真空泵系统材质应用如何选择？ 14.1直空材料的要求与分类 14.1.1材料的真空性能要求 在直空工程领域中、不仅要对材料的物理、化学和力学性能有所要求,而且对这些材料的 真空性能还有特殊要求 由于在真空容器器壁两侧的气体总是存在压力差,所以任 何种类的器壁材料总要或多或少 地渗透一些气体,气体从密度大的一侧向密度小的一侧渗入扩散、通过和逸出固体阻挡层的 过程称为渗透、该情况下的稳态流率称为渗透率 渗透率与气体和材料的种类有关,在真空工程领域中所用的金属、玻璃、橡胶及塑料等对气体来说或多或少都可以渗透。其渗透量随不同的气体和材料而异,而且差异较大 对金属来说,有些金属(如不锈钢、铜、铝、钼等)的气体渗透系数就很小,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),氢气对它们就具有较高的渗透率。氢气对钢的渗透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,氧气易透过银等。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0.4m,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。由于氮分子的直径在各种气体分子中最小,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。
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 Kp1/6 式中q—单位时间通过单位面积的气体渗透速率,m3(STP)/(m2·s) K—气体渗透系数,K值与气体固体配偶的性质有关,m3(STP)/(m2·s·Pa —材料的壁厚,cm或mm (2)当原子态渗透达到稳态时 q=K√p1/6 (14-2) 只要知道渗透系数K,就可以根据该材料的壁厚8、壁的面积A,求得气体渗透量(单位 14.1.1.2材料的放气性能 Q=FA 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 (I4-3) 真空中时,原有的动态平衡被破坏,材料就会因解溶,解吸面放气,常用的放气速率单位为 Pa·1/(s·cm2) 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(如电直空器件)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P:Lg考表 面含量为主时则用Pa·Lcm2 (1)常温放气。大多数有机材料放气的主要成分是水汽,其特点是放气速率较高,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,表层的水分可以完全去除,金属的常温放气圆主要来自 表面氧化膜所吸收的水汽,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、CmHm、CO、OO2、O2,以H2居多 (2)高温放气,某些结构材料如电极、杷材、蒸发源、加热装置等器件,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差别。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,在真空中放出的分子态气体往往是经过表面反应才形成的、一殷,金属放气的种 类是CO、H2,CO2、H2O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,有的则由体内扩散的氢与表面氧化物反应合成 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、有机蒸气去脂、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 14真空系统中常用材料和真空卫生 高气压八和蒸发(升华)速率W之间有以下 下关系 W=0.058,√A (14-4) 中W一蒸发(升华)速率,g/(cm2·s) A—温度T时的饱和蒸气压,Pa M—分子量,g/mol 在真空技术中,材料的蒸气压力和蒸发(升华)速率都是需要重视的参数。如:真空 脂、真空规管的热灯丝的饱和蒸气压均能成为影响极限真空度的气源;真空镀膜用材和吸气剂 的升华速率是设计真空键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气压力 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气压力很高的材料。在工作温度的范围 内,所有面对真空的材料的饱和蒸气压力应该足够低,不应因为其本身的蒸气压或放气特性而 使真空系统达不到所要求的工作真空度(或使真空度过度降低)。尽管室温下某些材料的蒸气 压很低,甚至有时觉察不出来,但随着温度的升高,蒸气压力最终可以上升到测得出来的值例如,某些难熔金属需要升高到1500℃以上才能测出其蒸气压力值。但是某些金属(如锌、铅等)在300~50℃时的蒸气压力值就很高,超过了高真空系统所要求的压力。例如镉在300℃时的蒸气压力值为10Pa,所以这些金属(或其合金)不能在带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气压过高,则根本不能在超高真空环境下使用。
