第十一講：真空材料        張以忱 (東北大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

       中圖分類號(hào):TB743;TB79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:E 文章編號(hào):1002-0322(2003)Ol-0060-03 5其它真空材料

       5.1真空泵的工作介質(zhì) 機(jī)械泵油：適當(dāng)?shù)恼扯取⑤^低的飽和蒸氣壓。 擴(kuò)散泵油：為了獲得較低的入口壓力及較少的返流率，希望泵油在常溫下具有很低的飽和蒸氣壓，含易揮發(fā)(輕餾分)的成分少、溶解氣體的能力低，粘度適宜。然而，又希望在鍋爐溫度下，泵油具有較高的蒸氣壓以保證足夠密度的蒸汽射流抽氣。熱穩(wěn)定性及抗高溫氧化性好。 擴(kuò)散噴射泵油：由于要求油增壓泵在高壓力(10～10^-2Pa)下有較高的抽氣量，所以泵油的熱穩(wěn)定性和抗氧化性一定要好。在鍋爐溫度下有較高的飽和蒸汽壓(室溫下的蒸汽壓并不需要很低)，餾分要窄。 5.2輔助密封材料 真空輔助密封材料主要依據(jù)真空密封的部位和真空度不同分為封蠟、封脂、封泥和封漆等。 5.2.1真空封蠟 真空封蠟是由瀝青、蟲(chóng)膠、蜂膠等有機(jī)物制成的，用于可拆但不可動(dòng)的接頭處密封或填封小漏孔等。真空封蠟的軟化溫度為50～100℃，使用時(shí)加熱軟化涂于漏處，其飽和蒸氣壓在1.3×10^-4Pa以下。商品封蠟有20#、50#、80#幾種，標(biāo)號(hào)越大其粘度越大。

       5.2.2真空封脂 真空封脂主要用于真空系統(tǒng)的磨口、活拴及活動(dòng)連接處的密封和潤(rùn)滑，是一種脂膏狀物質(zhì)。
       真空封脂的性能如表31所示。
       表31國(guó)產(chǎn)真空脂主要性能 名稱 成分 滴點(diǎn)^oC 20^oC時(shí)飽和蒸氣壓Pa z*高使用溫度^oC 1#真空脂2#真空脂3#真空脂4#真空脂7501高真空脂 高分子碳?xì)浠衔锔叻肿犹細(xì)浠衔锔叻肿犹細(xì)浠衔镌砘栌图庸璺?676971210/ 2.8×10^-64.1×10^-61.3×10^-710^-5～10^-610^-4 303035130-40～200 上表中的真空脂的粘度按標(biāo)號(hào)依次由小到大。一般真空脂的工作溫度較低，真空脂的使用溫度范圍是由其粘度來(lái)決定的。粘度也是真空脂的一個(gè)很重要的參數(shù)。油脂的粘度一般不應(yīng)太大，以保證密封件能自由運(yùn)動(dòng)。但如果粘度過(guò)低，又會(huì)造成油脂在外界大氣壓力的作用下而漏進(jìn)真空系統(tǒng)中。所以真空脂的選用應(yīng)依照使用場(chǎng)合、工作溫度等情況綜合考慮，如冬季室溫可選用軟而粘度小的油脂；夏季室溫可選用硬而粘度大的油脂；工作溫度較高時(shí)應(yīng)選用4#脂為宜。在使用時(shí)油脂應(yīng)涂得少而勻，以免污染系統(tǒng)。

       5.2.3真空封泥 真空封泥是由高粘度低蒸氣壓的石蠟與高嶺土為主要原料混合而成的一種油泥。其可塑性好，易成形。它的飽和蒸氣壓不大于6.6×10^-2Pa，使用溫度在35℃以下。適于低真空系統(tǒng)略有振動(dòng)且經(jīng)常拆卸的部位，或臨時(shí)密封用。真空封泥對(duì)金屬和非金屬均有很好的附著力。

       5.2.4真空漆 真空漆(如紫漆和甘酞樹(shù)脂漆)也可在真空技術(shù)中刷涂或噴涂于零件表面及焊縫用來(lái)堵漏或防止H₂滲入金屬器壁中。它的飽和蒸氣壓較低(約1×10^-4Pa)。在干燥和硬化后能承受200℃以下的溫度，同時(shí)還具有良好的抗腐蝕能力。使用中應(yīng)注意的是，不能在系統(tǒng)處于真空狀態(tài)時(shí)進(jìn)行漆的涂刷，以免被大氣壓入系統(tǒng)中。

       5.3真空粘接劑

       5.3.1環(huán)氧樹(shù)脂封膠 環(huán)氧樹(shù)脂是膠合能力特別強(qiáng)的一種膠合劑，它的飽和蒸汽壓較低，使用溫度高，即使在200℃溫度下，也能保證可靠的密封及足夠的機(jī)械強(qiáng)度。 例如：市場(chǎng)上出售的低蒸汽壓樹(shù)脂(托封接)便是一種。它能用在10^-4Pa的真空系統(tǒng)中。一般,這種密封樹(shù)脂商品同時(shí)附有固化劑，使用時(shí)按比例混合?；旌虾蟊仨毩⒓词褂谩Ｒ话阍谑覝叵?～2h便可硬化，24h內(nèi)完全固化。如在60℃的溫度，則可在30min內(nèi)硬化，1.5h內(nèi)完全同化?？膳c金屬、陶瓷或玻璃形成高強(qiáng)度的粘合。并可耐120℃烘烤，長(zhǎng)期保持牢固。缺點(diǎn)放氣率較大，但可以采取措施降低。 

       5.3.2氯化銀 氯化銀可用作高真空非匹配封接的材料。它具有很高的塑性，通過(guò)高溫處理能與很多種材料粘接。它的飽和蒸汽壓亦較低，在300℃時(shí)為10^-5Pa；400℃時(shí)為10^-3Pa；995℃時(shí)為1000 Pa。它的熔點(diǎn)為457.5℃。用氯化銀封接的地方，可經(jīng)300～400℃反復(fù)烘烤而不影響其工作性能。 通常購(gòu)到的氯化銀是粉末狀。使用前應(yīng)先加工成薄片狀。加工方法如下：先將氯化銀粉末置于陶瓷坩堝中加熱至500讓其熔化，用石墨棒清除浮渣后，將熔化的氯化銀倒于石墨板上，迅速用石墨棒滾壓即成。厚度以O(shè).3 mm左右為宜。制成的薄片用酒精洗干凈，保存于深色玻璃瓶中備用。氯化銀封接玻璃時(shí)，必須先將其表面拋光，并覆以金膜、銀膜或白金膜。然后才能涂氯化銀。
 
       5.3.3厭氧膠 厭氧膠是一種較新型的在真空技術(shù)中應(yīng)用的膠種?？梢杂迷诤附踊蛘辰蛹亩侣?。特別是精加工后的焊接件，或因砂眼氣孔，或因應(yīng)力重新分布形成的裂縫而產(chǎn)生的微漏，或者是有些焊接件由于結(jié)構(gòu)限制，以致無(wú)法用傳統(tǒng)的焊接方法堵漏的場(chǎng)合。厭氧膠是單組分膠，室溫固化。使用時(shí)操作簡(jiǎn)單，不需配比混合，它不含溶劑，滲透性好，能滲入并填滿整個(gè)漏縫空間，而且沒(méi)有像機(jī)硅交聯(lián)劑那樣因溶劑揮發(fā)而產(chǎn)生暫留空間。其固化率近于100％，因此固化后組織致密、細(xì)實(shí)，有優(yōu)良的氣密性。厭氧膠同化后強(qiáng)度高(剪切強(qiáng)度高達(dá)250～350 kg／cm²)，且能耐油、鹽、酸、堿、有機(jī)溶劑等介質(zhì)的腐蝕，絕緣強(qiáng)度高，膨脹系數(shù)與鐵相接近，并對(duì)金屬有防銹作用。在結(jié)構(gòu)允許的場(chǎng)合，可代替焊接、靜配合等傳統(tǒng)的工藝方法而應(yīng)用于真空系統(tǒng)中條件允許的元件組合，尤其適用于常規(guī)加工方法比較困難的場(chǎng)合。但是通常厭氧膠受到使用溫度和蒸氣壓的限制，僅適用于使用溫度在150℃以下的一般真空系統(tǒng)，不宜在需要烘烤的超高真空和潔凈真空?qǐng)龊舷聭?yīng)用。

       5.4吸氣劑與吸附劑 

       5.4.1吸氣劑 吸氣劑大量應(yīng)用于真空電子器件中，它對(duì)器件的性能及使用壽命有重要的影響：
       ①在器件的排氣封離后和老煉過(guò)程中消除殘余的和重新釋放的氣體；
       ②在器件的儲(chǔ)存和工作期間維持一定的真空度；
       ③吸收器件在工作中所激發(fā)釋放的氣體。由于吸氣劑在電真空器件放氣、漏氣時(shí)吸收氣體，為器件創(chuàng)造了良好的工作環(huán)境，因而大大延長(zhǎng)了器件的壽命，穩(wěn)定了器件的特性參量。另外，吸氣劑的用途在不斷擴(kuò)大，如用于太陽(yáng)能集熱管等真空器件和制成各類吸氣劑泵，應(yīng)用到科研及工業(yè)中去。在真空中所用的吸氣劑一般分蒸散型和非蒸散型兩類，后者又發(fā)展制成吸氣劑泵(如鋯鋁吸氣泵等)。
 
       ①蒸散型吸氣劑也稱為擴(kuò)散型或閃燒型，主要用于電真空器件中。如鈣、鎂、鍶、鋇等，其中以鋇類吸氣劑用的z*多。目前常用的主要有鋇鋁合金(BaAl₄)吸氣劑，用于顯象管等器件中的吸氣劑。 蒸散型吸氣劑又可分為兩類：(一)吸熱型，它對(duì)溫度的依存性強(qiáng)，蒸散重復(fù)性差，需要吸收大量熱才能蒸散，因而現(xiàn)在已不大使用了。(二)放熱型吸氣劑，它克服了吸熱型吸氣劑的缺點(diǎn)，在鋇鋁合金或鋇化合物中加入鎳、鐵、鈦、釷等粉末。這樣，在吸氣劑激活蒸散時(shí)放出大量的熱，降低了蒸散吸氣劑的溫度，蒸散重復(fù)性好。目前常用的放熱型吸氣劑包括：鋇鈦、鋇釷吸氣劑。這類吸氣劑吸氣性能好，但釷有放射性，現(xiàn)國(guó)內(nèi)各類功率發(fā)射管、振蕩管、攝像管中多用鋇鈦吸氣劑，有時(shí)也使用鋇鋁鎳吸氣劑。目前在彩色顯象管中使用的是滲氮吸氣劑，它在蒸散放熱反應(yīng)中放出大量的氮?dú)猓诖罅夸^蒸散時(shí)由于與氮分子的碰撞，使吸氣劑鋇膜不致附著在屏面或蔭罩上面而是集聚在管頸周圍，不但吸氣性能好，還提高了屏的亮度，比普通吸氣劑優(yōu)越多了。 
       ②非蒸散型吸氣劑是體積型的吸氣劑（涂層型），它分為單質(zhì)體積型、合金體積型、大比表面積型三種。它們適于應(yīng)用在不能使用鋇膜吸氣的場(chǎng)合。例如：器件體積很小，無(wú)合適的蒸散沉膜表面，怕漏電和怕引入寄生電容的器件以及工作溫度高的器件等均不能用蒸散型吸氣劑。 單質(zhì)型包括鋯、鈦、釷、鉭等物質(zhì)，把它們做成線、條粉狀放于器件的柵、陽(yáng)極等處高溫吸氣（一般工作溫度為600℃），但是在低溫下它們不吸氣。 合金型包括鋯鋁、鋯硅、鋯鈦等吸氣劑。其中常用的有鋯鋁16（牌號(hào)st101），它在大氣中很穩(wěn)定，且具有低溫吸氣性能，彌補(bǔ)了單質(zhì)型的不足。
       一般把它制成環(huán)狀、片狀、帶狀等用于功率管、磁控管、真空繼電器、氣體激光器等器件。用鋯鋁壓帶制成鋯鋁吸氣泵，在400℃下工作，可代替油擴(kuò)散泵用作器件排氣，它的z*大特點(diǎn)是對(duì)氫及氫的同位素氘、氚等的抽速很大。用它還可以制成便攜式超高真空系統(tǒng)，封于大型真空電子器件中作輔抽泵等，實(shí)踐證明效果較理想。 大面積體積型吸氣劑，是用細(xì)顆粒單質(zhì)吸氣劑物質(zhì)制成的具有大活性表面的吸氣劑。包括鋯鎢、鋯釩鐵、鋯石墨等類型。其中鋯石墨吸氣劑（st171）在室溫下有良好的吸氣性能，甚至比蒸散型純鋇膜吸氣性能還好。但是它的高溫吸氣性能不如鋯鋁16，可它在400℃時(shí)卻能吸附甲烷等碳?xì)浠衔?。在真空電子器件中，?duì)那些體積受限制的器件、不使用熱絲的無(wú)源器件、生產(chǎn)排氣周期長(zhǎng)的器件、不希望有碳?xì)浠衔锛鄣钠骷约笆褂娩^類吸氣劑使絕緣性能變壞，產(chǎn)生打火擊穿廢品多的器件等，均應(yīng)考慮使用鋯石墨吸氣劑。目前已在X光管、圖象轉(zhuǎn)換器、攝像管、磁控管、靜電懸浮陀螺儀、心臟起搏器等裝置中廣為使用。

       5.4.2吸附劑 吸附劑與吸氣劑相反，它是在低溫下具有良好的吸氣性能，溫度升高時(shí)要解吸放氣。這類吸附劑常用于冷吸附泵、阱用物理吸附劑。常用的有：活性碳、活性氧化鋁、硅膠、分子篩等。 分子篩是一種人工合成的吸附劑，其原粉的粒度范圍為1～10μm。分子篩內(nèi)部含有大量的水分，當(dāng)加熱到一定溫度脫除水分后，其晶體結(jié)構(gòu)保持不變，同時(shí)形成許多與外部相通的均勻的微孔。當(dāng)氣體分子直徑比此微孔孔徑小時(shí)，可以進(jìn)入孔的內(nèi)部，從而使某些分子大小不同的物質(zhì)分開(kāi)，起到篩分的作用，所以稱之為分子篩。
       表32給出了分子篩的規(guī)格和技術(shù)特性。分子篩的容積大約有一半是空腔。小于晶孔直徑的氣體分子即可通過(guò)晶孔而吸附于晶穴的內(nèi)表面。其巨大的內(nèi)表面積決定了分子篩能大量吸氣的特性。
       例如：5Ａ型的內(nèi)表面積為585m²／g,13Ｘ型的內(nèi)表面積為520m²／g。在液氮溫度下，分子篩吸附的氣體體積約為其自身體積的50～110倍。由于分子篩晶體是離子型的，它對(duì)氣體的吸附能力與氣體分子的極性有關(guān)。例如，對(duì)于極性強(qiáng)的水分子，它就有極強(qiáng)的吸附能力，而對(duì)惰性氣體的吸附能力就很弱。因此，對(duì)于混合氣體，分子篩能先吸附某些氣體。 分子篩對(duì)氣體的吸附是物理吸附，過(guò)程是可逆的。低溫下吸附的氣體，在濕度回升時(shí)將如數(shù)地釋放出來(lái)。但釋放過(guò)程較緩慢。
       表32分子篩規(guī)格和技術(shù)特性 型號(hào) 形狀 粒度（mm） 晶穴直徑（10^-10m） 晶孔直徑（10^-10m） 堆密度（kg/L） 化學(xué)組成 吸附特性 吸水量（g/g） 吸附其它物質(zhì)的特性 3A 球形條形 φ4～6φ4 約12 3.2～3.3 0.80.53 0.4K₂O·0.6Na₂O·Al₂O₃·(2±0.08)SiO₂·4.5H₂O >0.21 只吸附H₂O；不吸附C₂H₂，C₂H，NH₃，CO₂和更大的分子 4A 球表?xiàng)l形 φ4～6φ4 約12 4.2～4.7 0.80.53 Na₂O·Al₂O₃·(2±0.08)·SiO₂·4.5H₂O >0.21 吸附H₂O，Ar，Kr，Xe，H₂，N₂，CO，O₂，NH₃，CO₂，CS₂，CH₄，C₂H₂，C₂H₆，CH₃OH，CH₂CN，CH₃NH₂，CH₃Cl，CH₃Br；不吸附丙烷及更大的分子 5A 粉末球形條形 1～4μmφ4～6φ4 約12 4.9～5.6 0.80.53 0.7CaO·0.3Na₂O·Al₂O₃·(2±0.08)SiO₂·4.5H₂O >0.25>0.21>0.21 吸附正構(gòu)烴類，直徑小于5×10^-10m的分子，吸附的主要分子與4A型分子篩相同；不吸附異構(gòu)烴、環(huán)烷烴及芳烴類 10X 粉末條形或球形 φ2～4及φ4～9 約25 8～9 0.5～0.6 0.7CaO·0.3Na₂O·Al₂O₃·(2.45±0.05)SiO₂·6H₂O >0.26>0.23 吸附異構(gòu)烷烴、環(huán)烷烴、芳烴，吸附的主要分子與4A型分子篩相同；不吸附丙烷及更大的分子 13X 粉末球形條形 φ4～6φ4 約25 9～10 0.80.53 Na₂O·Al₂O₃·(2.45±0.05)SiO₂·6H₂O >0.23 吸附小于直徑10×10^-10m的各種分子，吸水量35.5%（重量），吸附的主要分子同10X型分子篩；不吸附含氟丁胺（完）