Материалы для использования в вакууме представляет собой материалы , которые показывают очень низкие скорости дегазации в вакууме и, где это применимо, терпимы к пекарским из температур. Требования становятся все более жесткими по мере достижения желаемой степени вакуума в вакуумной камере . Материалы могут производить газ с помощью нескольких механизмов. Молекулы газов и воды могут адсорбироваться на поверхности материала (поэтому следует выбирать материалы с низким сродством к воде, что исключает использование многих пластиков). Материалы могут сублимироваться в вакууме (в том числе некоторые металлы и их сплавы, в первую очередь кадмий и цинк). Или газы могут выделяться из пористыхматериалы или из трещин и щелей. На поверхностях могут быть следы смазки, остатки механической обработки. Особый риск - это дегазация растворителей, абсорбированных пластмассами после очистки.
Газы, высвобождаемые из материалов, не только ухудшают качество вакуума, но также могут повторно абсорбироваться на других поверхностях, создавая отложения и загрязняя камеру.
Еще одна проблема - диффузия газов через сами материалы. Атмосферный гелий может диффундировать даже через стекло Pyrex , даже если он медленно; Однако обычно это не проблема. Некоторые материалы также могут расширяться или увеличиваться в размерах, вызывая проблемы с хрупким оборудованием.
Помимо проблем, связанных с газом, материалы должны сохранять достаточную прочность во всем требуемом диапазоне температур (иногда достигая криогенных температур), сохранять свои свойства (эластичность, пластичность, электрическую и теплопроводность или ее отсутствие и т. Д.). быть поддающимся механической обработке и, если возможно, не слишком дорогим. Еще одна проблема - соответствие коэффициентов теплового расширения соседних деталей.
Материалы, которых следует избегать [ править ]
Материалы выделяются тремя механизмами: выделение абсорбированных газов ( десорбция из массы материала), выделение адсорбированных газов ( десорбция только с поверхности) и испарение самого материала. Первое может быть уменьшено путем отжига, второе является внутренним свойством материала. [1] Некоторые газообразные материалы могут осаждаться на других поверхностях, загрязнять вакуумную систему, и от них будет трудно избавиться.
Наиболее частыми источниками неисправностей (газовыделения) в вакуумных системах являются:
- Кадмий , часто присутствует в виде кадмирования , или в некоторых пайки и пайки твердым припоем сплавов
- Цинк , который проблематичен для высокого вакуума и высоких температур, присутствует в некоторых конструкционных сплавах, например, в латуни и некоторых припоях. Имеет тенденцию отравлять горячие катоды и образовывать на поверхностях токопроводящие отложения. [2] Следует избегать использования любых материалов, оцинкованных путем гальванизации , или с них сначала нужно удалить покрытие.
- Магний
- ПВХ , обычно в виде изоляции проводов (тоже источник виртуальных утечек)
- Краски
- Свинец и сурьма используются в некоторых мягких припоях и дегазации при более высоких температурах [2]
- Многие пластмассы , а именно много пластиковых лент (особое внимание следует уделить клеям). Следует избегать использования композитов из стекловолокна, например Micarta (G-10) и G-30. Иногда не рекомендуются даже каптон и тефлон . [2]
- Различные остатки, например, флюс от пайки и пайки, а также смазочные материалы от механической обработки, требуют тщательной очистки. Извлечение выделяющихся газов из узких щелей может быть сложной задачей; может помочь хорошая механическая конструкция, в которой отсутствуют такие особенности.
Материалы для использования в вакууме [ править ]
Металлы [ править ]
- Аустенитные нержавеющие стали являются наиболее распространенным выбором для систем высокого и сверхвысокого вакуума . Не все сплавы подходят; например, подвергнутая механической обработке сталь 303 содержит серу , которая имеет тенденцию выделяться. Обычно выбирают сплавы с хорошей свариваемостью при аргонодуговой сварке .
- Нержавеющая сталь 304 является обычным выбором из нержавеющей стали.
- Нержавеющая сталь 304L , низкоуглеродистый вариант стали 304, используется для сверхвысокого вакуума.
- Нержавеющая сталь 316L - это низкоуглеродистая и маломагнитная нержавеющая сталь, используемая в ускорительных технологиях.
- Нержавеющая сталь 347 не допускает полировки до высокого уровня.
- Нержавеющая сталь 321 выбирается, когда требуется низкая магнитная проницаемость .
- Низкоуглеродистая сталь может использоваться при умеренном вакууме выше 1 × 10 −6 торр (1,3 × 10 −7 кПа). Выделение газов можно уменьшить с помощью подходящего (например, никелевого) покрытия . Обладает высокой проницаемостью для водорода и склонностью к ржавчине. Перед использованием его следует тщательно дегазировать в вакууме.
- Алюминий и алюминиевые сплавы - еще один класс часто используемых материалов. Они хорошо поддаются механической обработке и имеют низкое газовыделение, если только сплавы не содержат более высокое содержание цинка . Детали нельзя анодировать , так как оксидный слой задерживает (а затем выделяет газ) водяной пар. Анодирование также делает поверхность непроводящей, поэтому ее поверхность будет заряжаться в электростатических системах.. Лучшая обработка - это алохромирование, которое герметизирует поверхность, делает ее твердой и проводящей. Скорость его дегазации значительно ниже, чем у необработанного алюминия. Алюминий и его сплавы имеют низкую прочность при высоких температурах, деформируются при сварке, а медьсодержащие плохо свариваются. Кольца из алюминиевой проволоки могут использоваться в качестве дешевых прокладок в съемных уплотнениях. Алюминий обладает высокой теплопроводностью, хорошей коррозионной стойкостью и низкой растворимостью водорода. Потеря прочности при высоких температурах ограничивает его использование в выпечке, но алюминий выгоден для крупногабаритных систем из-за его меньшего веса и более низкой стоимости, чем у нержавеющей стали. Использование алюминия ограничено трудностями при его сварке и пайке. Его можно использовать для рентгеновских окон. [1]
- Алюминиевая бронза - это материал, который внешне похож на латунь . Он не подвержен истиранию , что делает его пригодным для скользящих стыков с нержавеющей сталью.
- Никель широко используется в вакуумной технике, например, в качестве механических деталей в электронных лампах . Он относительно дешев, может быть сварен точечной сваркой, легко поддается механической обработке, имеет высокую температуру плавления и устойчив ко многим коррозионным жидкостям и атмосферным условиям. Его потенциальный недостаток - ферромагнетизм , который ограничивает области применения, на которые могут влиять магнитные поля. [1]
- Никелевые сплавы, например мельхиор [2]
- Бериллий используется в основном для изготовления рентгеновских окон.
- Бескислородная медь широко используется. Он легко обрабатывается и имеет хорошую коррозионную стойкость. Он не подходит для запекания вакуумных конвертов из-за его склонности к окислению и образованию накипи. Медные кольца используются в разъемных уплотнениях. Обычная медь не подходит для высокого вакуума, так как ее трудно полностью удалить. Медь нечувствительна к водороду и непроницаема для водорода и гелия, имеет низкую чувствительность к водяному пару, но подвержена воздействию ртути. Его прочность резко падает при температуре выше 200 ° C (392 ° F). Давление его паров становится значительным при температуре выше 500 ° C (932 ° F). [1]
- Латунь подходит для некоторых применений. Обладает хорошей коррозионной стойкостью. Содержание цинка может вызвать проблемы; дегазация цинка может быть уменьшена путем никелирования.
- Индиевая проволока используется в качестве прокладки в разъемных уплотнениях.
- Золотая проволока используется в качестве прокладки в съемных уплотнениях для сверхвысокого вакуума, а также в качестве альтернативы свинцово-оловянному припою для электрических соединений.
- Платина - химически инертный материал с высокой стоимостью и низким газовыделением.
- Цирконий устойчив к коррозии. Он имеет низкое образование вторичных электронов , поэтому его используют в качестве покрытия областей, где важно снизить их образование. Используется для нейтронных окон. Это дорого и редко, поэтому его использование ограничено. Для геттерирования используются цирконий и гидрид циркония .
- Вольфрам часто используется в высокотемпературных приложениях, а также для изготовления нитей в электронной / ионной оптике. Он становится хрупким из-за наклепа при механической деформации или при очень высоких температурах.
- Молибден и тантал полезны для высокотемпературных применений. [2]
- Титан и ниобий - хорошие материалы.
- Припои иногда неизбежны для мягкой пайки соединений. Припои с оловянно-свинцовыми припоями (Sn50Pb50, Sn60Pb40, Sn63Pb37) можно условно использовать, когда аппарат не подлежит запеканию и рабочие температуры не повышаются (свинец имеет тенденцию к выделению газов). Лучшим выбором для вакуумных систем является эвтектика олово-серебро, Sn95Ag5; его температура плавления 230 ° C (446 ° F) позволяет прогревать до 200 ° C (392 ° F). Аналогичный сплав 95-5, Sn95Sb5, не подходит, так как сурьма имеет такое же давление паров, что и свинец. Постарайтесь удалить остатки флюса .
- Припои используются для соединения материалов пайкой . При выборе сплавов следует соблюдать осторожность, так как некоторые элементы имеют тенденцию к выделению газа. Кадмий и цинк - самые распространенные преступники. Серебро, обычный компонент припоев, может вызывать проблемы при более высоких температурах и более низких давлениях. Рекомендуется эвтектика серебро-медь, например, Cusil. Превосходной альтернативой является сплав меди, серебра и олова под названием Cusiltin. Также подходят сплавы медь-серебро-фосфор, например, Sil-Fos. [2]
Пластмассы [ править ]
- Некоторые фторполимеры , например поливинилиденфторид , подходят для использования в вакууме. У них низкая дегазация и устойчивость к более высоким температурам.
- Политетрафторэтилен ( ПТФЭ или тефлон) обычно используется в вакуумных системах. Он самосмазывающийся, хороший электрический изолятор, устойчив к довольно высоким температурам и имеет низкое выделение газов. Он не подходит в качестве барьера между вакуумом и атмосферой, так как в некоторой степени проницаем для газов. Однако керамика - лучший выбор. [2]
- Полиэтилен можно использовать, но требуется тщательная дегазация. Nalgene можно использовать как более дешевую альтернативу банкам Bell .
- Vespel полиимид стоит очень дорого, но машины хорошо, имеют хорошие свойства электрического изолятора и совместят с сверхвысоким вакуумом.
- ПВХ , несмотря на его высокую скорость газовыделения, может использоваться в ограниченном количестве для грубых вакуумных линий.
- Нейлон является самосмазывающимся, но имеет высокую скорость дегазации и сродство к воде.
- Акриловые краски обладают высокой степенью дегазации и сродством к воде.
- Поликарбонаты и полистирол - хорошие электроизоляторы с умеренным газовыделением.
- PEEK (PolyEtherEtherKetone) имеет относительно низкие значения газовыделения (0,31% TML, 0,00% CVCM, 0,06% WVR).
- Каптон - это разновидность полиимидной пленки с очень низким газовыделением. Каптон не рекомендуется, если можно использовать керамическую альтернативу. [2]
- Некоторые эластомеры обладают достаточными вакуумными свойствами для использования в вакуумных уплотнительных кольцах:
- NBR ( нитриловый каучук ), обычно используемый для съемных вакуумных уплотнений (спекается только до 100 ° C).
- FKMs (FPMs) , ( Viton ) используются для съемных вакуумных уплотнений. Он лучше подходит для более низких давлений, чем нитрильный каучук, и химически гораздо более инертен . Запекать можно до 200 ° C.
- FFKM ( FFPM ) с очень низким газовыделением, аналогично тефлону, выдерживает температуры обжига до 300 ° C, в то время как химически один из самых инертных герметизирующих эластомеров.
Стекло и керамика [ править ]
- Боросиликатное стекло часто используется для небольших сборок и для смотровых окон. Его можно обработать и хорошо соединить. Стекла можно соединять с металлами .
- Фарфор и керамика из оксида алюминия , когда они полностью застеклованы и, следовательно, непористые, являются отличными изоляторами, которые можно использовать при температуре до 1500 ° C. Некоторая керамика поддается механической обработке. Керамику можно соединять с металлами .
- Macor - это обрабатываемая керамика, которая является отличной альтернативой глинозему, поскольку процесс обжига глинозема может изменить размеры и допуски.
Смазочные материалы [ править ]
Смазка движущихся частей является проблемой для вакуума. Многие смазочные материалы имеют неприемлемую скорость дегазации [3], другие (например, графит ) теряют смазывающие свойства.
- Вакуумные смазки - это смазки с низким газовыделением.
- Смазка Ramsay - это старая композиция из парафинового воска, вазелина и натурального каучука, пригодная для использования при температуре примерно до 25 ° C при низком вакууме примерно до 1 Па.
- Krytox - это вакуумная смазка на основе флуоресцентных эфиров, пригодная для использования при температуре от -75 до 350 ° C, не горючая даже в жидком кислороде и обладающая высокой устойчивостью к ионизирующему излучению .
- Смазки на основе полифенилового эфира
- Torrlube , торговая марка, включающая линейку смазочных масел на основе перфторполиэфиров . [4]
- Сухие смазочные материалы могут быть включены в пластмассы в качестве наполнителей, как компонент спеченных металлов или нанесены на металлические, керамические и пластмассовые поверхности.
- Дисульфид молибдена - это сухая смазка, которую можно использовать в вакууме.
- Дисульфид вольфрама - еще одна сухая смазка, которую можно использовать в вакууме. Его можно использовать при более высоких температурах, чем MoS 2 . Раньше дисульфид вольфрама был значительно дороже, но рост цен на дисульфид молибдена довел их до сопоставимого диапазона. [5] Используется от -188 до +1316 ° C в вакууме, от -273 до +650 ° C в нормальной атмосфере. [6]
- Гексагональный нитрид бора - графитоподобная сухая смазка, используемая в космических аппаратах.
Клеи [ править ]
- Torr-Seal или его аналог Hysol-1C (торговая марка США) или Loctite 9492 (торговая марка ЕС) представляет собой эпоксидную смолу со смолой и отвердителем для использования в условиях вакуума. Он начнет разлагаться при высоких температурах, но в остальном он очень стабилен с очень небольшим выделением газа. Также доступны другие эпоксидные смолы, рассчитанные на вакуум. Для монтажа или соединения тонкой металлической фольги, сеток или других мелких деталей, которые не должны подвергаться нагрузкам, в качестве клея можно использовать серебряную или золотую пасту. После фиксации материала (ов) серебряной пастой, изделие должно быть обожжено (до> 200 C) на воздухе в течение> 24 часов для удаления летучих веществ перед помещением в вакуум.
Материалы для использования в космосе [ править ]
В дополнение к вышеизложенному, материалы для использования в космических аппаратах должны выдерживать радиационные повреждения и высокоинтенсивное ультрафиолетовое излучение , тепловые нагрузки от солнечного излучения, радиационное охлаждение корабля в других направлениях и тепло, выделяемое в системах космического корабля. Еще одна проблема для орбит, более близких к Земле, - это наличие атомарного кислорода , приводящего к коррозии открытых поверхностей; алюминий - особенно чувствительный материал [ необходима цитата ] . Серебро, часто используемое для поверхностных межсоединений, образует слой оксида серебра, который отслаивается и может разрушаться до полного разрушения.
Чувствительные к коррозии поверхности можно защитить подходящим покрытием , чаще всего золотом ; диоксид кремния слой также возможно. Однако слой покрытия подвержен эрозии микрометеороидами .
См. Также [ править ]
- Вакуумная техника
Ссылки [ править ]
- ^ a b c d Meurant, G. (1980). Физика и технология вакуума . Elsevier Science . п. 346. ISBN. 9780080859958. Проверено 8 сентября 2015 .
- ^ Б с д е е г ч Г. Ли (15 августа 1989). «TM-1615: Материалы для сверхвысокого вакуума» (PDF) . Национальная ускорительная лаборатория Ферми . Проверено 8 сентября 2015 .
- ^ Карре, DJ; Бертран, Пенсильвания (1999). "Анализ смазки реактивного колеса космического телескопа Хаббл" . Журнал космических аппаратов и ракет . 36 (1): 109–113. Bibcode : 1999JSpRo..36..109C . DOI : 10.2514 / 2.3422 .
- ^ "TorrLube.com | Непревзойденный лидер в области смазки в высоком вакууме" . torrlube.com . Проверено 8 сентября 2015 .
- ^ Ketan (2 декабря 2008). «Сравнение дисульфида молибдена и дисульфида вольфрама» (PDF) . Проверено 8 сентября 2015 .
- ^ «Прикладной вольфрам: Аэрокосмическая промышленность: сухая пленка из дисульфида вольфрама WS2 и пассивация лимонной кислотой» . applicationtungstenite.com . Проверено 8 сентября 2015 .