Материалы для использования в вакууме

Установка длительного воздействия использовалась для испытаний различных материалов в вакууме.

Материалы для использования в вакууме — это материалы, которые демонстрируют очень низкую скорость газовыделения в вакууме и, где это применимо, устойчивы к отжига температурам . Требования становятся все более строгими по мере достижения желаемой степени вакуума в вакуумной камере . Материалы могут производить газ по нескольким механизмам. Молекулы газов и воды могут адсорбироваться на поверхности материала (поэтому приходится выбирать материалы с низким сродством к воде, что исключает использование многих пластиков). Материалы могут сублимироваться в вакууме (включая некоторые металлы и их сплавы, особенно кадмий и цинк). Либо газы могут выделяться из пористых материалов или из трещин и щелей. На поверхностях могут присутствовать следы смазочных материалов, остатки механической обработки. Особый риск представляет собой выделение газов растворителей, абсорбированных пластиком после очистки.

Газы, выделяющиеся из материалов, не только снижают качество вакуума, но также могут реабсорбироваться на других поверхностях, создавая отложения и загрязняя камеру.

Еще одной проблемой является диффузия газов через сами материалы. Атмосферный гелий может диффундировать даже через стекло Pyrex , даже если медленно (и обычно необходимы повышенные температуры выше комнатной); Однако обычно это не проблема. Некоторые материалы также могут расширяться или увеличиваться в размерах, вызывая проблемы в хрупком оборудовании.

Помимо газовых проблем, материалы должны сохранять достаточную прочность во всем требуемом диапазоне температур (иногда доходящих до криогенных температур), сохранять свои свойства (упругость, пластичность, электро- и теплопроводность или ее отсутствие и т. д.), быть поддающимся механической обработке и, по возможности, не быть слишком дорогим. Еще одной проблемой является соответствие коэффициентов теплового расширения соседних деталей.

Материалы, которых следует избегать

Газообразование материалов происходит по трем механизмам: выделение поглощенных газов ( десорбция из объема материала), выделение адсорбированных газов ( десорбция только с поверхности) и испарение самого материала. Первое можно уменьшить за счет обжига, второе является внутренним свойством материала. Некоторые выделяющиеся газы материалы могут откладываться на других поверхностях, загрязнять вакуумную систему, и от них будет трудно избавиться.

Наиболее распространенными источниками неисправностей (выделение газов) в вакуумных системах являются:

• Кадмий , часто присутствует в виде кадмиевого покрытия или в некоторых для пайки и припоя . сплавах
• Цинк , проблематичный для высокого вакуума и более высоких температур, присутствует в некоторых конструкционных сплавах, например, в латуни и некоторых припоях. Имеет тенденцию отравлять горячие катоды и образовывать проводящие отложения на поверхностях. Следует избегать использования любых материалов, покрытых цинком путем гальванизации , или предварительно удалить с них покрытие.
• Магний
• Краски
• Свинец и сурьма используются в некоторых мягких припоях из -за выделения газов при более высоких температурах.
• Много пластика , а именно много пластиковых лент (особое внимание следует уделить клеям). Следует избегать использования композитов из стекловолокна, например микарты (G-10) и G-30. Даже каптон и тефлон иногда не рекомендуются. Дальнейшее обсуждение пластмасс см. ниже.
  • ПВХ , обычно в виде изоляции проводов (также является источником протечек)
• Различные остатки, например флюс от пайки и пайки, смазочные материалы от механической обработки требуют тщательной очистки. Удаление выделяющихся остатков из узких щелей может оказаться сложной задачей; хорошая механическая конструкция, исключающая подобные особенности, может помочь.

Существуют также дополнительные физические проблемы, связанные с вакуумом, в том числе рост усов из таких материалов, как олово или цинк, что может вызвать физические проблемы или короткое замыкание.

Обзор материалов и вопросов для рассмотрения

Металлы

• Аустенитные нержавеющие стали являются наиболее распространенным выбором для высокого и сверхвысокого вакуума систем . Не все сплавы подходят; например, сталь 303, подвергаемая механической обработке, содержит серу , которая имеет тенденцию к выделению газов. сплавы с хорошей свариваемостью при аргонодуговой сварке Обычно выбирают .
  • 304 Нержавеющая сталь — распространенный выбор нержавеющей стали.
  • 304L Нержавеющая сталь , низкоуглеродистый вариант стали 304, используется в системах сверхвысокого вакуума.
  • 316L Нержавеющая сталь — низкоуглеродистая и маломагнитная нержавеющая сталь, используемая в ускорительных технологиях.
  • 347 Нержавеющая сталь не допускает полировки.
  • 321 Нержавеющую сталь выбирают, когда низкая магнитная проницаемость . необходима
• Мягкую сталь можно использовать для умеренного вакуума выше 1 × 10. ⁻⁶ торры (1,3 × 10 ⁻⁷ кПа). Выделение газов можно снизить с помощью подходящего (например, никелевого) покрытия . Имеет высокую проницаемость для водорода и склонность к ржавчине. Для использования его необходимо 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) водяной пар. Анодирование также делает поверхность непроводящей, поэтому ее поверхность будет заряжаться в электростатических системах . Лучшей обработкой является алохромирование , которое герметизирует поверхность, делает ее твердой и проводящей. Скорость его газовыделения значительно меньше, чем у необработанного алюминия. Алюминий и его сплавы имеют низкую прочность при высоких температурах, деформируются при сварке, медьсодержащие плохо свариваются. Кольца из алюминиевой проволоки можно использовать 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 запекаемых изделиях, но алюминий предпочтителен для крупногабаритных систем из-за его меньшего веса и более низкой стоимости, чем нержавеющая сталь. Применение алюминия ограничено трудностями его сварки и пайки. Его можно использовать для рентгеновских окон.
• Алюминиевая бронза — это материал, который по внешнему виду и обработке похож на латунь . Он не подвержен истиранию , что делает его пригодным для скользящей посадки по нержавеющей стали.
• Никель широко используется в вакуумной технике, например, в качестве механических деталей вакуумных трубок . Он относительно недорог, его можно приваривать точечной сваркой, легко обрабатывать на станках, он имеет высокую температуру плавления и устойчив к воздействию многих агрессивных жидкостей и атмосфер. Его потенциальным недостатком является ферромагнетизм , который ограничивает возможности применения, на которые могут влиять магнитные поля.
• Никелевые сплавы, например медно-никелевый
• Бериллий используется в основном для изготовления рентгеновских окон.
• бескислородная медь Широко используется . Он легко обрабатывается и обладает хорошей коррозионной стойкостью. Он не подходит для изготовления вакуумных конвертов, пригодных для выпечки, из-за его склонности к окислению и образованию накипи. Медные кольца используются в разъемных уплотнениях. Обычная медь непригодна для высокого вакуума, так как из нее трудно полностью выделить газ. Медь нечувствительна к водороду и непроницаема для водорода и гелия, малочувствительна к водяному пару, но подвергается воздействию ртути. Его прочность резко падает выше 200 ° C (392 ° F). Давление его пара становится значительным при температуре выше 500 ° C (932 ° F).
• Латунь подходит для некоторых применений. Он обладает хорошей коррозионной стойкостью. Содержание цинка может вызвать проблемы; Выделение цинка можно уменьшить путем никелирования.
• Индиевая проволока используется в качестве прокладки в съемных пломбах.
• Золотая проволока используется в качестве прокладки в разъемных уплотнениях для сверхвысокого вакуума, а также как альтернатива свинцово-оловянному припою для выполнения электрических соединений.
• Платина — высокохимически инертный материал с высокой стоимостью и низким газовыделением.
• Цирконий устойчив к коррозии. Он имеет низкое производство вторичных электронов , поэтому его используют в качестве покрытия участков, где важно уменьшить их производство. Он используется для нейтронных окон. Он дорогой и дефицитный, поэтому его использование ограничено. применяют цирконий и гидрид циркония Для геттерирования .
• Вольфрам часто используется при высоких температурах, а также для изготовления нитей в электронной/ионной оптике. Он становится хрупким из- за наклепа при механической деформации или воздействии очень высоких температур.
• Молибден и тантал полезны при высоких температурах.
• Титан и ниобий — хорошие материалы.
• припоя Для соединений мягкой пайкой иногда не обойтись без . Оловянно-свинцовые припои (Sn50Pb50, Sn60Pb40, Sn63Pb37) условно можно использовать, когда аппарат не подлежит обжигу и не повышены рабочие температуры (свинец имеет свойство выделяться). Лучшим выбором для вакуумных систем является эвтектика олово-серебро Sn95Ag5 (эвтектика Sn-Ag на самом деле имеет соотношение 96,5-3,5); его температура плавления 230 ° C (446 ° F) позволяет нагревать до 200 ° C (392 ° F). Подобный сплав 95-5, Sn95Sb5, непригоден, поскольку сурьма имеет такое же давление пара, как и свинец. Обязательно удалите остатки флюса .
• Припои применяются для соединения материалов пайкой . При выборе сплавов следует проявлять осторожность, так как некоторые элементы имеют тенденцию выделять газы. Кадмий и цинк являются наиболее распространенными нарушителями. Серебро, обычный компонент припоев, может создавать проблемы при более высоких температурах и более низких давлениях. Рекомендуется использовать эвтектику серебро-медь, например, Cusil. Превосходной альтернативой является сплав меди, серебра и олова под названием Cusiltin. Также пригодны медно-серебряно-фосфорные сплавы, например Sil-Fos.

Пластмассы

• Некоторые фторполимеры , например поливинилиденфторид , пригодны для использования в вакууме. Они имеют низкую дегазацию и устойчивы к более высоким температурам.
  • Политетрафторэтилен ( ПТФЭ или тефлон) обычно используется внутри вакуумных систем. Он самосмазывающийся, хороший электроизолятор, устойчив к довольно высоким температурам и имеет низкое газовыделение. Он не подходит в качестве барьера между вакуумом и атмосферой, так как в некоторой степени проницаем для газов. Однако керамика – лучший выбор.
• Полиэтилен можно использовать, но требует тщательной дегазации. Nalgene можно использовать как более дешевую альтернативу стеклянным колпакам .
• Vespel Полиимид очень дорог, но хорошо обрабатывается, обладает хорошими электроизоляционными свойствами и совместим со сверхвысоким вакуумом.
• ПВХ , несмотря на высокую скорость газовыделения, может использоваться в ограниченных случаях для вакуумных линий грубой очистки.
• Нейлон самосмазывающийся, но имеет высокую скорость газовыделения и высокое сродство к воде.
• Акрилы имеют высокую скорость газовыделения и высокое сродство к воде.
• Поликарбонаты и полистирол являются хорошими электроизоляторами с умеренным выделением газов.
• PEEK (полиэфирэфиркетон) имеет относительно низкие показатели газовыделения (0,31% общей потери массы (TML), 0,00% собранных летучих конденсируемых веществ (CVCM), 0,06% восстановленного водяного пара (WVR)).
• Каптон – разновидность полиимидной пленки, имеет очень низкое газовыделение. Каптон не рекомендуется использовать в качестве альтернативы керамике.
• Некоторые эластомеры обладают достаточными вакуумными свойствами для использования в вакуумных уплотнительных кольцах:
  • NBR ( нитриловый каучук ), обычно используемый для съемных вакуумных уплотнений (пригоден для спекания только до 100 ° C).
  • ФКМс (ФПМс) , ( Витон ) применяется для съемных вакуумных уплотнений. Он лучше подходит для более низких давлений, чем нитриловый каучук , и химически гораздо более инертен . Его можно запекать при температуре 200°С.
  • FFKM ( FFPM ) имеет очень низкое газовыделение, аналогично ПТФЭ, выдерживает температуру обжига до 300 °C, при этом химически является одним из самых инертных уплотнительных эластомеров.

Стекла и керамика

• Боросиликатное стекло часто используется для небольших сборок и смотровых окон. Его можно хорошо обработать и соединить. Стекла можно соединить с металлами .
• Фарфор и глиноземная керамика, когда они полностью остеклованы и, следовательно, непористы, являются отличными изоляторами, пригодными для использования при температуре до 1500 °C. Некоторая керамика может подвергаться механической обработке. Керамику можно соединять с металлами .
• Macor — это обрабатываемая керамика, которая является отличной альтернативой оксиду алюминия, поскольку в процессе обжига оксида алюминия могут изменяться размеры и допуски.

Смазочные материалы

Смазка движущихся частей является проблемой для вакуума. Многие смазочные материалы имеют неприемлемую скорость газовыделения. другие (например, графит ) теряют смазочные свойства.

• Вакуумные смазки – это смазки с низким выделением газов.
  • Смазка Ramsay представляет собой старую смесь парафина, вазелина и натурального каучука, пригодную для использования при температуре примерно до 25 °C и при низком вакууме примерно до 1 Па.
  • Krytox — это вакуумная смазка на основе фторэфира, применимая при температуре от −75 до более 350 °C, не воспламеняющаяся даже в жидком кислороде и обладающая высокой устойчивостью к ионизирующему излучению .
  • Полифенилэфирные смазки
  • Torrlube , торговая марка, охватывающая линейку смазочных масел на основе перфторполиэфиров .
• Сухие смазочные материалы могут вводиться в пластмассы в качестве наполнителей, в качестве компонента спеченных металлов или наноситься на металлические, керамические и пластиковые поверхности.
  • Дисульфид молибдена представляет собой сухую смазку, 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 цены на дисульфид молибдена выросли до сопоставимого уровня. Работоспособность от −188 до +1316 °С в вакууме, от −273 до +650 °С в нормальной атмосфере.
  • Гексагональный нитрид бора представляет собой графитоподобную сухую смазку, используемую в космических аппаратах.

Эрнеста Лоуренса 4-дюймовый циклотрон . Циклотрон D-образной формы с вакуумными соединениями стекло-металл, изготовленными из воска Фарадея.

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 вакууме. Он начнет разлагаться при высоких температурах, но в остальном очень стабилен с очень небольшим выделением газов. Также доступны другие эпоксидные смолы, рассчитанные на вакуум. Для монтажа или соединения тонкой металлической фольги, решеток или других небольших деталей, которые не будут подвергаться нагрузкам, в качестве клея можно использовать серебряную или золотую пасту. После фиксации материала(ов) серебряной пастой деталь необходимо прокалить (при температуре >200 °C) на воздухе в течение >24 часов для удаления летучих веществ перед помещением в вакуум.
• Faraday Wax, возможно, является более дешевой альтернативой Torr-Seal, но не менее эффективной. Действительно, некоторые из его физических свойств делают его более предпочтительным, чем эпоксидные смолы. Воск Фарадея представляет собой пластичное твердое вещество темно-красного цвета с низкой температурой плавления. Соединения можно выполнить с помощью воска Фарадея, нагревая две соединяемые поверхности, а затем прижимая воск к нагретым поверхностям, как при пайке. Эти соединения подходят до 10 ⁻⁷ мбар и может быть изготовлен между стеклом и металлом. Впервые он был описан Майклом Фарадеем в «Химических манипуляциях» 1827 года. По весу:
  • 1 часть пчелиного воска
  • 5 частей канифоли (канифоли)
  • 1 часть венецианского красного
• Современный воск, предназначенный для использования в высоком вакууме, — это Apiezon Wax W.

Материалы для использования в космосе

В дополнение к вышеизложенным проблемам, материалы для использования в космических кораблях должны выдерживать радиационное повреждение и высокоинтенсивное ультрафиолетовое излучение , тепловые нагрузки от солнечного излучения, радиационное охлаждение корабля в других направлениях и тепло, выделяемое в системах космического корабля. Еще одной проблемой для орбит, расположенных ближе к Земле, является присутствие атомарного кислорода , приводящего к коррозии открытых поверхностей; алюминий – особенно чувствительный материал . Серебро, часто используемое для наплавленных межсоединений, образует слой оксида серебра, который отслаивается и может разрушаться вплоть до полного выхода из строя.

Чувствительные к коррозии поверхности можно защитить подходящим покрытием , чаще всего золотом ; кремнезема . также возможен слой Однако слой покрытия подвержен эрозии микрометеороидами .

См. также

• Вакуумная техника