Основные факторы, которые следует учитывать при выборе вакуумных материалов

Газовая проницаемость

Процесс, при котором газ проникает, диффундирует, проходит через твердый барьерный слой и переливается через него с плотной стороны на плотную сторону, называется инфильтрацией.

Проницаемость зависит от типа газа и материала. Для металлов коэффициент газопроницаемости некоторых металлов (таких как нержавеющая сталь, медь, алюминий, молибден и т. д.) очень мал, и в большинстве практических применений им можно пренебречь, в то время как водород обладает высокой проницаемостью для некоторых металлов, таких как железо, никель и т. д. Проницаемость водорода для стали увеличивается с ростом содержания углерода, поэтому в качестве материала для вакуумной камеры лучше выбирать сталь с низким содержанием углерода. Кроме того, некоторые металлы обладают избирательной проницаемостью газов, например, водород очень легко проникает в палладий, а кислород - в серебро и так далее. Это свойство может быть использовано для очистки газов и обнаружения утечек в вакууме.

Проникновение газа в стекло и керамику обычно происходит в виде молекулярного состояния, а процесс проницаемости связан с диаметром молекул газа и размером микропор внутри материала. Диаметр микропор кварцевого стекла, содержащего чистый кремнезем, составляет около 0,4 нм, а эффективный диаметр пор других стекол уменьшается, поскольку ионы щелочных металлов (калия, натрия, бария и т.д.) заполняют микропоры, поэтому газы более проницаемы для кварцевого стекла и менее проницаемы для других стекол. Поскольку диаметр молекул гелия самый маленький среди всех видов молекул, проницаемость гелия в кварцевое стекло самая большая среди пар газ-твердое тело.

Проникновение газов в органические материалы (такие как резина и пластмассы) обычно происходит в молекулярном состоянии. Из-за более крупных пор органических материалов проницаемость газа для органических материалов намного выше, чем для стекла и металла.

Свойство материала к дегазации

Любой твердый материал может растворяться и поглощать некоторые газы в процессе производства и в атмосфере. Когда материал помещается в вакуум, первоначальное динамическое равновесие разрушается, и материал выделяет воздух в результате солюбилизации и десорбции. Общепринятой единицей измерения скорости выделения газов является Па * Л/(с * см2). Скорость выделения обычно положительно зависит от содержания газа и температуры в материале, а единица измерения общего выхода газа: Па * Л/см2 может быть использована, когда учитывается объемное содержание.

Дегазация при комнатной температуре

Большинство органических материалов в основном состоят из водяного пара, который характеризуется высокой скоростью улетучивания и медленным затуханием с течением времени. Поэтому они, как правило, не подходят для внутренних частей вакуумных контейнеров. Выделение воздуха при нормальной температуре из стекла и керамики происходит в основном с поверхности, и основным компонентом выделения воздуха является водяной пар, за которым следуют CO и CO2. После запекания и нагревания водяной пар в окислительной пленке на поверхности стекла может быть в основном удален, и скорость выделения воздуха при комнатной температуре может быть значительно снижена.

Высокотемпературная дегазация

Некоторые конструкционные материалы, такие как молибденовые электроды, танталовые мишени, источники испарения бора, нагревательные устройства и другое оборудование, часто находятся в высокотемпературном состоянии в процессе работы вакуумной системы. Принято считать, что высокотемпературный выдох материалов в основном определяется процессом диффузии в организме, а количество десорбированного на поверхности газа составляет лишь небольшую часть от общего выдоха. Помимо ускорения процесса диффузии, высокотемпературная дегазация стекла, керамики и слюды принципиально не отличается от дегазации при комнатной температуре. Однако диффузия газа из высокотемпературного тела металла происходит иначе. Поскольку газ, растворенный в металле, является атомарным, молекулярный газ, выделяющийся в вакууме, обычно образуется в результате поверхностной реакции. Некоторые металлы (например, Ni и Fe) в основном контролируют диффузию кислорода в теле. Поэтому декарбонизация металлов может уменьшить выбросы CO и CO2.

Стекло, поверхностный слой металла также является важным источником высокотемпературного газа, поэтому использование различных процессов обработки поверхности, таких как химическая очистка, органическое паровое обезжиривание, полировка, коррозия, атмосферное печное окисление, может значительно уменьшить газ материала. Кроме того, скорость дегазации материала зависит не только от времени дегазации, но и от метода предварительной обработки поверхности и состояния поверхности материала. Например, при очистке поверхности органическим растворителем для удаления жира, загрязнение в виде одного молекулярного слоя на поверхности не может быть удалено и может быть удалено только путем запекания в вакууме.

Давление пара и скорость испарения материала

В вакуумной технологии давление пара и скорость испарения (сублимации) материалов являются важными параметрами. Например, давление насыщенных паров вакуумной смазки и вакуумной регулируемой горячей нити может быть источником предельной степени вакуума; скорость сублимации материалов вакуумного покрытия и геттера является параметром, который необходимо учитывать при проектировании оборудования для вакуумного покрытия и насоса геттера; давление насыщенных паров криогенного сжиженного газа является параметром, связанным с предельным давлением криогенного конденсационного насоса.

Очевидно, что материалы с высоким давлением насыщенных паров в диапазоне рабочих температур вакуумной системы не могут быть использованы. В рабочем диапазоне температур давление насыщенных паров всех материалов, находящихся в вакууме, должно быть достаточно низким, и вакуумная система не должна не достигать требуемой степени рабочего вакуума из-за собственного давления пара или характеристик отходящих газов. Хотя давление паров некоторых материалов при комнатной температуре низкое или иногда незаметное, при повышении температуры давление паров может увеличиться до измеренного значения.