Hauptfaktoren, die bei der Auswahl von Vakuummaterialien zu berücksichtigen sind

Gasdurchlässigkeit

Der Vorgang, bei dem ein Gas in eine feste Sperrschicht eindringt, diffundiert, diese durchdringt und von einer dichten Seite zu einer dichten Seite überströmt, wird als Infiltration bezeichnet.

Die Permeabilität hängt von der Art des Gases und des Materials ab. Bei Metallen ist der Gasdurchlässigkeitskoeffizient einiger Metalle (wie Edelstahl, Kupfer, Aluminium, Molybdän usw.) sehr gering und kann in den meisten praktischen Anwendungen vernachlässigt werden, während Wasserstoff für einige Metalle wie Eisen, Nickel usw. eine hohe Durchlässigkeit aufweist. Die Durchlässigkeit von Wasserstoff für Stahl steigt mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt, so dass es besser ist, kohlenstoffarmen Stahl als Vakuumkammermaterial zu wählen. Darüber hinaus haben einige Metalle eine selektive Permeation von Gasen, wie z. B. Wasserstoff ist sehr leicht Palladium zu durchdringen, und Sauerstoff ist leicht zu gießen Silber und so weiter. Diese Eigenschaft kann für die Gasreinigung und die Erkennung von Vakuumlecks genutzt werden.

Die Permeation von Gas in Glas und Keramik erfolgt in der Regel in Form eines molekularen Zustands, und der Permeationsprozess hängt mit dem Durchmesser der Gasmoleküle und der Größe der Mikroporen im Material zusammen. Der Mikroporen-Durchmesser von Quarzglas, das reines Siliziumdioxid enthält, beträgt etwa 0,4 nm, und der effektive Porendurchmesser anderer Gläser nimmt ab, weil Alkalimetallionen (Kalium, Natrium, Barium usw.) in die Mikropore eingefüllt werden, so dass die Gase für Quarzglas durchlässiger sind und für andere Gläser weniger durchlässig. Da der Durchmesser der Heliummoleküle von allen Molekülen am kleinsten ist, ist die Permeation von Helium in Quarzglas die größte unter den Gas-Feststoff-Paaren.

Die Permeation von Gasen in organische Materialien (wie Gummi und Kunststoffe) erfolgt normalerweise im molekularen Zustand. Aufgrund der größeren Poren von organischen Materialien ist die Gasdurchlässigkeit für organische Materialien viel größer als die von Glas und Metall.

Die Entgasungseigenschaften des Materials

Jedes feste Material kann sich während des Herstellungsprozesses und in der Atmosphäre auflösen und Gase aufnehmen. Wenn das Material in ein Vakuum gebracht wird, wird das ursprüngliche dynamische Gleichgewicht zerstört, und das Material gibt aufgrund von Solubilisierung und Desorption Luft ab. Die allgemein verwendete Einheit für die Abgasrate ist Pa * L/(s * cm2). Die Abgasrate ist in der Regel positiv mit dem Gasgehalt und der Temperatur im Material und der Einheit der Gesamtgasabgabe: Pa * L/cm2 kann verwendet werden, wenn der Volumengehalt berücksichtigt wird.

Entgasung bei Raumtemperatur

Die meisten organischen Materialien bestehen hauptsächlich aus Wasserdampf, der sich durch eine hohe Verlassensrate und eine langsame Abschwächung mit der Zeit auszeichnet. Daher sind sie im Allgemeinen nicht für die inneren Teile von Vakuumbehältern geeignet. Die Luft, die bei normaler Temperatur aus Glas und Keramik austritt, kommt hauptsächlich von der Oberfläche, und die Hauptluftkomponente ist Wasserdampf, gefolgt von CO und CO2. Nach dem Einbrennen und Erhitzen kann der Wasserdampf im Oxidationsfilm auf der Glasoberfläche im Wesentlichen entfernt werden, und die Entlüftungsrate bei Raumtemperatur kann erheblich reduziert werden.

Hochtemperatur-Entgasung

Einige Strukturmaterialien wie Molybdän-Elektroden, Tantal-Targets, Bor-Verdampfungsquellen, Heizgeräte und andere Ausrüstungen befinden sich im Prozess des Vakuumsystems häufig in einem Hochtemperaturzustand. Es wird allgemein angenommen, dass die Hochtemperaturexhalation von Materialien hauptsächlich durch den Diffusionsprozess im Körper bestimmt wird und dass die an der Oberfläche desorbierte Gasmenge nur einen kleinen Teil der gesamten Exhalation ausmacht. Abgesehen von der Beschleunigung des Diffusionsprozesses unterscheidet sich die Hochtemperaturentgasung von Glas, Keramik und Glimmer nicht grundlegend von der Entgasung bei Raumtemperatur. Das diffundierte Gas aus dem Hochtemperaturkörper eines Metalls ist jedoch anders. Da das im Metall gelöste Gas atomar ist, wird das im Vakuum austretende molekulare Gas in der Regel durch die Oberflächenreaktion gebildet. Einige Metalle (z. B. Ni und Fe) werden hauptsächlich durch Sauerstoffdiffusion im Körper kontrolliert. Daher kann die Dekarbonisierung von Metallen die CO- und CO2-Emissionen verringern.

Glas, Metall-Oberflächenschicht ist auch eine wichtige Quelle von Hochtemperatur-Gas, so dass die Verwendung einer Vielzahl von Verfahren zur Oberflächenbehandlung, wie z. B. chemische Reinigung, organische Dampfentfettung, Polieren, Korrosion, atmosphärische Backen Oxidation kann stark reduzieren das Material Gas. Darüber hinaus hängt die Geschwindigkeit der Materialentgasung nicht nur von der Entgasungszeit ab, sondern auch stark von der Oberflächenvorbehandlungsmethode und dem Oberflächenzustand des Materials. Wenn beispielsweise eine Oberfläche mit einem organischen Lösungsmittel gereinigt wird, um Fett zu entfernen, kann die Verunreinigung einer einzelnen Molekularschicht auf der Oberfläche nicht entfernt werden, sondern nur durch Einbrennen im Vakuum.

Der Dampfdruck und die Verdampfungsrate des Materials

In der Vakuumtechnik sind der Dampfdruck und die Verdampfungsrate (Sublimation) von Materialien wichtige Parameter. Der Sättigungsdampfdruck von Vakuumfett und vakuumgeregeltem Heißdraht kann z. B. der Grund für die Begrenzung des Vakuumgrades sein; die Sublimationsrate von Vakuumbeschichtungsmaterialien und Getter ist ein Parameter, der bei der Konstruktion von Vakuumbeschichtungsanlagen und Getterpumpen berücksichtigt werden muss; der Sättigungsdampfdruck von kryogenem Flüssiggas ist ein Parameter, der mit dem Grenzdruck der kryogenen Kondensationspumpe zusammenhängt.

Es liegt auf der Hand, dass Materialien mit hohem Dampfdruck im Betriebstemperaturbereich des Vakuumsystems nicht verwendet werden können. Im Betriebstemperaturbereich sollte der Sättigungsdampfdruck aller Materialien, die dem Vakuum ausgesetzt sind, niedrig genug sein, und das Vakuumsystem sollte den erforderlichen Arbeitsvakuumgrad nicht aufgrund seines eigenen Dampfdrucks oder der Eigenschaften des Abgases nicht erreichen können. Obwohl der Dampfdruck einiger Materialien bei Raumtemperatur niedrig oder manchmal nicht wahrnehmbar ist, kann der Dampfdruck mit zunehmender Temperatur auf den gemessenen Wert ansteigen.