+7 (495) 664 22 07 baza@vacuumpro.ru

Конструкционные материалы вакуумных систем

Газовая нагрузка в вакуумной системе сильно зависит от вакуумных материалов, используемых для создания системы, а также от их подготовки и поддержания эксплуатационных свойств. Вакуумные материалы увеличивают газовую нагрузку двумя способами: 1) испарение, сорбция и газовыделение;
2) диффузия и проницаемость.

Испарение, адсорбция, абсорбция (поглощение) и газовыделение

Испарение

Давление пара можно определить как давление, при котором испарение материала или скорость сублимации (возгонки) равняется его скорости конденсации. Если вы откачиваете систему ниже давления пара материала, материал сублимируется или испаряется. Как правило, давление пара увеличивается при увеличении температуры. При данной температуре и давлении, скорость сублимации или испарения можно прогнозировать подавлению пара, используя термодинамическую теорию [1].

Желательно использовать материалы и компоненты вакуумных систем с низким давлением пара, например, коррозионно- стойкую сталь, стекло и полиимид. Отдельные характеристики различных материалов представлены в табл. 1-4. Эти данные можно использовать при выборе металлов, сплавов и некоторых составов и соединений.

Таблица 1. Некоторые характеристики полимерных материалов

Материал

Стоимость

Максимальная рабочая температура

Изготовление

Скорость газовыделения (20-25 "С)

Давление пара при комнатной температуре

Примечания

Силиконовый каучук

Средняя

150°С

Относительно простое

 10-7

при откачке в течение 4 часов

 

Избегать составы с уксусной кислотой и уксусными ангидридами.

Высокая теплопроводность (для полимера).

ПолитетрафторЭтилен(Тефлон®)

Средняя

150-200°С

Простое

 -

КН-КИТ

Химически инертный.

Низкий коэффициент трения.

Полезный диэлектрик.

Давление пара зависит от предшествующего нагревания

АПИЕЗОН W

Средняя

80°С

Простое

-

<10"7т

Хрупкий, легко ломается

Лак Глиптал Glyptal®

Низкая

80"С

Простое

-

2 - 1 0 ;4 Т

Стандарт, проверенный временем

Полиимид

Средняя

150 - 200“С

Простое

5*10-8

при откачке в течение 4 часов

 

Свойствазависятотпредшествующегона­гревания - выделение газа сравнимо с корозионностойкой сталью < 200 °С.

Полезныйдиэлектри­ческий клей.

Поглощает 2-3%воды.

Пол и метил Метакрилат

( РММА - Ассоциация изготовителей пластмасс,Люсит, Плексиглас®)

Низ­кая

80°С

Про­стое

 120*10-8

при откачке в течение 3 часов

 

Выделяет воду.

Поливинилхлорид

(жесткий)

( П В Х )

Низкая

80°С

Простое

 40*10-8

при откачке в течение 3 часов

 

Требует совместимых с вакуумом клеев.

Освобождает воду от газа.

Таблица 2. Некоторые характеристики керамики

Материал Стоимость Максимальная рабочая температура Изготовление Температура при V.P.=10-6 мм. рт. ст. Примечания

SiO2

Кремнезем

Стекло

Кварц

Al2O3

Глинозем

Альфа фаза (сапфир или корунд)

 

Низкая-средня

  

 

 

 

 

Высокая

 

 

500 С(Натриевое стекло) 

 

 

1600(кварц)

  

 

2000 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

Выдерживает тепловой удар. Хороший тепловой проводник (для керамики). Твердый химически инертный, прозрачный.

Анодная окись

(гамма-фаза)

Средняя 200 - ~1100

Пористый материал - выделяет захваченную воду и т.д.

Свойства изменяются в зависимости от процесса образования.

ZrO2

Диоксид циркония

BeO

Окись берилла 

Средняя

 

Средняя

2700

 

2700

-

~1100

 

~1350

 

 

ядовита в пылеобразном виде

 

Адсорбция, абсорбция (поглощение) и газовыделение

Адсорбцию можно определить как конденсацию тонких мономолекулярных пленок на твердой поверхности. Абсорбция (поглощение) - это конденсация, при которой молекулы конденсата проникают вглубь твердого вещества. Газовыделение происходит, когда адсорбированные или абсорбированные вещества испаряются по мере откачки и/или нагревания вакуумной системы при высоком давлении пара. Иногда твердое вещество, жидкость или пленки газа высокого давления пара химически «приклеиваются» к поверхности (хемосорбция). Если это происходит, то скорость действия до режима высокого вакуума и ниже может значительно замедляться по мере того, как пленка медленно отделяется от своего субстрата.

Вода, легко химически сорбирующаяся на большинство металлических и керамических поверхностей, когда элементы вакуумной системы находятся под действием лабораторного воздуха, является особенно вездесущим и постоянно поглощаемым веществом. Вода представляет собой особую проблему, когда в ней происходит газовыделение, потому что низкие значения парциального давления воды в значительной степени мешают многим процессам и измерениям, выполняемым в практических вакуумных системах. Проблему можно уменьшить благодаря вентилированию системы с помощью сухого азота для покрытия поверхностей газом, который сорбируется не так прочно, как хемосорбированная вода во время откачки.

С помощью гладких, непористых, относительно химически инертных материалов, которые легко поддаются очистке, а также применяя соответствующие приемы очистки, можно уменьшить газовую нагрузку, вызываемую газовыделением. Работоспособность материала зависит не только от внутренне присущих материалу свойств, но также от того, насколько хорошо он очищен (см. подраздел 4.9). В зависимости оттого, требуется ли средний, высокий или сверхвысокий вакуум, могут использоваться более агрессивные процедуры очистки и содержания систем для удаления загрязняющих веществ высокого давления пара. (Инструменты, а также руки в перчатках, соприкасающиеся с вакуумными материалами, тоже должны быть чистыми.)

Таблица 3. Некоторые характеристики металлов

Материал

Стоимость

Максимальная рабочая температура

Изготовлени

Температура, где 

V.P. = 10-6 Ta

 

Примечания

Алюминий

Низкая

660°с

Средняя сложность

812 °С

Металл мягкий и пластичный - является более полезным в качестве сплава

Кадмий

Низкая

320 'С

Простое

119 °С

Ядовитый, легирующий компо­нент - не подходит для вакуум­ных систем

Хром

Средняя

-1850°С

Трудное

977 "С

Твердый, хрупкий, инертный

Медь

Средняя

1083 °С

Средняя сложность

852 "С

 

Золото

Высокая

1064 "С

Простое

947 “С

Инертный, мягкий, хороший про­ кладочный материал, хорошая трибологическая пара с твердыми поверхностями

Железо (чугун)1

Низкая

1535 °С

Средняя сложность

1032 "С

Отличный проводник тепла при низких температурах

Свинец

Низкая

328 “С

Средняя сложность

429 °С

Ядовитые оксиды, пыль

Магний

Средняя

649 °С

Средняя сложность

246 °С

Используется в алюминиевых сплавах

Пыль пожароопасна

Молиб­ ден1

Средняя

2610‘С

Средняя сложность

1822°С

Мягкий и пластичный

Никель

Низкая

1455 “С

Средняя сложность

1072 °С

Деталь легко затвердевает

Рений

Высокая

2180°С

Средняя сложность

2217 “С

 

Серебро

Средняя

962 “С

Средняя сложность

685 “С

Хорошая трибологическая пара с твердыми поверхностями

Остерегаться химических реакций

Танталий

Средняя

2996 ”С

Средняя сложность

2237 °С

 

Олово3

Низкая

232 °С

Средняя сложность

807 °С

Мягкий - хороший низкотемпературный прокладочный материал

Титан

Средняя

-1660’С

Трудное

1227 °С

Твердый

Вольфрам

Средняя

3410°С

Т рудное

2407 “С

Хрупкий Остерегаться оксидов

Цинк

Низкая

420 °С

Легкое

177 °С

Не подходит для высокого вакуума

Таблица 4. Некоторые характеристики прочих материалов, часто используемых в качестве легирующих элементов

Материал

Стоимость

Максимальная рабочая температура

Изготовление

Температура, где

V.P. = 10-6Ta

Примечания

Углерод

Графит - низкая Алмаз - высокая

 

-

Графит  легкое Алмаз - трудное

1860°С

Алмаз при -1200 "С превращается в графит Углерод сублимируется

Фосфор

 

 

 

88 “С

Легирующий элемент

Не подходит для вакуум­ ных систем

Кремний

Средняя

1410 “С

Требует специаль­ных             1147°С

             приемов

 

Растворимость, проницаемость и диффузия

Растворимость, диффузия и проницаемость определяются физико-химическими свойствами материала, размером кристаллической решетки и микроструктурой. Газы и некоторые другие вещества высокого давления пара легко растворяются во многих твердых веществах. Если эти материалы используются в вакуумной системе, растворенные вещества высокого давления пара могут диффундировать к поверхности и увеличивать газовую нагрузку. Если эти материалы используются для изготовления вакуумной камеры, растворимые газы могут проникать через стенки и увеличивать газовую нагрузку [2]. Например, большие количества водорода могут растворяться в палладии, платине и никеле. Значительные количества водорода могут диффундировать из вакуумного зажимного приспособления, изготовленного из сырья, содержащего растворенный водород. Аналогичным образом значительные количества гелия могут пропускаться через стекло и стеклянный кварц. Вода и воздух проникают через большее количество полимеров.

Скорости проницаемости и диффузии увеличиваются в зависимости от температуры. Проницаемость увеличивается при уменьшении толщины камеры. Законы Флика прогнозируют, как скорости диффузии и проницаемости материала изменяются в зависимости от перепадов давления, температуры и толщины стенки (3).

Пористые материалы с открытыми ячейками, в частности такие, как металлическое литье, а также горячепрессованная или спеченная керамика, позволяют газу проникать в вакуум, хотя это не проницаемость в том смысле, в котором это слово обычно понимается вакуумными технологами.

Группа РОСВАКУУМ

Адрес: 107023 Россия, г. Москва, Электрозаводская улица, 21

Часы работы офиса: с 9:00 до 18:00 по Москве.

 

Телефон: +7 (495) 664-22-07

E-mail: baza@vacuumpro.ru

 

Чтобы заказать бесплатный подбор оборудования, отправить заявку, запрос или получить консультацию инженеров - свяжитесь с нами по телефону или E-mail.

В базе 310 производителей и поставщиков вакуумного оборудования и техники (РФ, СНГ и зарубежные компании). Цены, наличие на складах и технические характеристики оборудования и техники уточняйте только по электронной почте E-mail.