真空系统中常用材料和真空卫生.ppt

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1、真空系统中常用材料和真空卫生,真空系统中常用材料和真空卫生,一、真空材料的要求和分类二、金属及其合金材料三、非金属材料四、真空卫生,一、真空材料的要求和分类,1、材料的真空性能要求2、真空材料的其他性能要求3、真空材料的分类4、真空材料的选材原则,材料的真空性能要求,1、气体渗透率：气体从密度大的一侧向密度小的一侧渗入、扩散、通过和溢出固体阻挡层的过程成为渗透。该情况的稳态流率称为渗透率。渗透率与气体和材料的种类有关。对于金属，有些金属（如不锈钢、铜、铝、钼等）的气体渗透系数很小，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），氢气对他们具有较高的渗透率。氢气对钢的渗透率随含碳量的

2、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，氧气易投过银等。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0.4nm，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。由于氦分子的直径在各种分子中最小，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

3、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（2）当原子态渗透达到稳态时只要知道渗透系数K，就可以根据该材料的壁厚、壁的面积A，求得气体渗透量（单位时间，通过A面积的气体渗透量）为 Q=FA,2、材料的放气性能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、解吸而放气。常用的放气速率单位为PaL/(scm2).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（）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PaL/cm2（1）常温放气

4、。大多数有机材料放气的主要成分是水汽，其特点是放弃速率较高，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，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、CnHn、CO、CO2、O2，以H2居多。,（2）高温放气。某些结构材料如电极、靶材、蒸发源、加热装置等器材，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

5、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区别。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，在真空中发出的分子态气体往往是经过表面反应才形成的。一般，金属放气的种类是H2、CO、CO2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

6、氢与氧化物反应合成。,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。有机蒸汽去脂、抛光、腐蚀、大气烘烤氧化等，都能大大降低材料的放气。另外，材料的放气速率不仅和所经历的放气时间有关，而且和材料的表面预处理方法、表面状况有很大关系。例如：对子清洁的表面来说，表面的光洁度越高，吸附的水汽就越少；例如，当用邮寄溶剂对表面清洗去脂时，表面的单分子层污染是无法除掉的，只能靠在真空下烘烤来除掉。例如，温度在200以上的真空环境下的烘烤可有效地除掉水汽，但要有效除掉氢，则必须在400以上的温度下进行真空烘烤。对真空系统设计来说，仅有材料的放气速率的数据是不够的，因为有许多真

7、空阀的抽气能力是有选择性的，所以如果能进一步知道材料放气中的各种气体成分的比例，就能有针对性地选配合适的真空泵，得到更合理的设计。,3、材料的蒸汽压和蒸发（升华）速率在一定的温度下，在封闭的真空空间中，由于液体（或固体）气化的结果，使空间的蒸汽密度逐渐增加，当达到一定的蒸汽压力之后，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）表面的在凝结分子数相等，即蒸发（或升华）速率与凝结速率动态平衡，这时可认为气化停止，此时的蒸汽压力称为该温度下，该液态（或固体）的饱和蒸气压。蒸汽压Pv和蒸发（升华）速率W之间有以下关系：,在真空技术中，材料的蒸汽压力和蒸发（升华）速率都是需要重视的

8、参数。如：真空油脂、真空规管的热灯丝的饱和蒸汽压均能成为影响极限真空度的起源；真空镀膜用材和吸气剂的升华速率是设计真空镀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汽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汽压力很高的材料。在工作温度范围内，所有面对真空的材料的饱和蒸汽压力应该足够低，不应因为其本身的蒸汽压或放气特性而使真空系统达不到所要求的工作真空度（）。尽管室温下某些材料的蒸汽压很低，甚至有时觉察不出来，但随着温度的升高，蒸汽压力最终可以上升到测得出来的值。例如，某些难溶金属需要升高到1500以上才能测出其蒸汽压力值。但是某些金属（如锌、

9、镉、铅等）在300500时的蒸汽压力值就很高，超过了高真空系统所要求的压力。例如镉在300时的蒸汽压力值是10Pa，所以这些金属（或其合金）不能在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汽压过高，则根本不能在超高正空环境下使用。,真空材料的其他性能要求,（1）机械强度。真空系统的器壁必须能承受得住大气的压力。因此它必须满足最低机械强度和刚度的要求，应考虑相应尺度的结构所能承受的总压力。（2）热学性能。许多真空系统要承受温度的变化，如加热和冷却或二者兼备。因而必须对所用材料的热学性能十分熟悉。不仅要考虑到熔点，还要考虑到强度随温度的变化。例如，

10、铜的力学性能远在低于熔点温度之前就开始下降，因而不宜用铜制作真空容器的承压器壁。另外真空系统的材料除了受到温度缓慢变化 的影响外，还会受到温度突变的影响。因此，还要考虑材料的抗热冲击的特性。（3）电磁性能。许多真空系统中的部件必须具备能完成某项功能又不能与真空系统的要求相矛盾。例如，元件在真空室内工作，是靠辐射发热冷却的，因此元件的工作温度将会很高，使得元件的电性能可能受到影响，因此在选材及结构设计上要考虑工作部件的耐高温及冷却问题。在许多真空系统中，往往要应用带电粒子束。但这些带电粒子束往往容易受到某些不必要磁场的干扰。因此在有电子束或离子束的系统中，必须认真考虑系统材料的磁性能，在某些情况

11、下，即使很小的磁场也可能造成很严重的问题。因此必须考虑用非磁性材料。（4）其他性能。光学性能（如观察窗）、硬度、抗腐蚀性、热导率和热膨胀等性能在真空系统中也常常起着十分重要的作用。,真空材料的分类,真空工程的用材范围包括：真空设备的壳体，真空规管，放置于真空容器内的各种固定、活动、可拆卸机构及部件，各类密封材料，各类真空获得手段的工作物质等等。真空系统中用的材料大致分为两类：（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正空封脂、

12、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。,真空材料的选材原则,对真空容器及内部零件材料的要求（1）有足够的机械强度和刚度来保证壳体能承受住室温和烘烤温度下的大气压力，并且在加热烘烤（特别是对超高真空系统）时不发生变形。（2）气密性好。要保持一个完好的真空环境，器壁材料不应存在多孔结构。裂纹或形成渗漏的其他缺陷。有较低的渗透速率和出气速率。（3）在工作温度和烘烤温度下的饱和蒸汽压要足够低（对超高真空系统来说尤其重要）（4）化学稳定性好。不易氧化和腐蚀，不予真空系统中的工作介质及工艺过程中的放气发生化学反应（5）热稳定性好。在系统的

13、工作温度（高温与低温）范围内，保持良好的真空性能和力学性能。（6）在工作真空度及工作温度下，真空容器内部器件应保持良好的工作性能，满足作业工艺的要求。（7）有较好的延展性、机械加工性能和焊接性能，容易加工成复杂形状的壳体。,对密封材料的要求（1）有足够低的饱和蒸汽压。一般低真空时，其室温下的饱和蒸汽压力应小于1.310-11.310-2Pa；高真空时，应小于1.310-21.310-3Pa。（2）化学及热稳定性好。在密封部件，不因合理的温升而发生软化，发生化学反应或挥发，甚至被大气冲破。（3）有一定的力学及物理性能。冷却后硬化的固态密封材料、可塑密封材料或干燥后硬化的封蜡等，要能够平滑地紧贴密

14、封表面，无气泡，无皱纹。当温度变化时，不应变脆或裂开。液态或胶态密封材料应保持原有粘性。（4）某些密封材料应能溶于某些溶剂中，以便更换时易于清洗掉。对真空中应用的材料除上述要求外，在某些情况下还必须考虑其电学性能、绝缘性能、光学性能、磁性能和导热性能等等。,二、金属及其合金材料,1、铸件2、碳钢及不锈钢3、有色金属4、贵重金属5、软金属6、难熔金属7、汞8、合金材料,金属及其合金材料,在真空系统设计与制造中常用的金属及其合金材料主要有：低碳钢、不锈钢、铜、铝、镍、金、银、钨、钼、钽、铌、钛、铟、镓、可伐合金，镍铬（铁）合金、铜合金。铸铁、铸铜、铸铝等。1、铸件 金属铸件由于表面粗糙，微孔较多，

15、很少用于制造高真空系统零件。高级铸铁及有色金属铸件大多用于制造各种机械真空泵。要求铸件具有较高的致密性，通常采用的铸铁牌号有HT200、HT250、HT300等。铸造铝合金牌号有ZL109（Al，Si，Cu，Mg，Ni）、ZL203（Al，Cu）、Zl301（Al，Mg）等。当工作温度较高时，不应选用含磷、锌、镉等元素的铜合金铸件。,2、碳钢及不锈钢（1）碳钢 碳钢一般应用于低真空工作范围内。通常根据工艺要求，碳钢制造的真空室内表面需要镀层涂覆或裸露抛光。出来镀层表面以外，碳钢表面放气速率比不锈钢大得多，尤其是锈蚀表面的放气量更大，表面状态的好坏，是影响碳钢真空性能的主要因素。所以，应尽量使其

16、内表面光滑，无锈，一般情况下工作真空度越高，则对内表面也越严格。实践表明：室温时有大气渗透到真空中去的气体是很少的。然而，随着温度的升高，这种渗透量将急剧增加。在室温常压下氢气渗透过低碳钢板的速率要比低碳钢的表面放气率小几个数量级。在室温下氮渗透过低碳钢的速率远低于氢，但是在高温下则相反，故在设计热态工作真空系统时必须注意。在真空系统设计中，从材质的综合性能（真空。物理力学性能）考虑，大多采用低碳钢（软钢）为宜。特别是真空容器的壳体、阀、管道及蒸汽流泵的泵体或导流管等往往采用10号、15号、20号钢及普通炭素结构钢（Q235A）。其特点是韧性良好，机械强度适中，具有极好的机械加工性能和焊接性能

17、。Q235A属于低碳钢（含碳量低于0.22%），价格便宜，品种规格齐全，容易选购。其主要缺点是：不能用普通热处理的方法提高硬度计改善力学性能；抗腐蚀性较差。45号钢则主要用于制造轴类、杆件、螺纹类零件以及重负荷的传动机件等。令外，低碳钢（特别是Q235A）具有良好的导磁性，在避免磁效应干扰的场合，如在离子泵。磁质谱计或含有此分析器的任何系统结构中都不适用。但特别适用于需要良好导磁性的结构中，例如磁控溅射靶的磁极靴等。,（2）不锈钢,不锈钢是含Cr10%25%的低碳钢，在真空工程中常用的不锈钢主要有奥式体型不锈钢和铁素体型不锈钢两种类型。奥式体型不锈钢以Cr和Ni作为主要合金成分，铁素体型不锈钢

18、以Cr为主要合金成分。奥式体型不锈钢中应用最多的牌号主要有0Cr18Ni9（304）、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等，它们属于耐热、耐蚀、无磁不锈钢，大量应用于真空室壳体、管路、阀体等。常用的铁素体性不锈钢主要有0Cr13、1Cr13、2Cr13、3Cr13等，主要用于具有较高韧性及受冲击负荷的零件，如耐蚀真空泵叶片、轴类、喷嘴、阀座等需要一定硬度计耐腐蚀的场合。真空度在1.310-4Pa以上的高真空和超高真空系统中，应该选用奥式体型不锈钢制造真空容器的壳体、管道或其他零部件。这种不锈钢具有优良的抗腐蚀性、放气率低、无磁性、焊接性好，其导电率及导热率较低，能够在-270900范围内工

19、作，并具有较高的强度、塑性及韧性。这些性质使得奥式体型不锈钢成为目前金属超高真空系统中应用系统中应用的主要结构材料，例如，超高速真空室、工作架、支架、法兰、螺栓螺母及超高真空泵（离子泵，低温泵，吸附泵等）等。不锈钢就其磁性而言，分为有磁性和无磁性的。应注意的是，不锈钢并非绝对非磁性的，而使导磁率很小。而且，冷加工恩那个狗增加不锈钢的导磁性。常用的无磁性不锈钢的主要缺点是抗晶界间腐蚀不稳定，尤其是在焊接时，受热在450750的地方，易在晶界上形成铬的碳化物而降低材料应有的气密性。实验证明：含铬18%20%，含镍10%以下，含碳低于0.2%的不锈钢，经过10501150的高温处理，可消除上述晶界间

20、不稳定的缺点。当需要耐高温、抗腐蚀或需要热处理（淬火或调质等）时，如轴、阀盖、封口等，则采用2Cr13、3Cr13、4Cr13等马氏体不锈钢为宜。但此类不锈钢的防锈性能不如奥氏体不锈钢好。,有色金属,1、镍（Ni）镍是真空技术中广泛应用的一种金属。在许多真空应用中常可以见到电真空器件中的阴极、栅极、阳极、吸气剂和热屏蔽罩以及许多其他机械构件中的基体材料。镍本身可用作基体材料；或其他材料的镀层；或许多镍合金中的一种组风。镍币其他普通普通有色金属的熔点高，蒸汽压低，抗拉强度很高，机械加工性很好，容易成形，除气和点焊，而且价格相对便宜。镍常与铬合金化形成镍铬合金，其熔点比较低，在真空中容易蒸发，沉积

21、薄膜的附着力好，附着力较差的金属材料可用镍镉合金做衬底层来增强与基片的附着力。镍镉合金也可用作薄膜电阻材料。镍的真空蒸发建议采用较粗糙的钨螺旋丝电阻加热源。在1500以上，镍会处在任何浓度下的钨形成部分液相，对钨丝迅速产生腐蚀。因此，为了限制蒸镀时镍对钨丝的腐蚀，镍的重量不应超过钨丝的30%。蒸镀镍时，可以采用氧化铍和氧化铝坩埚，也可以采用电子束轰击加热方法进行蒸发。,2、铜（Cu）铜具有很高的塑性，良好的导电和导热性能，常用于导电材料。常用的铜类材料有紫铜（纯铜）及铜合金 紫铜是真空技术中应用较多的材料，由于普通的紫铜放气苦难，普通铜中溶解的氧气在低于钢的软化点温度下不能释放出来，所以在高真

22、空及超高真空中最常见的是无氧铜，如用作蒸汽流泵的喷嘴，障板、冷阱、密封、电极等。由于无氧铜具有良好的真空气密性，对气体的溶解度低，在室温下不渗透氢和氦，而且对氧气和水蒸气的敏感性差，塑性又好，因此被广泛地用作金属超高真空系统中的可拆卸密封的密封垫片。通常，Cu的使用温度不应过高，在200以上时Cu的抗拉强度陡降，从而限制了铜在高温结构中的应用。当温度超过500时，Cu的蒸汽压比Ni的蒸汽压大约高一个数量级。无氧铜会被氧腐蚀，并在200以上时产生锈斑。它也会被含氧的酸腐蚀。另外，汞和汞蒸气对Cu也有很强的作用，因此铜一般不应用在用水银作为工作介质的场合。对铜进行蒸镀时，建议采用螺旋状钨丝或钨、钼

23、、钽蒸发舟作为电阻加热蒸发源。电子书加热虽能使用，但是由于铜的导热性很好，因此很难维持蒸发温度的恒定。铜对陶瓷和玻璃的附着力较差，因此需要在陶瓷和玻璃基片上镀制铜时，最好现在基片上沉积一薄层铬或钛膜作为底膜。,3、铝（Al）铝是一种重量轻、延展性相当好的金属。由于铝易于压制成形，且其导电导热性能好（稍次于铜），又是非磁性材料，故常用作真空室内的轻型支架，放电电极，扩散泵的喷嘴、导流管、挡油障板、分子泵中的叶片及耐腐蚀镀层等。由于铝本身很软，抗拉强度低，易于被压轧和弯曲，因而可用作密封垫片材料。铝是一种低熔点金属，他的机械强度在200左右时迅速下降，而且铝的蒸汽压相对较高，因此只能用在300一下

24、的烘烤真空系统中。但是铝在该温度范围内，对H2的溶解度很低。铝难以进行普通熔焊和钎焊，一般焊接铝要求特殊的条件（如真空钎焊）。在蒸发温度时，铝为一种高度流动的液体。他对于难溶材料极易相润湿，同时可扩散渗入到难容材料的微孔中，并能与难熔金属形成低熔点合金。融化的铝在真空中的化学活泼型仍然很强，在高温时与陶瓷材料也能产生化学反应，目前蒸镀铝时多采用钨丝或钼丝加热式蒸发源，蒸发大量的铝时可采用连续式送丝机构或感应加热式蒸发源。,4、钛（Ti）钛的强度高、重量轻，耐腐蚀，是真空工程中特别有用的金属。钛可以加工成形，而且没有磁性，因而是真空应用中理想的结构材料，适合用作镀膜设备中的磁控溅射靶材、溅射离子

25、泵的阴极等。钛对活性气体（如、CO、CO2、N2、O2以及650以上的水蒸气）的吸附性很强，蒸发在汞壁上的新鲜Ti膜形成一个高吸附能力的表面，有着优异的吸气性能，几乎能和除惰性气体以外的所有气体发生化学反应。这一性质使得Ti在超高真空抽气系统中作为吸气剂而得到广泛的应用，如用在钛升华泵、溅射离子泵中等。同铬一样，钛膜的附着力很好，对于陶瓷和玻璃基片也具有非常好的附着力，所以钛可用于附着力很好，对于陶瓷和玻璃基片也具有非常好的附着力，所以钛可用于附着力较差膜材的底膜材料。钛也可用作薄膜电阻或薄膜电容器的制作材料。蒸发钛可以采用钨螺旋丝篮式电阻加热源。此外也可以用石墨蒸发舟或电子束轰击加热对钛进行

26、蒸镀。,5、锆（Zr）纯锆是一种特别活泼的金属，可以用来作吸气剂（0，吸收氢气、氮气和氧气的能力较强，他特别对氢气及氢的同位素氘、氚等有较强的吸附能力。Zr的中子截面很小，因而可用作中子窗。Zr的二次电子发射产额低，可以将它镀在其他的基体材料上来利用Zr的这一特性。因为Zr的表面上有一层氧化膜，故有良好的抗腐蚀性。Zr对HCl、HNO3、H3PO4以及碱都具有稳定性，但能被热的浓H2SO4和王水腐蚀。Zr的氧化物ZrH2也可用作吸气剂。它具有不宜氧化的优点，并且在真空中加热会分解，留下清洁的活性Zr表面。ZrH2还可以用在陶瓷-金属封接中。,6、铬（Cr）铬在1900时溶化，但在1397下其蒸

27、气即可达到1Pa，因此铬不用溶解即可蒸发。由于铬对于各种材料的附着力都很好，特别是铬对于玻璃或陶瓷等基片的附着力比其他金属镀膜材料都好（与钛相似），所以铬可以作为附着力较差的其他镀膜材料的附着剂。镀制铬膜可采用真空蒸发和真空溅射方法。溅射所用的铬靶材料多采用粉末冶金方法制成，一般面积较小。如需要大面积的溅射靶材（如大型矩形平面磁控溅射靶），则需要多块较小面积的铬靶镶拼而成。蒸镀所用的铬材形状多为片状或颗粒状，故可采用加热舟或篮式加热丝进行蒸发。由于铬的蒸发温度较高，所用蒸发加热源材料多选用钨。也可将铬事先电镀在钨螺旋加热丝上，这一方法可提高加热接触面积，扩大蒸发面积，但应注意，钨丝在电镀之前应

28、彻底地去气。,贵重金属,1、铂（Pt）铂在高温时不与氧反应，当T500时，铂表面上所有的氧化物均会分解。在700以上时，氢能渗入铂中，但其他常见气体则不能。铂不受汞的腐蚀，但在高温下能与碱、卤素、硫、磷反应。除热王水以外，铂可耐一般的酸腐蚀。铂的化合物可用在一些高温钎焊合金、高温热电偶、坩埚和灯丝中，尤其可用在有腐蚀性气体的地方。镀Pt的Mo栅极具有寿命长、二次电子发射率低的特性。铂的膨胀性能是指很适合用作玻璃-金属密封或陶瓷-金属密封中的封接材料。铂细丝还可以封接在玻璃中用作高电导率的电极引线。在铂中加入Ir或Ni可以提高铂的硬度。由于铂的价格昂贵，所以一般只用于特殊场合。,2、钯（Pd）钯

29、是一种价格相对便宜的贵重金属，其硬度和强度类似于铂，但加工比铂稍难一点。钯和铂之间可以实现电阻焊或钎焊。与铂不同的是，钯在空气中加热会被氧化，但在870时钯的氧化物便分解了。钯对H2表现出很高的溶解度（约体积的1000倍）。钯对H2的渗透率特别高（尤其在400左右时），因此可在H2过滤器和检漏仪中应用钯（H-Pd法检漏）。钯对于玻璃和陶瓷基片的附着力很差，在这两种材料的基片上镀制钯膜时，应用铬或钛镀底膜以提高其附着力。蒸镀钯可采用钨螺旋丝电阻加热源，钨能与钨合金化，使钨丝腐蚀。也可使用氧化铍和氧化铝坩埚，用电子束轰击法蒸镀钯。,3、金（Au）金是一种延展性和可锻性都特别好的金属，而且还是极好的

30、导电体。他对气体（尤其是氧气）的化学吸附性或溶解度很弱。但金能与汞齐并溶解于汞。金很容易焊接，并且很容易用银进行自身焊接。金可用作玻璃-金属封接的镀层和玻璃表面用于电接触的镀层，也可用作某些钎焊合金的成分。可以很容易地通过蒸发金的方法给玻璃镀膜或获得金薄膜。金有时也用作超高真空烘烤系统的密封垫片材料。与钯类似，金对于玻璃和陶瓷基片的附着力很差，在这两种材料上镀制金膜时，常采用铬或钛做底膜。蒸镀金可采用钨或钼的螺旋丝或篮式电阻加热器，金能润温钨、钼和钽，但是他对钽的腐蚀比前两者为强。与铜一样，用电子束轰击法蒸镀时，其蒸发温度难以保持。可采用溅射方法镀制金膜。,4、银（Ag）银与金一样，常用作可烘

31、烤超高真空系统的阀座或阀口上的密封垫片或镀层。与金不同的是，银对O2的溶解度很高，因此应避免在含氧的气氛中对银加热或退火。另外，氧在加热的银中扩散得快，因此如同纯净的氢气通过钯的方式一样，利用这一性质可以用银作为氧的选择性过滤器。银还可用作钎焊料和硬焊料以及铜电极、金属化玻璃和电触点的镀层。有时为了增加强度，也可采用银合金，如触电银（Ag/Cu,91/9）或货币银（Ag/Cu,95/5）。,软金属,1、铟（In）铟是一种特别软，低熔点的金属，它的蒸汽压很低。铟不能进行硬加工，只能在低于其熔点（156）下使用（如用作密封垫片）。铟在熔点温度以上时，虽不氧化，但会受到大多数酸的腐蚀。铟可与汞很快形

32、成汞齐，还能与很多金属形成合金。这些合金广泛用于低电阻率接触点、导电薄膜（如用In-Sn合金制造的ITO薄膜）、焊料、传感器触电、玻璃-金属封接（1：1的In-Sn能够与玻璃和云母形成很好的浸润性）以及密封垫片材料。,时,2、镓（Ga）镓的熔点很低，在30时溶化，但是镓的蒸汽压相当低，因此可用过液体密封材料。而且由于镓在2400时仍为液体，所以可在高温温度计中应用。镓可用作大多数金属之间的密封，而且稍一加热此密封便很容易拆掉。因为镓可与很多金属形成合金，所以常用来与其他低蒸汽压金属形成合金。如In-Ga和In-Ga-Sn低共熔合金在室温下就能溶化，它们是很多金属和玻璃的优良润湿剂，而且不会造成

33、腐蚀，因此可用在阀门、动密封、液体密封（应加防尘罩）和热偶计的连接（低接触电阻、良导热触点）上，在使用中应注意的是，镓的传热和导电的各相异性相当突出。,难熔金属,1、钨（W）钨在常用的难溶材料中熔点最高，而相应的蒸汽压最低。同所有难熔金属一样，钨是有粉末压实烧结、成形和退火制成的。钨是一种很硬、很稳定的元素，但比较脆。钨没有磁性，化学性质很稳定。大多数的酸和碱对钨只有轻微的作用，而氢气、水火烯酸对钨根本没有作用。钨只能被热的王水和1:1的HF与HNO3的混合液所腐蚀。钨在900以下的空气中氧化甚微，但是在高温下，在含有氧气或其他氧化气体的大气中，钨会迅速氧化并形成WO3，因此钨在真空中的应用温

34、度为2300为宜。钨在氢气中的使用温度可达2500，而在惰性气体中的应用温度为不大于2600。当应用温度过高时，将使钨产生再结晶现象，从而形成大晶粒而产生脆化，使钨的机械强度减弱。由于钨的硬度和熔点高，因而加工与成形较困难，但片状或丝状钨的焊接很容易。钨可用作X射线管的阴极、弹簧元件、高温热电偶、炉子的蒸发皿以及焊接电极。这些都利用了钨的稳定性和高熔点。钨的真空中还被大量用作蒸发加速器、灯照加热器和电子发射灯丝的材料。钨的电子发射率虽然相对较低（逸出功相对较高），但是其具有的使用简便（只需去气）、抗热冲击及离子轰击能力强、熔点高及蒸汽压低等特点弥补了电子发射率低的缺点。当钨用作热阴极灯丝时，可

35、在钨中加入低蒸汽压的氧化物来延缓再结晶现象发生。实验结构表明，敷钍钨丝的电子发射能力比钨高得多，尤其是在较低温度下的电子发射率较高，但是敷钍钨丝的加热温度不能过高，当温度高于2500时，敷钍钨丝即开始变软变形。,2、钼（Mo）钼是一种硬度高、无磁性、化学性质稳定的难熔金属。它只是在高温时表现出氧化性。钼在真空中的使用温度不大于1600，在氢气中可达200，但在空气中，当T600时将很快形成Mo2O3而升华。钼只受热的稀HCl溶液和1：1的HF与HNO3混合液的腐蚀。在室温下，H2或干燥的O2 对钼没有影响。钼尽管有一点脆性，但比钨易于加工。可用热处理的方法或加入Nb（3%）形成合金的方法来提高

36、钼的抗拉强度。选用适当的焊料可以实现Mo与Mo或Mo与W之间的钎焊，在很清洁的条件下甚至可以实现点焊。钼没有磁性，在2670下才能彻底去气。他可以做成杆，圆筒、螺栓、螺母及加热线圈，还可以用于硬玻璃与金属的封接、真空电炉中的蒸发皿以及各种真空器件的电极。,3、钽（Ta）钽是一种重量轻、强度高的难熔金属。它的熔点很高（2900）、蒸汽压很低、对多有的活泼气体（包括氢在内）都具有较明显的吸气性能，特别是能够从残余气体中吸收氧。钽对王水（甚至沸腾的王水）、铬酸、硝酸、硫酸和盐酸都具有非常好的抗腐蚀性，但是钽溶于HF、氟化物溶液和草酸中。Ta与Nb、Ti、Zr一样，和氢结合能生成氢化物，这种氢化物破坏

37、了它的金属性质。甚至在低温（100）下所形成的氢化物也会使钽产生严重的脆性。将钽在真空中加热到760以上时，钽中的氢气则可以放出。钽能够吸收真空系统中除惰性气体外的大多数残留气体，特别是在高温（7001200）下更是如此。因此，在工作之前，对吸气表明在高真空下进行去气处理是很重要的。钽是一种好的电子发射体（）。在HCD离子镀膜设备中常用钽制作空心热阴极枪来产生电子束。用机械方法或电方法增加表面粗糙度可大幅度地提高钽的电子发射率。钽还可用作吸气剂、坩埚和高真空、高温条件下的蒸发器。与铬相仿，钽对陶瓷或玻璃基片的附着强度良好。,4、铌（Nb）铌是一种强度相当大而比重小的难熔金属，可用作真空结构方面

38、的材料。目前，Nb主要用作其他难熔金属的钎焊材料或用作吸气剂。铌无磁性，在1070下真空退火后壁Ta更容易加工。Nb的熔点低于Ta，蒸汽压却高于Ta。因此，尽管它的逸出功在所有难熔金属中最小，却很少用作热电子发射体。铌常被做成片状，以便于点焊或电子束焊接。铌也可以少量地添加到某些不锈钢中，以阻止不锈钢中的碳造成晶粒间的腐蚀。铌对氧的亲和力很强。在较高温度下，除惰性气体外，铌几乎对所有气体的亲和力都很强，因此它可以被用作吸气剂，尤其是作为高温吸气剂应用，铌等难熔金属也可用作真空设备中加热装置的电热体和隔热屏。,汞（Hg）汞是一种重金属，在室温下呈液态。汞的导电性能很好，膨胀系数变化很小，表面张力

39、大，但蒸汽压比较高，可用作多种开关、温度计、压力机（如麦式计）和液态密封材料 汞在空气中的蒸发速率很高（室温下为10-4g.cm-2.s-1）能轻微地氧化，而且汞蒸汽又有毒，因此汞应在密闭的环境中使用。汞不受干燥无硫空气的影响，化学性质十分类似于贵重金属。汞能与多数金属形成汞齐，因此除不锈钢和其他钢外的金属都不能做盛汞的容器。,合金材料,1、可伐合金 可伐（Kovar）是一种铁镍钴合金，它是在玻璃-金属密封封接中最常用的合金。它的膨胀系数与几种硬质玻璃、陶瓷相匹配。可伐玻璃密封可以烘烤到460.典型可伐合金含有53%Fe、29%Ni、17%Co、小于0.5%Mn、0.2%Si和总量小于0.25

40、%Al、Mg、Zr和Ti。可伐中的钴在合金加热时能形成宜溶化的氧化物，有利于在金属上涂覆玻璃或陶瓷。可伐可以用软焊料或硬焊料进行钎焊和熔焊，经过退火后亦可进行模压成形或切削加工。在真空技术中常用的焊接方法是在H2炉中用铜钎焊。可伐虽然有很好的抗腐蚀性，但仍不如不锈钢，因此应放在干燥的地方储存。可伐与汞及汞蒸气都不发生反应。可伐合金在453（其居里点）一下具有铁磁性，其磁化率是磁场的函数，当磁场增至7000G时，磁化率达到最大值3700G-1，然后又降下来。,2、青铜 青铜（92%93.5%Cu，其余为Sn）和磷青铜（含有微量的P）中的Cu和Sn蒸汽压低、真空气密性好，某些情况下可以用于真空设备

41、的铸造结构中。由于青铜的机械强度较大，因此多用不含锡和锌的铝青铜或铍青铜制造真空设备中所用的弹性元件、波纹管、电触点和涡轮等。然而，对于含Zn的青铜，不能用于需要加工的真空设备和系统中。,3、黄铜 黄铜含66%95%Cu，其余为Zn。黄铜具有较高的塑性，在机械加工和压力加工上下可制成形状复杂的零件。但由于含锌量高，而Zn的蒸汽压高，在加热时会放气影响真空，污染真空设备，因此其使用温度一般不超过150，所以黄铜不能用于烘烤的真空系统和超高真空系统中。一般，黄铜仅用在不需要去气的可拆卸的低真空系统中做机构件。,三、非金属材料,1、玻璃2、陶瓷3、塑料4、炭（石墨）及炭纤维制品5、橡胶材料6、辅助密

42、封材料7、吸气剂及吸附剂,非金属材料,真空系统中常用的非金属材料主要有密封材料和绝缘材料两类。1、玻璃 玻璃主要用于制造玻璃真空系统（玻璃扩散泵、阀、管道等）、金属系统的观察窗，容器及规管外壳、高压电极绝缘体等。,真空技术中用玻璃的特点 用玻璃制作真空容器的优点很多，如成本低、便于制作、透明、化学稳定性和绝缘性都好，以及透气率低等。普通玻璃不仅比可用于高真空的多数其他材料便宜，而且制造，还省去了金属系统所必须的焊接、机械加工或卷曲等加工工序。对多数小型玻璃真空系统，都可容易的通过简单的吹玻璃工艺制成。玻璃因其具有良好的电绝缘性，因而可用于高电压的电引线。玻璃对多数辐照的透明性，使人们可以方便地

43、观察真空系统中的实验。由于玻璃的透明性及绝缘性而得到的另一个优点是，很容易用高频火花检漏仪对玻璃系统检漏。玻璃用作真空系统的主要缺点是：其抗冲击强度低，抗拉强度低。因此，玻璃真空系统的体积一般比较小。,玻璃的分类,大体上可把玻璃分为两类：一类是软玻璃，其线（膨）胀系数在7010-7mm/(mm.)；一类是硬玻璃其。一般可根据软玻璃的工作温度比硬玻璃的低，来区分它们。另外不同氧化物与二氧化硅的融合，可以制成不同特性的玻璃，分类如下：（1）铅玻璃（2）钠钙玻璃（3）硼硅玻璃（4）石英玻璃,真空系统对玻璃物理性能的要求,（1）黏度（2）线膨胀系数与抗热冲击性能（3）热导率（4）电阻率（5）电击穿强度

44、,玻璃的渗透率与放气,（1）玻璃的渗透率。在室温下，基本上可以忽略气体对玻璃的渗透，除了H2和He之外，实际上玻璃对其余所有的气体都不渗透。这也是考虑选用玻璃做真空系统，尤其是形状复杂的系统的器壁材料的因素之一。气体分子的直径对渗透量的影响很大，He分子直径最小，因而渗透量最大，而Ar、N2 和O2的分子直径较大，对玻璃基本上不能渗透。实验证明：由于He分子极小，故在室温下He能渗入玻璃，其渗透率的值随着温度升高按指数规律增大。氢对玻璃的渗透率远小于氦，因而氦气是超高真空系统内主要的残留其他。玻璃的成分组成对氦的渗透影响非常大，不同种类的玻璃，其氦的渗透系数会有很大差别。氦对石英玻璃的渗透率最

45、大，对硼硅硬玻璃的渗透较少，而对钠钙软玻璃的渗透最少，因而铝硅软玻璃最适于用来制作超高玻璃真空系统，只有用某些特殊玻璃（如铝硅酸盐玻璃），才能获得高于10-10Pa的真空度。（2）玻璃的放气与除气 虽然玻璃本身富有的蒸汽压极低（10-1310-23Pa）但在制备玻璃过程中，气体被捕获于玻璃内部称为合成产物。这些气体大多由H2O、CO、CO2 和O2组成。玻璃的放气气源除了溶解于玻璃内的气体外，还被吸附在玻璃的表面上，吸附的主要成分也是水汽。玻璃有一特殊的表面层，水汽的扩散系数在表层比内部大得多。玻璃的常温放气主要来自表层，如用HF酸腐蚀掉该表层，放气量可大大减少。当玻璃表面生成水化物时，会破坏

46、玻璃边界的密封性能。尤其是玻璃处于蒸汽中时，其硅胶表面呈海绵状，大量的水蒸气吸附在其中。溶解和吸附的气体是高真空玻璃系统的放气来源，未经烘烤的硼硅玻璃系统的放气流量可达10-5Pa.m3/(s.m2)。经真空烘烤除气后可以大大减少常温放气量，因而在高真空中使用的玻璃至少在其最高温度湿度下彻底地去气。,2、陶瓷,陶瓷广泛的用在真空技术领域中，如用在电气绝缘体，小型支撑结构等，尤其是用在很高的工作温度下。多数陶瓷硬而脆、强度高、抗热震性好，能承受高温（）和高场强。陶瓷的组织结构稳定，不宜氧化，对酸、碱、盐的腐蚀也有很好的抗力。另外，陶瓷警惕中没有自由电子，一般具有很好的绝缘性。某些陶瓷具有特殊的光

47、学性能，如用作固体激光材料、光导纤维、光贮存材料等。在真空工程中，陶瓷能与可伐合金封接成强度高，达到超高真空密封的真空零件。由于大多数的陶瓷都是在粉末烧结状态模制成形，然后在焙烧除去结晶水。普通陶瓷在烧好以后，硬度极高，除了采用昂贵的研磨方法（或金刚石和超声波的加工方法）以外，几乎不能不能进行机械加工。但新近出现了一种可进行机械加工的新型玻璃-陶瓷，在真空领域中得到广泛的应用。,真空中常用的陶瓷,真空工程中所用的陶瓷基本上有三类：硅酸盐陶瓷、氧化物陶瓷及特殊品种的氮化物、硼化物、可加工陶瓷等。真空技术中最常用的机组硅酸陶瓷是：硬瓷、镁-铝硅酸盐、无碱铝陶瓷和锆石陶瓷。,可机械加工的陶瓷,（1）

48、麦考（Macor）。麦考是一种新型的可机械加工的玻璃陶瓷（2）拉瓦（Lavas）（3）氮化硼（BN）,塑料,1、聚四氟乙烯 聚四氟乙烯是四氟乙烯的聚合物，为白色或灰白色的物质。它是在高压下由三氯甲烷与氢氟酸聚合制成四氟乙烯（粉末），在370时，将得到的聚四氟乙烯粉末装模、烧结，产生一种坚韧的、非热塑性的树脂。聚四氟乙烯虽大多是结晶体，但却没有熔点。它的塑形随温度升高而增加，而力学性能则急剧变坏。在温度高于327时，转变为非流动无定形的胶状物，在高于400时，聚四氟乙烯分解，放出有毒的挥发性氟化物气体。它的低温性能也很好，温度低于-80时人能保持其韧性。聚四氟乙烯具有优良的真空性能。它的渗透率很

49、低，它在室温下的蒸汽压喝放气率都很低，比橡胶和其他塑料都要好。其25时的蒸汽压为10-4Pa，350时为410-3Pa。与其本身或钢之间的摩擦系数很低，对钢的摩擦系数为0.020.1.可用作无油轴承材料，也可用于真空动密封。其弹性和压缩性不如橡胶，而且在高负荷时趋于流动，甚至破裂。当加载高于3MPa时，产生残余变形，加载到20MPa左右时，会被压碎。因此它一般用作带槽法兰的垫片材料，而且负荷不超过3.5MPa。其具有良好的电绝缘性能。化学性质十分稳定。且能用普通的刀具进行高速切削加工。在正空技术中，聚四氟乙烯可用作密封垫片，永久或移动的引入装置的密封。绝缘元件和低摩擦的运动元件等。聚四氟乙烯的

50、应用温度范围为-80200，其最高工作温度可达到250,2、聚乙烯和聚丙烯 它们分别是依稀和丙烯的热塑高分子聚合物。它们的特点是：性能稳定。在室温下几乎不受化学腐蚀。只是在温度较高时，才会受到气体或酸的氧化。但是在紫外线的照射下会增加这种氧化效应。卤素或有机酸能够扩散透过这些热塑性材料或者被它们吸收，而且一些碳氢化合物能够引起它们鼓胀。所以，尽管聚乙烯和聚丙烯的蒸汽压在10-7Pa范围内，但是由于它们的强度和工作温度的限制，使得这些材料在真空技术中的应用受到很大的限制。,炭（石墨）及炭纤维制品,1、炭（石墨）真空技术中常用的炭是人工石墨。石墨的熔点高、蒸汽压低、热导率高、导电性好、电子发射的溢