁移管作为设备核心组件,各个模块均直接或间接与其相连,这六个部分围绕迁移管完成离子迁移测量。

图1 离子迁移系统图

2.2 迁移管原理

迁移管是整个系统的核心,是样品分子离化和离化分子迁移的场所,它主要有两个区域:离化区和迁移区,由离子门分隔开来,此外还包含几个部分:三个气路进出口、电极、辐射源、栅格网和检测器,其结构如图2所示。

图2 迁移管结构示意图

样品气体从进气口-1送入迁移管,在离化区离化,门控信号控制离子门的开关,离子门打开,样品离子进入迁移区,在电场作用下,到达检测器,得到该样品离子的图谱,要生成均匀电场,一般是用不锈钢金属垫片和绝缘材料垫片交错排列,再将离子门、辐射源、栅格网、检测器等嵌入,由此结构制备迁移管,即在相等的距离内施加相等的电势差,这样就保证迁移管内部电场恒定。

2.3 陶瓷封接迁移管

陶瓷封接是指陶瓷材料和金属电极之间的焊接,此技术在国内尚处于发展中阶段,受到各行业的关注,陶瓷的主要成分是金属氧化物,其中氧化铝瓷具有绝缘性好、硬度高、真空致密等优良特性,被广泛应用于各个行业[6～9]。目前,95%氧化铝瓷在陶瓷封接中应用最为广泛,简称95瓷。而金属封接件采用的是不锈钢材质,它抗腐蚀能力强,应用广泛,价格低廉,且具有良好的机械性能。但是陶瓷和不锈钢焊接具有很多的难题,最主要的困难在于陶瓷和金属的热膨胀系数差异很大,和金属之间的焊接处应力较大,使得焊接过程困难,或者焊接品强度不够,易断裂[10～11]。而且,陶瓷材料应用在离子迁移谱仪器中的时候,常规未处理陶瓷材料具有很大的空隙,且表面粗糙,直接使用会导致仪器在对样品检测后恢复时间非常长,残留效应严重,因此必须对陶瓷进行封釉处理,使表面光洁。

陶瓷与金属的封接有多种方法,如激光焊接、烧釉封接、粘合剂封接、烧结金属粉末封接等,本文采用的是烧结金属粉末的封接方式。具体封接工艺为:

1) 制作模具,加工所需的陶瓷件,再对陶瓷件进行研磨、消洗、素烧和内表面烧釉处理;

2) 制备金属粉末,金属粉末的配方对封接的质量有较大影响,将金属粉末制成膏状;

3) 将膏状焊料涂抹在待金属化的陶瓷表面;

4) 高温烧结,使得焊料固化在陶瓷表面;

5) 在陶瓷金属化层的表面电镀一层金属Ni;

6) 再将陶瓷件放置于900℃环境烧结20min左右,至此完成陶瓷零件表面的金属化;

7) 将金属化的陶瓷与金属件装夹,焊接面涂抹液态焊料,由于迁移管内部离子迁移通道的结构比较重要,选择陶瓷片与金属电极之间的对准采用内腔对准的方式;

8) 将陶瓷件与金属件封接,完成封接产品的制作。

实验中选用95瓷与304不锈钢进行封接,封接产品实物如图3所示。

图3 陶瓷与金属封接零件实物图

在制备出陶瓷金属封接产品后,还需对其各种性能做些表征,如真空气密性、焊接强度、热冲击性能、耐压值、绝缘电阻等指标。

· 真空气密性

将零件两端用密封件堵住,抽出内部空气,并连续测量零件内部气压,结合零件腔内体积,算出零件漏气速率小于2×10-11Pa*M3/s;同时,传统方案使用特氟龙垫片与金属电极制备的迁移管做相同的气密试验,抽气后内部气压下降至0.05MPa之后,气压无法继续下降,表明传统的结构无法达到绝对气密。

· 焊接强度

将焊接零件置于振动平台上,设定加速度为3g,持续8h,焊接件外形无明显形变,且实验结束后,使用其得到离子迁移谱图无明显改变;做拉伸强度试验[12～13],得到平均抗拉强度大于80MPa;而相同试验条件和试验方法,传统迁移管的抗震、抗拉强度明显不足,有较为明显的变形,得到的离子迁移谱图失真。

· 热冲击性能

将焊接件放入高低温试验箱,以2℃/min的速率加热到800℃,再以2℃/min降到室温,连续5次,测试焊接件不裂不漏;传统的特氟龙垫片有较低的热变形温度,且在温度达到400℃以后会燃烧分解。

· 耐压值及绝缘电阻

由于金属电极之间要加高压,故需检测电极之间的耐压值和等效电阻,经测试,采用5mm厚的陶瓷片,等效绝缘电阻达到5×1011Ω,耐压值大于6000V,完全能够满足制备迁移管的电学性能要求。

3 实验结果

利用基于陶瓷封接技术制备的迁移管对各种化学毒剂模拟物[14～18]进行测定,在载气200mL/min的气流条件下,各个模拟物均能被有效识别和检测,且能够对正负离子同时检测。

测定的化学毒剂模拟物有:2,4二甲基吡啶、氨、脱甲基膦酸甲酯、乙二醇二甲醚和磷酸三乙酯,通过浓度发生器,制备出所需浓度、湿度的样气,通入陶瓷迁移管进行检测,得到实时测量数据,绘制成以下幅值-时间数据图。

图4 各物质检测数据图

此次检测,迁移管电压为4000V,气流量为200mL/min,试验温度为室温,从图谱中可以看出,使用陶瓷封接制作的迁移管检测得到的波形峰宽较窄,上升沿和下降沿陡峭,幅值较大,离子迁移谱的分辨率公式[19]为

R=t/Wh

t为图谱中出现极大值所对应的时间;Wh为峰高一半所对应的时间宽度。

经过计算,各个检测物质的分辨率均大于40,分辨率较高,能够轻易实现对待测物质的识别和检测。

为应对恶劣使用环境,笔者做了高温高湿条件下迁移管的检测实验。实验数据表明,在温度为70℃,相对湿度为95%时,一体化迁移管实验数据正常,波形易分辨;同等条件下,传统迁移管检测波形明显失真,无法判定待测物质。

4 实验分析

4.1 迁移管的密封性

由于迁移管检测非常灵敏,如有污染物进入迁移管,会影响最终的检测结果,可能出现多个峰,抑或将目标波峰掩盖,而得到错误结果,故迁移管,乃至整个设备的气路密封性显得尤为重要,传统迁移管是由众多电极、垫片以及其他零部件交错叠加组成的,非常容易漏气,而陶瓷封接的方式将垫片与电极直接焊接成一个整体,大大减小了漏气的可能性,保证检测的正确性。

4.2 迁移管的洁净度

离子迁移的灵敏性导致离子迁移技术对洁净度要求很高,故需保证整个迁移管内部洁净,且与外部环境隔离,以免杂质不断渗入。因此从单个零件的清洁,到组装过程都必须按照清洁标准严格执行,减少污染物引入的可能性。而使用陶瓷封接技术制备的迁移管大大降低了迁移管组装引入杂质的可能性,陶瓷封接迁移管气路通道烧釉,表面光洁,不易附着杂质,且零部件作为一个整体,方便清洁。

4.3 机械稳定性

在有强烈震动的环境,由多个垫片和电极组合而成的迁移管容易发生位移,而离子迁移时间和迁移距离之间有非常严格的对应关系,因此传统迁移管的测量结果随着使用时间存在较大的漂移。而一体化陶瓷迁移管由于是焊接热加工之后一体成型,本身整体是一个部件,而且通过测试具有非常高的机械强度,因此迁移管对机械振动不敏感,具有很高的稳定性。

4.4 小型化

一体化迁移管通过热加工成型,具有可以小型化的优势,其尺寸可以缩小到一支钢笔的大小,而传统部件组合形成的迁移管随着小型化,组装难度不断加大,无法做到同等的小型化程度[20]。因此,一体化迁移管的制备工艺也是离子迁移谱仪器小型化中的一项关键基础技术。

5 结语

本文介绍了陶瓷迁移管的加工制备工艺,生产一体化陶瓷迁移管,并用化学模拟毒剂的检测。实验结果表明,对比传统迁移管的测量数据,使用一体化陶瓷迁移管做离子迁移实验,实验数据更加稳定,峰形更易识别,即能更好完成对各种试剂的检测和识别。文章的最后也对数据的准确性予以分析,并指明一体化陶瓷迁移管的优势和前景。随着离子迁移技术的深入研究和应用,我国的衡量检测和防化能力必将提升至新的水平。

[1] Eiceman G A, Karpas Z. Ion Mobility Spectrometry[J]. Ion Mobility Spectrometry,1993,62(1):65-70(6).

[2] Borsdorf H, Eiceman G. Ion Mobility Spectrometry: Principles and Applications[J]. Applied Spectroscopy Reviews,2006,41(4):323-375(53).

[3] Armenta S, Alcala M, Blanco M. A review of recent, unconventional applications of ion mobility spectrometry(IMS)[J]. Analytica Chimica Acta,2011,703(2):114-123.

[4] 邵士勇,等.离子迁移谱仪的研究进展[J].现代科学仪器,2004(4):9-12.

[5] 许峰,王海龙,关亚风.离子迁移谱研究进展[J].化学进展,2005(3):514-522.

[6] 钱耀川,丁华东,傅苏黎.陶瓷-金属焊接的方法与技术[J].材料导报,2005,19(11):98-100,104.

[7] 高陇桥.21世纪陶瓷-金属封接技术展望(上)[J].真空电子技术,2001(6):11-16.

[8] 高陇桥.21世纪陶瓷-金属封接技术展望(下)[J].真空电子技术,2002(1):26-31.

[9] 李华平,杜大明,赵世坤.陶瓷的封接技术及研究进展[J].佛山陶瓷,2004,14(6):39-41.

[10] 李淑华,等.陶瓷与不锈钢的焊接[J].机械工程材料,2001,25(5):29-31.

[11] 刘颖,等.不锈钢-陶瓷在真空中的封接[J].真空电子技术,2012(3):61-63.

[12] 程文琴.陶瓷-金属封接抗拉强度的测试应用[J].陶瓷科学与艺术,2006(2):4-6.

[13] 马纲,李啸琳.金属-陶瓷封接应力分析及应用[J].江苏广播电视大学学报,2001,12(3):38-40.

[14] 武波涛,刘清山.离子迁移谱技术在化学战剂监测仪器上的应用研究[J].舰船科学技术,2001(3):40-43.

[15] 李海洋,王卫国,张骧.离子迁移谱及其在毒剂检测方面应用进展[C]//全国危险物质与安全应急技术研讨会2011:中国重庆,2011:8.

[16] 王学峰,叶伟,彭凤武.离子迁移谱技术及其在化学战剂侦检中的应用[J].化学分析计量,2007,16(4):76-79.

[17] 陈新华,姚琏,李安林,等.离子迁移谱的智能识别法及应用于易制毒化学品稽查[J].计算机与应用化学,2007,24(09):1145-1148.

[18] 肖存杰.外军化学战剂检测装备现况[J].解放军预防医学杂志,2008,26(3):230-233.

[19] 李金香,王兴军,武波涛.离子迁移谱分辨力分析[J].舰船科学技术,2010,32(12):42-45.

[20] 吴轶轩,陈勇.IMS便携式爆炸物探测设备的研发[J].中国科技成果,2011,12(8):60-61.

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

康泽,男,硕士,助理工程师,研究方向:离子迁移设备的研发及机械结构设计。尤兴志,男,博士,工程师,研究方向:化学分析及衡量检测。谭旭晖,男,硕士,助理工程师,研究方向:充实机械结构设计。

TJ55

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.040