Установка длительной экспозиции использовалась для испытания различных материалов в вакууме.
Материалы для использования в вакууме — это материалы, которые показывают очень низкие показатели газовыделения в вакууме и, где это применимо, устойчивы к температурам прокаливания . Требования становятся все более строгими с желаемой степенью вакуума, которая должна быть достигнута в вакуумной камере . Материалы могут производить газ несколькими механизмами. Молекулы газов и воды могут адсорбироваться на поверхности материала (поэтому необходимо выбирать материалы с низким сродством к воде, что исключает многие пластики). Материалы могут сублимировать в вакууме (сюда входят некоторые металлы и их сплавы, в первую очередь кадмий и цинк). Или газы могут выделяться из пористых материалов или из трещин и щелей. На поверхностях могут присутствовать следы смазочных материалов, остатки от обработки. Особый риск представляет собой газовыделение растворителей, абсорбированных в пластике после очистки.
Выделяющиеся из материалов газы не только снижают качество вакуума, но и могут повторно абсорбироваться 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 требуются повышенные температуры выше комнатной); [1] однако это обычно не является проблемой. Некоторые материалы также могут расширяться или увеличиваться в размерах, вызывая проблемы в чувствительном оборудовании.
Помимо проблем, связанных с газом, материалы должны сохранять достаточную прочность во всем требуемом диапазоне температур (иногда достигая криогенных температур), сохранять свои свойства (эластичность, пластичность, электро- и теплопроводность или ее отсутствие и т. д.), быть обрабатываемыми и, по возможности, не быть слишком дорогими. Еще одной проблемой является соответствие коэффициентов теплового расширения смежных деталей.
Материалы, которых следует избегать
Материалы выделяют газы тремя способами: выделение абсорбированных газов ( десорбция из объема материала), выделение адсорбированных газов ( десорбция только с поверхности) и испарение самого материала. Первое можно уменьшить путем прокаливания, последнее является внутренним свойством материала. [2] Некоторые выделяемые газы материалы могут осаждаться на других поверхностях, загрязнять вакуумную систему и от них трудно избавиться.
Наиболее распространенными источниками неисправностей (выделения газа) в вакуумных системах являются:
Цинк , проблематичен для высокого вакуума и высоких температур, присутствует в некоторых конструкционных сплавах, например, в латуни и некоторых припоях. Имеет тенденцию отравлять горячие катоды и образовывать проводящие отложения на поверхностях. [3] Следует избегать любых материалов, покрытых цинком методом гальванизации , или предварительно удалить с них покрытие.
Свинец и сурьма используются в некоторых мягких припоях из-за выделения газа при более высоких температурах. [3]
Многие виды пластика , а именно многие виды пластиковых лент (особое внимание следует уделить клеям). Стекловолоконные композиты, например, Micarta (G-10) и G-30, следует избегать. Даже Kapton и Teflon иногда не рекомендуются. Более подробное обсуждение пластика см. ниже. [3]
ПВХ , обычно в виде изоляции проводов (также является источником утечек)
Различные остатки, например, флюс от пайки и пайки твердым припоем, а также смазочные материалы от обработки, делают тщательное очищение обязательным. Извлечение выделяющихся остатков из узких щелей может быть сложной задачей; хорошая механическая конструкция, которая избегает таких особенностей, может помочь.
Существуют также дополнительные физические проблемы, связанные с вакуумом, включая рост усов из таких материалов, как олово или цинк, что может привести к физическим проблемам или коротким замыканиям [4].
Мягкую сталь можно использовать для умеренного вакуума выше 1 × 10−6 торр (1,3 × 10−7 кПа). Выделение газа можно снизить с помощью подходящего (например, никелевого) покрытия . Она обладает высокой проницаемостью для водорода и склонна к ржавчине. Перед использованием ее следует тщательно дегазировать в вакууме.
Алюминий и алюминиевые сплавы — еще один класс часто используемых материалов. Они хорошо обрабатываются и имеют низкую степень газовыделения, если только сплавы не содержат более высокие доли цинка . Детали не должны быть анодированы , так как оксидный слой улавливает (а затем и выделяет) водяной пар. Анодирование также делает поверхность непроводящей, так что ее поверхность будет заряжаться в электростатических системах . Лучшая обработка — алохромирование , которое герметизирует поверхность, делает ее твердой и проводящей. Скорость его газовыделения значительно ниже, чем у необработанного алюминия. Алюминий и его сплавы имеют низкую прочность при высоких температурах, деформируются при сварке, а содержащие медь плохо свариваются. Алюминиевые проволочные кольца можно использовать в качестве дешевых прокладок в разборных уплотнениях. Алюминий обладает высокой теплопроводностью, хорошей коррозионной стойкостью и низкой растворимостью водорода. Потеря прочности при высоких температурах ограничивает его использование в запекаемых приложениях, но алюминий выгоден для крупногабаритных систем из-за его меньшего веса и более низкой стоимости, чем нержавеющая сталь. Использование алюминия ограничено трудностями его сварки и пайки. Его можно использовать для рентгеновских окон. [2]
Алюминиевая бронза — это материал, который выглядит и обрабатывается так же, как латунь . Он не подвержен истиранию , что делает его пригодным для скользящих посадок по нержавеющей стали.
Никель широко используется в вакуумной технике, например, в качестве механических деталей в вакуумных трубках . Он относительно дешев, может быть подвергнут точечной сварке, легко обрабатывается, имеет высокую температуру плавления и устойчив ко многим едким жидкостям и атмосферам. Его потенциальный недостаток — ферромагнетизм , что ограничивает области применения, на которые могут влиять магнитные поля. [2]
Бериллий в основном используется для изготовления рентгеновских окон.
Широко используется бескислородная медь . Она легко обрабатывается и имеет хорошую коррозионную стойкость. Она не подходит для вакуумных конвертов, которые можно подвергать термической обработке, из-за ее склонности к окислению и образованию накипи. Медные кольца используются в разборных уплотнениях. Обычная медь не подходит для высокого вакуума, поскольку ее трудно полностью дегазировать. Медь нечувствительна к водороду и непроницаема для водорода и гелия, имеет низкую чувствительность к водяному пару, но подвергается воздействию ртути. Ее прочность резко падает выше 200 °C (392 °F). Давление ее паров становится значительным при температуре выше 500 °C (932 °F). [2]
Латунь подходит для некоторых применений. Она имеет хорошую коррозионную стойкость. Содержание цинка может вызывать проблемы; выделение цинка можно уменьшить путем никелирования.
Индиевая проволока используется в качестве прокладки в разъемных уплотнениях.
Золотая проволока используется в качестве прокладки в разъемных уплотнениях для сверхвысокого вакуума, а также как альтернатива свинцово-оловянному припою для выполнения электрических соединений.
Платина — химически инертный материал с высокой стоимостью и низким газовыделением.
Цирконий устойчив к коррозии. Он имеет низкую выработку вторичных электронов , поэтому он используется в качестве покрытия областей, где важно снизить их выработку. Он используется для нейтронных окон. Он дорогой и дефицитный, поэтому его применение ограничено. Цирконий и гидрид циркония используются для геттерирования .
Вольфрам часто используется в высокотемпературных приложениях, а также для нитей в электронной/ионной оптике. Он становится хрупким от наклепа при механической деформации или при воздействии очень высоких температур.
Молибден и тантал полезны для высокотемпературных применений. [3]
Припои иногда неизбежны для соединений мягкой пайкой. Оловянно-свинцовые припои (Sn50Pb50, Sn60Pb40, Sn63Pb37) можно использовать условно, когда аппарат не нужно прогревать, а рабочие температуры не повышаются (свинец имеет тенденцию к дегазации). Лучшим выбором для вакуумных систем является эвтектика олова и серебра Sn95Ag5 (эвтектика Sn-Ag на самом деле имеет температуру плавления 96,5-3,5); ее температура плавления 230 °C (446 °F) позволяет проводить прогрев до 200 °C (392 °F). Похожий сплав 95-5, Sn95Sb5, не подходит, так как сурьма имеет такое же давление паров, как свинец. Будьте осторожны, чтобы удалить остатки флюса .
Припои используются для соединения материалов пайкой . Необходимо соблюдать осторожность при выборе сплавов, так как некоторые элементы имеют тенденцию к дегазации. Кадмий и цинк являются наиболее распространенными нарушителями. Серебро, обычный компонент припоев, может быть проблематичным при более высоких температурах и более низком давлении. Рекомендуется эвтектика серебра и меди, называемая, например, Cusil. Лучшей альтернативой является сплав меди, серебра и олова, называемый Cusiltin. Также подходят сплавы меди, серебра и фосфора, например, Sil-Fos. [3]
Пластик
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 низкую дегазацию. Он не подходит для барьера между вакуумом и атмосферой, так как он несколько проницаем для газов. Однако керамика является лучшим выбором. [3]
Полиэтилен пригоден к использованию, но требует тщательного удаления газа. Nalgene можно использовать как более дешевую альтернативу для колпаков .
Полиимид Веспел очень дорогой, но хорошо обрабатывается, имеет хорошие электроизоляционные свойства и совместим со сверхвысоким вакуумом.
ПВХ , несмотря на высокую скорость газовыделения, может использоваться в ограниченных областях применения для линий грубого вакуума.
Нейлон является самосмазывающимся, но имеет высокую скорость газовыделения и высокое сродство к воде.
Акриловые смолы обладают высокой скоростью газовыделения и высоким сродством к воде.
ПЭЭК (полиэфирэфиркетон) имеет относительно низкие показатели газовыделения (0,31% общей потери массы (ПМ), 0,00% собранных летучих конденсируемых веществ (ЛКВМ), 0,06% восстановленного водяного пара (ВВП)).
Каптон — это тип полиимидной пленки, имеет очень низкое газовыделение. Каптон не рекомендуется, если можно использовать керамическую альтернативу. [3]
Некоторые эластомеры обладают достаточными вакуумными свойствами для использования в вакуумных уплотнительных кольцах:
NBR ( нитриловый каучук ), обычно используемый для разборных вакуумных уплотнений (выдерживает температуру только до 100 °C).
FKMs (FPMs) , ( Viton ) используется для разборных вакуумных уплотнений. Он лучше подходит для более низких давлений, чем нитриловый каучук , и химически гораздо более инертен . Его можно прокаливать до 200 °C.
FFKM ( FFPM ) обладают очень низким газовыделением, аналогичным PTFE, и выдерживают температуру обжига до 300 °C, при этом химически являются одними из самых инертных уплотнительных эластомеров.
Фарфоровая и алюмооксидная керамика, когда она полностью остеклована и, следовательно, непористая, является прекрасным изолятором, пригодным для использования при температуре до 1500 °C. Некоторые виды керамики можно обрабатывать. Керамику можно соединять с металлами .
Macor — это обрабатываемая керамика, которая является прекрасной альтернативой оксиду алюминия, поскольку процесс обжига оксида алюминия может изменять размеры и допуски.
Смазочные материалы
Смазка движущихся частей является проблемой для вакуума. Многие смазочные материалы имеют неприемлемые скорости газовыделения, [5] другие (например, графит ) теряют смазочные свойства.
Смазка Ramsay — это старая композиция из парафина, вазелина и натурального каучука, пригодная для использования при температуре до 25 °C и низком вакууме до 1 Па.
Krytox — вакуумная смазка на основе фторэфира, пригодная для использования при температурах от -75 до более 350 °C, не воспламеняющаяся даже в жидком кислороде и обладающая высокой устойчивостью к ионизирующему излучению .
Torrlube — торговая марка, охватывающая ряд смазочных масел на основе перфторполиэфиров . [6]
Сухие смазки могут быть включены в пластмассы в качестве наполнителей, как компонент спеченных металлов или нанесены на металлические, керамические и пластиковые поверхности.
Дисульфид вольфрама — еще одна сухая смазка, которую можно использовать в вакууме. Ее можно использовать при более высоких температурах, чем MoS2 . Дисульфид вольфрама раньше был значительно дороже, но цены на дисульфид молибдена выросли до сопоставимого диапазона. [7] Пригоден для использования в вакууме от −188 до +1316 °C, в нормальной атмосфере от −273 до +650 °C. [8]
Torr-Seal или его общий эквивалент Hysol-1C (торговая марка в США) или Loctite 9492 (торговая марка в ЕС) — это эпоксидная смола со смолой и отвердителем для использования в вакуумных средах. Она начнет разлагаться при высоких температурах, но в остальном очень стабильна с очень небольшим выделением газа. Также доступны другие эпоксидные смолы, рассчитанные на вакуум. Для монтажа или соединения тонкой металлической фольги, сеток или других небольших деталей, которые не должны подвергаться нагрузке, в качестве клея можно использовать серебряную или золотую пасту. После фиксации материала(ов) серебряной пастой деталь необходимо запечь (при температуре >200 °C) на воздухе в течение >24 часов, чтобы удалить летучие вещества перед помещением в вакуум.
Faraday Wax, возможно, более дешевая альтернатива Torr-Seal, но столь же эффективная. Действительно, некоторые из его физических свойств делают его более предпочтительным, чем эпоксидные смолы. Faraday Wax — это ковкое темно-красное твердое вещество с низкой температурой плавления. Соединения можно делать с помощью Faraday Wax, нагревая две соединяемые поверхности, а затем прижимая воск к нагретым поверхностям, как при пайке. Эти соединения подходят для давления до 10−7 мбар [ 9] и могут быть сделаны между стеклом и металлом. Впервые он был описан Майклом Фарадеем в «Химических манипуляциях» 1827 года. [10] По весу:
Современный воск, предназначенный для использования в условиях высокого вакуума, — Apiezon Wax W. [11]
Материалы для использования в космосе
В дополнение к вышеперечисленным проблемам, материалы для использования в космических аппаратах должны справляться с радиационным повреждением и ультрафиолетовым излучением высокой интенсивности , тепловыми нагрузками от солнечного излучения, радиационным охлаждением транспортного средства в других направлениях и теплом, выделяемым в системах космического аппарата. Еще одной проблемой для орбит, близких к Земле, является присутствие атомарного кислорода , приводящее к коррозии открытых поверхностей; алюминий является особенно чувствительным материалом [ требуется ссылка ] . Серебро, часто используемое для поверхностно-осажденных межсоединений, образует слой оксида серебра, который отслаивается и может эродировать вплоть до полного отказа.
Коррозионно-чувствительные поверхности могут быть защищены соответствующим покрытием , чаще всего золотом ; возможен также слой кремния . Однако слой покрытия подвержен эрозии под воздействием микрометеоритов .
^ Карре, DJ; Бертран, PA (1999). «Анализ смазки реактивного колеса космического телескопа Хаббл». Журнал космических аппаратов и ракет . 36 (1): 109–113. Bibcode : 1999JSpRo..36..109C. doi : 10.2514/2.3422.
^ "TorrLube.com | Непревзойденный лидер в области высоковакуумной смазки". torrlube.com . Получено 08.09.2015 .
^ Ketan (2 декабря 2008 г.). "Сравнение дисульфида молибдена и дисульфида вольфрама" (PDF) . Получено 08.09.2015 .
^ "Applied Tungstenite: Aerospace: сухая пленочная смазка на основе дисульфида вольфрама WS2 и пассивация лимонной кислотой". appliedtungstenite.com . Получено 08.09.2015 .
^ Faraday Wax - самодельный исторический высоковакуумный герметик, 29 мая 2021 г. , получено 22 июня 2022 г.
^ Фарадей, Майкл (1827). Химическая манипуляция: инструкции для студентов-химиков о методах выполнения демонстрационных или исследовательских экспериментов с точностью и успехом. У. Филлипс. стр. 479.
