Master's Thesis

Permeation of helium and hydrogen through sealing materials

Final Thesis 4.45 MB

Author of thesis: Ing. Ondřej Studnička

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Ladislav Šnajdárek, Ph.D.

Reviewer: Ing. Miroslav Skácel

Abstract:

This master’s thesis investigates helium and hydrogen permeation through sealing
materials used in vacuum, pressure, and hydrogen systems. The theoretical section describes
leak detection principles, the physical nature of permeation, and key differences between real
leaks and permeation in polymers, elastomers, and metals.
The experimental part focuses on designing a measuring apparatus and determining gas
transport using a helium leak detector. Tested materials included PTFE samples (including
metal-coated ones), carbon-based materials, EPDM, and metals. The study also evaluates the
effect of thin metallic layers, prepared via vacuum evaporation, on reducing helium permeation.
The measured results demonstrated that gas permeation is highly dependent on the
material type, sample thickness, and surface treatment quality. For some coated samples, a clear
decrease in helium transport was not observed, indicating that the mere presence of a metallic
layer does not automatically guarantee improved barrier properties. Factors such as layer
continuity, adhesion to the substrate, and potential defects formed during deposition likely play a significant role.

Keywords:

permeation, helium, hydrogen, sealing materials, PTFE, EPDM, leak detection, vacuum evaporation

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student odprezentoval obsah své diplomové práce. Otázky oponenta byly zodpovězeny. V průběhu obhajoby byly položeny tyto doplňující otázky: Jak byly v práci uvažovány reálné netěsnosti a permeabilita? Detailnější vysvětlení nelineární závislosti leak ratu na tlaku a zdůvodnění tohoto jevu. Byla měřena závislost na teplotě a jaká reakce se očekává? Je průnik přes stěnu reálně utěsnitelný?

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Energy Institute

Study programme

Power and Thermo-fluid Engineering (N-ETI-P)

Specialization

Power Engineering (ENI)

Composition of Committee

prof. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D. (předseda)
Ing. Petr Kracík, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Ladislav Šnajdárek, Ph.D. (člen)
Ing. Pavel Skoupý (člen)
Ing. Milan Kořista, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Škorpík, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Ladislav Šnajdárek, Ph.D.

Diplomant zpracovával téma permeace helia a vodíku přes těsnicí materiály, která byla rozdělena na rešeršní a experimentální část. Rešeršní část je zpracována s ohledem na popis fyzikálních principů pronikání plynů přes elastické a kovové materiály. Stěžejní část tvoří vytvoření experimentálního postupu stanovení jednotlivých parametrů průniku plynů zejména pro eleastické materiály. Diplomant sestavil experimentální aparaturu a sledoval kromě porovnávání jednotlivých materiálů i vliv pokovení PTFE vzorku pomocí Cu a NiCr vrstev na výslednou permeaci. Diplomant přistupoval ke své práci soběstačně s vlastní iniciativou a vytvořil také metodiku zpracování dat nad rámec zadání. Samotný text práce obsahuje několik stylistických nepřesností a překlepů. Práce je však obsáhlá a komplexní, a tudíž ji doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level C
Work with used sources including quotations C
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Miroslav Skácel

Diplomová práce se zabývá aktuálním a technicky zajímavým tématem permeace helia a vodíku přes těsnicí materiály. Student v práci zpracoval poměrně širokou rešeršní část, navrhl a realizoval vlastní měřicí aparaturu a provedl experimentální měření několika typů materiálů, včetně PTFE, pokovených vzorků, uhlíkových materiálů, EPDM a dalších kovů. Za přínosné považuji zejména praktické sestavení měřicí trati, vytvoření vyhodnocovacího postupu a snahu kriticky posoudit omezení použité metody. Výsledky jsou využitelné především jako srovnávací data pro danou aparaturu a jako podklad pro další vývoj metodiky měření.
Slabší stránkou práce je formální a stylistická úroveň textu. V práci se objevují překlepy, neobratné formulace, nejednotné popisky a místy méně přesné zacházení s citacemi. Z metodického hlediska by bylo vhodné lépe rozpracovat nejistoty měření, reprodukovatelnost výsledků a validaci aparatury, zejména u vzorků s velmi nízkým signálem. Měření s vodíkem je spíše orientační, zatímco podrobněji je v práci zpracováno měření helia. Celkově student prokázal velmi dobrou schopnost samostatné technické práce, návrhu experimentu i věcné a kritické interpretace dosažených výsledků. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji stupněm B - velmi dobře.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory C
Logical arrangement of thesis and its layout C
Grafic layout, used style and language level D
Work with used sources including quotations B
Topics for thesis defence:
  1. Používáte veličiny označené jako zdánlivá permeabilita, zdánlivá difuzivita a zdánlivá rozpustnost. Co přesně znamená slovo „zdánlivá“ v kontextu vaší aparatury a jaké vlivy jsou v těchto hodnotách zahrnuty?
  2. U pokovených PTFE vzorků nebyl jednoznačně prokázán bariérový účinek NiCr ani neoxidované měděné vrstvy. Jaké fyzikální nebo technologické příčiny podle vás mohly způsobit, že kovová vrstva permeaci výrazně nesnížila?
  3. Jaký vliv měla teplota na měření a jak by se podle vás změnily výsledky, pokud by aparatura umožňovala přesně řízené měření při více teplotách?
  4. Kdybyste měl v práci pokračovat, jaké tři konkrétní úpravy metodiky nebo aparatury byste provedl jako první, aby byly výsledky přesnější a lépe použitelné pro technickou praxi?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová