Материалы для использования в вакууме - Materials for use in vacuum

В Объект длительного воздействия использовался для испытания различных материалов в вакууме.

Материалы для использования в вакууме материалы, которые показывают очень низкие показатели дегазация в вакуум и, где это применимо, терпимы к запекание температуры. Требования становятся все более жесткими по мере достижения желаемой степени вакуума в помещении. вакуумная камера.Материалы могут производить газ с помощью нескольких механизмов. Молекулы газов и воды могут быть адсорбированный на поверхности материала (поэтому следует выбирать материалы с низким сродством к воде, что исключает использование многих пластмасс). Материалы могут сублимировать в вакууме (сюда входят некоторые металлы и их сплавы, в первую очередь кадмий и цинк). Или газы могут быть выпущены из пористый материалов или из трещин и щелей. На поверхностях могут быть следы смазки, остатки от механической обработки. Особый риск представляет собой дегазация растворителей, абсорбированных пластмассами после очистки.

Газы, высвобождаемые из материалов, не только снижают 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 распространяться даже через Pyrex стекло, пусть даже 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 криогенный температуры), сохраняют свои свойства (эластичность, пластичность, электрическую и теплопроводность или ее отсутствие и т. д.), поддаются механической обработке и, если возможно, не являются слишком дорогими. Еще одна проблема - это коэффициент теплового расширения совпадение соседних деталей.

Материалы, которых следует избегать

Материалы выделяются тремя механизмами: выпуск поглощен газы (десорбция от основной массы материала), выпуск адсорбированный газы (десорбция только с поверхности), так 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 присутствуют в виде кадмиевое покрытие, или в некоторых пайка и пайка сплавы
  • Цинк, проблематично для высокого вакуума и более высоких температур, присутствует в некоторых конструкционных сплавах, например латунь и некоторые припои. Имеет тенденцию отравлять горячие катоды и образуют токопроводящие отложения на поверхностях.[2] Любые материалы, оцинкованные гальванизация следует избегать, иначе сначала удалите покрытие.
  • Магний
  • ПВХ, обычно в виде провод изоляция (тоже источник виртуальных протечек)
  • Краски
  • Вести и сурьма используется в некоторых мягких припои и дегазация при более высоких температурах[2]
  • Много пластмассы, а именно многие пластиковые ленты (особое внимание следует уделить клеям). Композиты из стекловолокна, например Микарта (G-10) и G-30 следует избегать. Четное Каптон и Тефлон иногда не рекомендуется.[2]
  • Различные остатки, например поток от пайки и пайки, и смазки от механической обработки, делающие тщательную очистку обязательной. 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

Металлы

  • Аустенитные нержавеющие стали являются наиболее частым выбором для высокий вакуум и сверхвысокий вакуум системы. Не все сплавы подходят; например автоматная обработка стали 303 содержит сера, который имеет тенденцию к выделению газов. Сплавы с хорошей свариваемостью в аргоне дуговая сварка обычно выбираются.
  • Мягкая сталь может использоваться для умеренного вакуума выше 10−6 торр. Газовыделение можно уменьшить с помощью подходящего (например, никеля) покрытие. 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 сплавы не содержат более высоких пропорций цинк. Детали не должны быть анодированный, поскольку оксидный слой задерживает (а затем выделяет) водяной пар. Анодирование также делает поверхность непроводящей, так что ее поверхность будет заряжаться в электростатические системы. Лучшая обработка - это Alochroming, которое герметизирует поверхность, делает ее твердой и проводящей. Скорость выделения газов 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 как дешевые прокладки 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 предпочтителен для крупногабаритных систем из-за его меньшего веса и более низкой стоимости, чем нержавеющая сталь. Использование алюминия ограничено трудностями при его сварке и пайке. Его можно использовать для рентгеновских окон.[1]
  • Алюминиевая бронза это материал, который выглядит и машины похожи на латунь. Не восприимчив к раздражающий, что делает его пригодным для скольжения по нержавеющей стали.
  • Никель широко используется в вакуумной технике, например как механические части в вакуумные трубки. Он относительно дешев, может быть сварен точечной сваркой, легко поддается механической обработке, имеет высокую температуру плавления и устойчив ко многим агрессивным средам и средам. Его потенциальный недостаток - это ферромагнетизм, что ограничивает приложения, на которые могут влиять магнитные поля.[1]
  • Никелевые сплавы, например мельхиор[2]
  • Бериллий используется в основном для рентгеновских окон.
  • Бескислородная медь широко используется. Он легко обрабатывается и обладает хорошей коррозионной стойкостью. Он не подходит для запекания вакуумных конвертов из-за его склонности к окислению и образованию накипи. Медные кольца используются в разъемных уплотнениях. Нормальный медь не подходит для высокого вакуума, так как его 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 выше 200 ° C. Давление его паров становится значительным при температуре выше 500 ° C.[1]
  • Латунь подходит для некоторых приложений. Обладает хорошей коррозионной стойкостью. Содержание цинка может вызвать проблемы; дегазация цинка может быть уменьшена путем никелирования.
  • Индий Проволока используется в качестве прокладки в разъемных уплотнениях.
  • Золото проволока используется как прокладка в съемных уплотнениях для сверхвысокого вакуума, а также как альтернатива свинцово-оловянному припою для электрических соединений.
  • Платина это химически инертный материал с высокой стоимостью и низким газовыделением.
  • Цирконий устойчив к коррозии. Имеет низкую выработку вторичные электроны, поэтому он используется в качестве покрытия областей, где важно снизить их производство. Он используется для нейтрон окна. Это дорого и редко, поэтому его использование ограничено. Цирконий и гидрид циркония используются для добыча.
  • Вольфрам часто используется в высокотемпературных приложениях, а также для нитей в электронной / ионной оптике. Он становится хрупким от упрочнение при механической деформации или воздействии очень высоких температур.
  • Молибден и тантал полезны для высокотемпературных применений.[2]
  • Титана и ниобий хорошие материалы.
  • Припои иногда неизбежны для соединений с мягкой пайкой. 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 позволяет прогревать до 200 ° C. Аналогичный сплав 95-5, Sn95Sb5, не подходит, так как сурьма имеет такое же давление паров, что и свинец. Позаботьтесь удалить поток остатки.
  • Припои используются для соединения материалов пайка. При выборе сплавов следует соблюдать осторожность, так как некоторые элементы имеют тенденцию к выделению газов. Кадмий и цинк - самые распространенные преступники. Серебро, обычный компонент припоев, может вызывать проблемы при более высоких температурах и более низких давлениях. Эвтектика серебро-медь, названная, например, Cusil, рекомендуется. Превосходной альтернативой является сплав меди, серебра и олова под названием Cusiltin. Сплавы медь-серебро-фосфор, например Sil-Fos, тоже подходят.[2]

Пластмассы

  • Немного фторполимеры, например поливинилиденфторид, подходят для использования в вакууме. У них низкая дегазация и устойчивость к более высоким температурам.
    • Политетрафторэтилен (PTFE или тефлон) обычно используется внутри вакуумных систем. 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 годен к употреблению, но требует тщательного удаления газов. Nalgene может использоваться как более дешевая альтернатива для Колокольчики.
  • Веспель полиимид очень дорого, но хорошо обрабатывается, имеет хорошие электроизоляционные свойства и совместим с сверхвысоким вакуумом.
  • ПВХ Несмотря на высокую скорость дегазации, его можно использовать в ограниченном количестве для грубых вакуумных линий.
  • Нейлон самосмазывающийся, но имеет высокую скорость дегазации и сродство к воде.
  • Акрил имеют высокую скорость дегазации и высокое сродство к воде.
  • Поликарбонаты и полистирол хорошие электрические изоляторы с умеренным газовыделением.
  • PEEK (PolyEtherEtherKetone) имеет относительно низкие значения газовыделения (0,31% TML, 0,00% CVCM, 0,06% WVR).
  • Каптон представляет собой разновидность полиимидной пленки с очень низким газовыделением. Каптон не рекомендуется, если можно использовать керамическую альтернативу.[2]
  • Немного эластомеры обладают достаточными вакуумными свойствами для использования в вакуумных уплотнительных кольцах:
    • NBR, (Нитриловый каучук ), обычно используется для съемных вакуумных уплотнений (запекается только до 100 ° C).
    • FKM (FPM), (Витон ) используется для съемных вакуумных уплотнений. Лучше для более низкого давления, чем нитрильный каучук и химически многое другое инертный. Выпекать до 200 ° C.
    • FFKMs (FFPM ) очень низкое газовыделение аналогично тефлону, выдерживает температуру выпечки до 300 ° C, в то время как химически один из самых инертный уплотнительные эластомеры.

Стекла и керамика

  • Боросиликатное стекло часто используется для небольших сборок и для видовых экранов. Его можно обработать и хорошо соединить. Очки могут быть соединены с металлами.
  • Фарфор и глинозем керамика, когда полностью остеклованный и поэтому непористые, являются отличными изоляторами, пригодными для использования при температуре до 1500 ° C. Некоторая керамика поддается механической обработке. Керамика может быть соединены с металлами.
  • Macor представляет собой обрабатываемую керамику, которая является отличной альтернативой глинозему, так как процесс обжига глинозема может изменить размеры и допуски.

Смазочные материалы

Смазка движущихся частей является проблемой для вакуума. Много смазочные материалы имеют неприемлемые показатели дегазации,[3] другие (например, графит ) теряют смазывающие свойства.

  • Вакуумные смазки находятся смазки с низким газовыделением.
    • Смазка Рамзи представляет собой старый состав парафинового воска, вазелина и натурального каучука, пригодный для использования при температуре примерно до 25 ° C, для низкого вакуума примерно до 1 Па.
    • Krytox представляет собой вакуумную смазку на основе фторэфиров, пригодную для использования при температуре от -75 до более 350 ° C, не горючую даже в жидкий кислород и очень устойчивы к ионизирующего излучения.
    • Полифениловый эфир смазки
    • Torrlube, торговая марка, включающая линейку смазочных масел на основе перфторполиэфиры.[4]
  • Сухие смазки, 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. Может использоваться при более высоких температурах, чем MoS2. Раньше дисульфид вольфрама был значительно дороже, но рост цен на дисульфид молибдена довел их до сопоставимого диапазона.[5] Диапазон рабочих температур 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

  • Torr-Seal или его аналог Hysol-1C (торговая марка в США) или Loctite 9492 (торговая марка в 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, решетки 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

Помимо перечисленных выше проблем, материалы для использования в космический корабль приложения должны справляться с радиационное повреждение и высокой интенсивности ультрафиолетовая радиация, тепловые нагрузки от солнечной радиации, радиационное охлаждение корабля в других направлениях и тепло, выделяемое в системах космического корабля. Еще одна проблема для орбит, более близких к Земле, - это наличие атомарный кислород, что приводит к коррозия открытых поверхностей; алюминий - особо чувствительный материал[нужна цитата ]. Серебро, часто используемое для поверхностных межсоединений, образует слой оксида серебра, который отслаивается и может разрушиться до полного разрушения.

Чувствительные к коррозии поверхности можно защитить подходящим покрытие, чаще всего с золото; а кремнезем слой также возможен. Однако слой покрытия подвержен эрозии из-за микрометеороиды.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d Меурант, Г. (1980). Физика и технология вакуума. Elsevier Science. п. 346. ISBN  9780080859958. Получено 2015-09-08.
  2. ^ а б c d е ж грамм час Г. Ли (15 августа 1989 г.). «TM-1615: Материалы для сверхвысокого вакуума» (PDF). Национальная ускорительная лаборатория Ферми. Получено 2015-09-08.
  3. ^ Карре, Д. Дж .; Бертран, П. А. (1999). "Анализ смазки реактивного колеса космического телескопа Хаббл". Журнал космических аппаратов и ракет. 36 (1): 109–113. Bibcode:1999JSpRo..36..109C. Дои:10.2514/2.3422.
  4. ^ "TorrLube.com | Непревзойденный лидер в области смазки под высоким вакуумом". torrlube.com. Получено 2015-09-08.
  5. ^ Кетан (2 декабря 2008 г.). «Сравнение дисульфида молибдена и дисульфида вольфрама» (PDF). Получено 2015-09-08.
  6. ^ «Применяемый вольфрамит: аэрокосмическая промышленность: сухая смазка на основе дисульфида вольфрама WS2 и пассивация лимонной кислотой». applicationtungstenite.com. Получено 2015-09-08.