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1、真空系统中常用材料和真空卫生,真空系统中常用材料和真空卫生,一、真空材料的要求和分类 二、金属及其合金材料 三、非金属材料 四、真空卫生,一、真空材料的要求和分类,1、材料的真空性能要求 2、真空材料的其他性能要求 3、真空材料的分类 4、真空材料的选材原则,材料的真空性能要求,1、气体渗透率：气体从密度大的一侧向密度小的一侧渗入、扩散、通过和溢出固体阻挡层的过程成为渗透。该情况的稳态流率称为渗透率。渗透率与气体和材料的种类有关。对于金属，有些金属（如不锈钢、铜、铝、钼等）的气体渗透系数很小，在大多数实际应用中可以忽略不计。但对某些金属（如铁、镍等），氢气对他们具有较高的渗透率。氢气对钢的渗透
2、率随含碳量的增加而增加，所以选择低碳钢做真空室材料为好；另外有些金属对气体的渗透具有选择性，如氢气就极容易渗透过钯，氧气易投过银等。可以利用这个性质对气体进行提纯和真空检漏。气体对玻璃、陶瓷等的渗透，一般是以分子态的形式进行的。渗透过程和气体分子的直径及材料内部微孔大小有关。含纯二氧化硅的石英玻璃的微孔孔径约为0.4nm，其他玻璃因碱金属离子（钾、钠、钡等）填充于微孔之中，使其有效孔径变小，所以各种气体对石英玻璃的渗透性大，而对其他玻璃的渗透性就小。由于氦分子的直径在各种分子中最小，所以氦对石英玻璃的渗透在气体-固体配偶中是最大的。气体对有机材料（如橡胶、塑料）的渗透过程一般是以分子态进行的。
3、由于有机材料的微孔比较大，因此气体对有机材料的渗透能力比玻璃、金属要大得多。,（1）当分子态渗透达到稳态时（2）当原子态渗透达到稳态时只要知道渗透系数K，就可以根据该材料的壁厚、壁的面积A，求得气体渗透量（单位时间，通过A面积的气体渗透量）为 Q=FA,2、材料的放气性能 任何固体材料在制造过程中，及在大气环境下存放都能溶解、吸附一些气体。当材料置于真空中时，原有的动态平衡被破坏，材料就会因解溶、解吸而放气。常用的放气速率单位为PaL/(scm2). 放气速率通常与材料中的气体含量和温度成正比。所以有时（）也用高温下材料的放气总量作为选材依据。出气总量的单位：考虑体积含量为主时可用PaL/cm
4、2 （1）常温放气。大多数有机材料放气的主要成分是水汽，其特点是放弃速率较高，随时间的衰减较慢，因此这类材料一般不宜用作真空容器的内部零件。金属、玻璃、陶瓷的放气速率较低，随时间的衰减也较快。玻璃和陶瓷的常温放气主要来自表层，主要放气成分为水汽，其次为CO和CO2。玻璃经烘烤加热后，其表面氧化膜中的水汽可以基本除净，使其常温放气率显著降低。表面吸附的气体除掉后的放气过程由体内扩散决定。一般，体内放气的成分有H2、N2、CnHn、CO、CO2、O2，以H2居多。,（2）高温放气。某些结构材料如电极、靶材、蒸发源、加热装置等器材，在真空系统的工艺过程中常处于高温状态。一般认为，材料的高温放气主要由
5、体内的扩散过程所决定，表面脱附的气体量仅占放气总量的一小部分。玻璃、陶瓷。云母的高温放气，除了扩散过程加快外，与常温放气没有本质区别。而金属的高温体扩散出气则不同，由于在金属内部溶解的气体呈原子态，所以，在真空中发出的分子态气体往往是经过表面反应才形成的。一般，金属放气的种类是H2、CO、CO2和N2、O2，以前四种居多。其中H2、N2先以原子态扩散逸出，再在表面上结合成分子态。CO、CO2是由扩散到表面的C与表面上的金属氧化物或气相中的O2、H2O反应生成的。也有一些金属（如Ni、Fe）主要受氧在体内扩散的控制，因此，对金属进行脱碳处理可降低CO、CO2的出气。H2O有的直接来自表面氧化层，
6、有的则由体内扩散的氢与氧化物反应合成。,玻璃、金属的表面层也是高温放气的重要来源。为此采用各种表面处理工艺，如化学清洗。有机蒸汽去脂、抛光、腐蚀、大气烘烤氧化等，都能大大降低材料的放气。另外，材料的放气速率不仅和所经历的放气时间有关，而且和材料的表面预处理方法、表面状况有很大关系。例如：对子清洁的表面来说，表面的光洁度越高，吸附的水汽就越少；例如，当用邮寄溶剂对表面清洗去脂时，表面的单分子层污染是无法除掉的，只能靠在真空下烘烤来除掉。例如，温度在200以上的真空环境下的烘烤可有效地除掉水汽，但要有效除掉氢，则必须在400以上的温度下进行真空烘烤。对真空系统设计来说，仅有材料的放气速率的数据是不
7、够的，因为有许多真空阀的抽气能力是有选择性的，所以如果能进一步知道材料放气中的各种气体成分的比例，就能有针对性地选配合适的真空泵，得到更合理的设计。,3、材料的蒸汽压和蒸发（升华）速率 在一定的温度下，在封闭的真空空间中，由于液体（或固体）气化的结果，使空间的蒸汽密度逐渐增加，当达到一定的蒸汽压力之后，单位时间内脱离液体（或固体）表面的分子数与从空间返回液体（或固体）表面的在凝结分子数相等，即蒸发（或升华）速率与凝结速率动态平衡，这时可认为气化停止，此时的蒸汽压力称为该温度下，该液态（或固体）的饱和蒸气压。蒸汽压Pv和蒸发（升华）速率W之间有以下关系：,在真空技术中，材料的蒸汽压力和蒸发（升华
8、）速率都是需要重视的参数。如：真空油脂、真空规管的热灯丝的饱和蒸汽压均能成为影响极限真空度的起源；真空镀膜用材和吸气剂的升华速率是设计真空镀膜设备及吸气剂泵时需要考虑的参量；低温液化气体的饱和蒸汽压力则是与低温冷凝泵极限压力有关的参量。显然，不能采用在真空系统的工作温度范围内蒸汽压力很高的材料。在工作温度范围内，所有面对真空的材料的饱和蒸汽压力应该足够低，不应因为其本身的蒸汽压或放气特性而使真空系统达不到所要求的工作真空度（）。尽管室温下某些材料的蒸汽压很低，甚至有时觉察不出来，但随着温度的升高，蒸汽压力最终可以上升到测得出来的值。例如，某些难溶金属需要升高到1500以上才能测出其蒸汽压力值。
9、但是某些金属（如锌、镉、铅等）在300500时的蒸汽压力值就很高，超过了高真空系统所要求的压力。例如镉在300时的蒸汽压力值是10Pa，所以这些金属（或其合金）不能在烘烤的高真空系统或超高真空系统中使用。其他一些材料，如某些塑料或橡胶，由于其不能加温烘烤及蒸汽压过高，则根本不能在超高正空环境下使用。,真空材料的其他性能要求,（1）机械强度。真空系统的器壁必须能承受得住大气的压力。因此它必须满足最低机械强度和刚度的要求，应考虑相应尺度的结构所能承受的总压力。 （2）热学性能。许多真空系统要承受温度的变化，如加热和冷却或二者兼备。因而必须对所用材料的热学性能十分熟悉。不仅要考虑到熔点，还要考虑到强
10、度随温度的变化。例如，铜的力学性能远在低于熔点温度之前就开始下降，因而不宜用铜制作真空容器的承压器壁。另外真空系统的材料除了受到温度缓慢变化 的影响外，还会受到温度突变的影响。因此，还要考虑材料的抗热冲击的特性。 （3）电磁性能。许多真空系统中的部件必须具备能完成某项功能又不能与真空系统的要求相矛盾。例如，元件在真空室内工作，是靠辐射发热冷却的，因此元件的工作温度将会很高，使得元件的电性能可能受到影响，因此在选材及结构设计上要考虑工作部件的耐高温及冷却问题。在许多真空系统中，往往要应用带电粒子束。但这些带电粒子束往往容易受到某些不必要磁场的干扰。因此在有电子束或离子束的系统中，必须认真考虑系统
11、材料的磁性能，在某些情况下，即使很小的磁场也可能造成很严重的问题。因此必须考虑用非磁性材料。 （4）其他性能。光学性能（如观察窗）、硬度、抗腐蚀性、热导率和热膨胀等性能在真空系统中也常常起着十分重要的作用。,真空材料的分类,真空工程的用材范围包括：真空设备的壳体，真空规管，放置于真空容器内的各种固定、活动、可拆卸机构及部件，各类密封材料，各类真空获得手段的工作物质等等。真空系统中用的材料大致分为两类： （1）结构材料。是构成真空系统主体的材料，它将真空系统与大气隔开，承受着大气压力。这类材料主要是各种金属和非金属材料，包括可拆卸连接处的密封垫圈材料。 （2）辅助材料。系统中某些零件连接处或系统
12、漏气处的辅助密封用的正空封脂、真空封蜡、装配时用的粘接剂、焊剂、真空泵及系统中用的真空油、吸气剂、工作气体及系统中所用的加热元件材料等。,真空材料的选材原则,对真空容器及内部零件材料的要求 （1）有足够的机械强度和刚度来保证壳体能承受住室温和烘烤温度下的大气压力，并且在加热烘烤（特别是对超高真空系统）时不发生变形。 （2）气密性好。要保持一个完好的真空环境，器壁材料不应存在多孔结构。裂纹或形成渗漏的其他缺陷。有较低的渗透速率和出气速率。 （3）在工作温度和烘烤温度下的饱和蒸汽压要足够低（对超高真空系统来说尤其重要） （4）化学稳定性好。不易氧化和腐蚀，不予真空系统中的工作介质及工艺过程中的放气
13、发生化学反应 （5）热稳定性好。在系统的工作温度（高温与低温）范围内，保持良好的真空性能和力学性能。 （6）在工作真空度及工作温度下，真空容器内部器件应保持良好的工作性能，满足作业工艺的要求。 （7）有较好的延展性、机械加工性能和焊接性能，容易加工成复杂形状的壳体。,对密封材料的要求 （1）有足够低的饱和蒸汽压。一般低真空时，其室温下的饱和蒸汽压力应小于1.310-11.310-2Pa；高真空时，应小于1.310-21.310-3Pa。 （2）化学及热稳定性好。在密封部件，不因合理的温升而发生软化，发生化学反应或挥发，甚至被大气冲破。 （3）有一定的力学及物理性能。冷却后硬化的固态密封材料、可
14、塑密封材料或干燥后硬化的封蜡等，要能够平滑地紧贴密封表面，无气泡，无皱纹。当温度变化时，不应变脆或裂开。液态或胶态密封材料应保持原有粘性。 （4）某些密封材料应能溶于某些溶剂中，以便更换时易于清洗掉。对真空中应用的材料除上述要求外，在某些情况下还必须考虑其电学性能、绝缘性能、光学性能、磁性能和导热性能等等。,二、金属及其合金材料,1、铸件 2、碳钢及不锈钢 3、有色金属 4、贵重金属 5、软金属 6、难熔金属 7、汞 8、合金材料,金属及其合金材料,在真空系统设计与制造中常用的金属及其合金材料主要有：低碳钢、不锈钢、铜、铝、镍、金、银、钨、钼、钽、铌、钛、铟、镓、可伐合金，镍铬（铁）合金、铜合
15、金。铸铁、铸铜、铸铝等。 1、铸件金属铸件由于表面粗糙，微孔较多，很少用于制造高真空系统零件。高级铸铁及有色金属铸件大多用于制造各种机械真空泵。要求铸件具有较高的致密性，通常采用的铸铁牌号有HT200、HT250、HT300等。铸造铝合金牌号有ZL109（Al，Si，Cu，Mg，Ni）、ZL203（Al，Cu）、Zl301（Al，Mg）等。当工作温度较高时，不应选用含磷、锌、镉等元素的铜合金铸件。,2、碳钢及不锈钢 （1）碳钢碳钢一般应用于低真空工作范围内。通常根据工艺要求，碳钢制造的真空室内表面需要镀层涂覆或裸露抛光。出来镀层表面以外，碳钢表面放气速率比不锈钢大得多，尤其是锈蚀表面的放气量更
16、大，表面状态的好坏，是影响碳钢真空性能的主要因素。所以，应尽量使其内表面光滑，无锈，一般情况下工作真空度越高，则对内表面也越严格。实践表明：室温时有大气渗透到真空中去的气体是很少的。然而，随着温度的升高，这种渗透量将急剧增加。在室温常压下氢气渗透过低碳钢板的速率要比低碳钢的表面放气率小几个数量级。在室温下氮渗透过低碳钢的速率远低于氢，但是在高温下则相反，故在设计热态工作真空系统时必须注意。在真空系统设计中，从材质的综合性能（真空。物理力学性能）考虑，大多采用低碳钢（软钢）为宜。特别是真空容器的壳体、阀、管道及蒸汽流泵的泵体或导流管等往往采用10号、15号、20号钢及普通炭素结构钢（Q235A）。其特点是韧性良好，机械强度适中，具有极好的机械加工性能和焊接性能。Q235A属于低碳钢（含碳量低于0.22%），价格便宜，品种规格齐全，容易选购。其主要缺点是：不能用普通热处理的方法提高硬度计改善力学性能；抗腐蚀性较差。45号钢则主要用于制造轴类、杆件、螺纹类零件以及重负荷的传动机件等。令外，低碳钢（特别是Q235A）具有良好的导磁性，在避免磁效应干扰的场合，如在离子泵。磁质谱计或含有此分析器的任何系统结构中都不适用。但特别适用于需要良好导磁性的结构中，例如磁控溅射靶的磁极靴等。,
