真空材料与工艺技术培训资料.pptx

真空材料与工艺 主讲人：张以忱东北大学真空与流体工程研究中心1 真空工程材料1. 1 真空材料的种类真空系统中所用的材料大致可分为两类：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漏气处的辅助密封用的真空封脂、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。1．2 真空材料的性能与选材基本原则1.2.1 材料的真空性能1.2.1.1 材料的渗透性 由于在真空容器器壁两侧的气体总是存在压力差，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。 从微观的角度来看，渗透过程是按以下步骤进行的（见图1） 图1 气体渗透过程示意图 气体渗透过程：1). 首先，气体原子或分子碰撞到真空器壁的外表面并吸附在器壁的外表面；2). 吸附时有的气体分子能离解成原子态；3). 气体（分子或原子）在入射一侧的壁面表层达到与环境气压相对应的平衡溶解度；4). 由于表层浓度比较高，在浓度梯度的作用下气体向壁面的另一侧扩散，直到浓度均匀为止。扩散的气体分子（原子），有的能与固体分子发生化学反应，形成化合物；有的只形成不稳定的“假化合物”；有的则构成溶质；5). 溶质气体扩散到器壁的另一面重新结合成分子态(如果存在步骤2时)后释放；或气体扩散到器壁的另一面后解吸和释出。在渗透过程中，扩散这一环节是最慢最关键的一步，它与渗透气体及壁面材料的种类和性质有密切关系。一般说来，非金属材料没有步骤（2），在非金属材料（塑料、橡胶、玻璃、陶瓷等）表面上，气体分子不离解；而金属材料能溶解的气体多数是双原子气体（如H2、O2、N2等），具有步骤（2）。但是在正常热条件下，几乎所有的惰性气体都不能溶解在金属材料的晶格中（离子注入条件下除外），因而也就不能渗透通过金属材料。在真空工程中所用的金属、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：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体积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4埃，其它玻璃因碱金属离子（钾、纳、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，而对其它玻璃的渗透性就小。而氦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。 1.2.1.2材料的出气 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、解吸而出气。对一般真空设备来说，材料的出气是真空系统中最主要的气源。常用的出气速率单位有：Pa.L/s.cm2。材料出气总量:出气速率通常与材料中的气体含量和温度成正比。所以有时（如电真空器件）也用高温下材料的出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 Pa.L/g；考虑表面含量为主时则用 Pa.L/cm2。 对真空系统设计来说，仅有材料的出气速率的数据还是不够的，因为有许多真空泵的抽气能力是有选择性的，所以进一步知道材料出气中的各种气体成分的比例，就能有针对性的选配合适的真空泵，得到更合理的设计。1.2.1.3 材料的蒸发、升华、蒸气压 物质的状态依据一定的条件而相互转化。液态转化成气态的过程称为蒸发，固态转化成气态的过程称为升华。 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，使空间的蒸气密度逐渐增加，当达到一定的蒸气压力之后，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）表面的再凝结分子数相等，即蒸发（或升华）速率与凝结速率达到动态平衡，这时可认为气化停止，此时的蒸气压力称为该温度下，该液体（或固体）的饱和蒸气压。材料的 蒸气压力 与 放气压力 区分： 材料的放气压力与材料对气体的解吸、放气或渗透有关。虽然有时放气或热解吸造成的气体压力比材料固有的蒸气压力要高的多，但是通过在真空下烘烤能够降低它们对气体压力的影响，但是材料的蒸气压力却是材料本身所固有的、不变的。1.2.2 材料的其它性能 1) 机械强