气相氢渗透装置如图所示。试样两侧是互不相通的两个高真空室，氢源提供压力恒定的氢气（在氢气喷嘴前设置钯片可提高氢气纯净度）。当氢扩散至试样右侧，氢原子可在试样右侧解吸附后结合成氢分子进入集氢室，测氢仪可实时监测氢渗透通量J（它代表单位时间内通过单位面积的氢原子质量）。该方法还可以检测不同温度下的涂层阻氢渗透性能。气相氢渗透实验过程中，集气室中存在的氢分子会影响质谱仪对渗透氢的检测，导致检测结果存在偏差。因此，气相氢渗透法多采用氢的同位素分子作为气源，采用氘气作为气源。相比于电化学氢渗透法，气相氢渗透法装置较复杂，安装步骤繁琐，价格高昂。但电化学氢渗透法中含有电解液，不可在高温下（高于120℃）进行实验。然而，气相氢渗透法能够测试常温下扩散系数较低的材料，且测氢仪可直接得到氢在材料中的渗透通量J，再通过代数式计算得到渗透率P。应注意的是：在高温环境下实验时，应尽量将温度控制在材料回火温度以下，避免材料组织结构发生变化。
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