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0510-88276101真空材料選用有講究
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氣體滲透率
氣體從密度大的一側(cè)向密度小的一側(cè)滲入、擴(kuò)散、通過和溢出固體阻擋層的過程成為滲透。該情況的穩(wěn)態(tài)流率稱為滲透率。滲透率與氣體和材料的種類有關(guān)。對(duì)于金屬，有些金屬（如不銹鋼、銅、鋁、鉬等）的氣體滲透系數(shù)很小，在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中可以忽略不計(jì)。但對(duì)某些金屬（如鐵、鎳等），氫氣對(duì)他們具有較高的滲透率。氫氣對(duì)鋼的滲透率隨含碳量的增加而增加，所以選擇低碳鋼做真空室材料為好；另外有些金屬對(duì)氣體的滲透具有選擇性，如氫氣就極容易滲透過鈀，氧氣易投過銀等。可以利用這個(gè)性質(zhì)對(duì)氣體進(jìn)行提純和真空檢漏。氣體對(duì)玻璃、陶瓷等的滲透，一般是以分子態(tài)的形式進(jìn)行的。滲透過程和氣體分子的直徑及材料內(nèi)部微孔大小有關(guān)。含純二氧化硅的石英玻璃的微孔孔徑約為0.4nm，其他玻璃因堿金屬離子（鉀、鈉、鋇等）填充于微孔之中，使其有效孔徑變小，所以各種氣體對(duì)石英玻璃的滲透性大，而對(duì)其他玻璃的滲透性就小。由于氦分子的直徑在各種分子中*小，所以氦對(duì)石英玻璃的滲透在氣體-固體配偶中的。氣體對(duì)有機(jī)材料（如橡膠、塑料）的滲透過程一般是以分子態(tài)進(jìn)行的。由于有機(jī)材料的微孔比較大，因此氣體對(duì)有機(jī)材料的滲透能力比玻璃、金屬要大得多。
材料的放氣性能
任何固體材料在制造過程中，及在大氣環(huán)境下存放都能溶解、吸附一些氣體。當(dāng)材料置于真空中時(shí)，原有的動(dòng)態(tài)平衡被破壞，材料就會(huì)因解溶、解吸而放氣。常用的放氣速率單位為Pa＊L/(s＊cm2).放氣速率通常與材料中的氣體含量和溫度成正，出氣總量的單位：考慮體積含量為主時(shí)可用Pa＊L/cm2
（1）常溫放氣。大多數(shù)有機(jī)材料放氣的主要成分是水汽，其特點(diǎn)是放棄速率較高，隨時(shí)間的衰減較慢，因此這類材料一般不宜用作真空容器的內(nèi)部零件。金屬、玻璃、陶瓷的放氣速率較低，隨時(shí)間的衰減也較快。玻璃和陶瓷的常溫放氣主要來自表層，主要放氣成分為水汽，其次為CO和CO2。玻璃經(jīng)烘烤加熱后，其表面氧化膜中的水汽可以基本除凈，使其常溫放氣率**降低。表面吸附的氣體除掉后的放氣過程由體內(nèi)擴(kuò)散決定。一般，體內(nèi)放氣的成分有H2、N2、CnHn、CO、CO2、O2，以H2居多。
（2）高溫放氣。某些結(jié)構(gòu)材料如電極、靶材、蒸發(fā)源、加熱裝置等器材，在真空系統(tǒng)的工藝過程中常處于高溫狀態(tài)。一般認(rèn)為，材料的高溫放氣主要由體內(nèi)的擴(kuò)散過程所決定，表面脫附的氣體量只占放氣總量的一小部分。玻璃、陶瓷。云母的高溫放氣，除了擴(kuò)散過程加快外，與常溫放氣沒有本質(zhì)區(qū)別。而金屬的高溫體擴(kuò)散出氣則不同，由于在金屬內(nèi)部溶解的氣體呈原子態(tài)，所以，在真空中發(fā)出的分子態(tài)氣體往往是經(jīng)過表面反應(yīng)才形成的。一般，金屬放氣的種類是H2、CO、CO2和N2、O2，以前四種居多。其中H2、N2先以原子態(tài)擴(kuò)散逸出，再在表面上結(jié)合成分子態(tài)。CO、CO2是由擴(kuò)散到表面的C與表面上的金屬氧化物或氣相中的O2、H2O反應(yīng)生成的。也有一些金屬（如Ni、Fe）主要受氧在體內(nèi)擴(kuò)散的控制，因此，對(duì)金屬進(jìn)行脫碳處理可降低CO、CO2的出氣。H2O有的直接來自表面氧化層，有的則由體內(nèi)擴(kuò)散的氫與氧化物反應(yīng)合成。
玻璃、金屬的表面層也是高溫放氣的重要來源。為此采用各種表面處理工藝，如化學(xué)清洗。有機(jī)蒸汽去脂、拋光、腐蝕、大氣烘烤氧化等，都能降低材料的放氣。另外，材料的放氣速率和所經(jīng)歷的放氣時(shí)間有關(guān)，而且和材料的表面預(yù)處理方法、表面狀況有很大關(guān)系。例如：對(duì)子清潔的表面來說，表面的光潔度越高，吸附的水汽就越少；例如，當(dāng)用有機(jī)溶劑對(duì)表面清洗去脂時(shí)，表面的單分子層污染是無法除掉的，只能靠在真空下烘烤來除掉。例如，溫度在200℃以上的真空環(huán)境下的烘烤可有效地除掉水汽，但要有效除掉氫，則必須在400℃以上的溫度下進(jìn)行真空烘烤。對(duì)真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，只有材料的放氣速率的數(shù)據(jù)是不夠的，因?yàn)橛性S多真空閥的抽氣能力是有選擇性的，所以如果能進(jìn)一步知道材料放氣中的各種氣體成分的比例，就能有針對(duì)性地選配合適的真空泵，得到更合理的設(shè)計(jì)
材料的蒸汽壓和蒸發(fā)（升華）速率
在一定的溫度下，在封閉的真空空間中，由于液體（或固體）氣化的結(jié)果，使空間的蒸汽密度逐漸增加，當(dāng)達(dá)到一定的蒸汽壓力之后，單位時(shí)間內(nèi)脫離液體（或固體）表面的分子數(shù)與從空間返回液體（或固體）表面的在凝結(jié)分子數(shù)相等，即蒸發(fā)（或升華）速率與凝結(jié)速率動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)可認(rèn)為氣化停止，此時(shí)的蒸汽壓力稱為該溫度下，該液態(tài)（或固體）的飽和蒸氣壓。
蒸汽壓Pv和蒸發(fā)（升華）速率W之間有以下關(guān)系：
在真空技術(shù)中，材料的蒸汽壓力和蒸發(fā)（升華）速率都是需要重視的參數(shù)。如：真空油脂、真空規(guī)管的熱燈絲的飽和蒸汽壓均能成為影響極限真空度的起源；真空鍍膜用材和吸氣劑的升華速率是設(shè)計(jì)真空鍍膜設(shè)備及吸氣劑泵時(shí)需要考慮的參量；低溫液化氣體的飽和蒸汽壓力則是與低溫冷凝泵極限壓力有關(guān)的參量。顯然，不能采用在真空系統(tǒng)的工作溫度范圍內(nèi)蒸汽壓力很高的材料。在工作溫度范圍內(nèi)，所有面對(duì)真空的材料的飽和蒸汽壓力應(yīng)該足夠低，不應(yīng)因?yàn)槠浔旧淼恼羝麎夯蚍艢馓匦远拐婵障到y(tǒng)達(dá)不到所要求的工作真空度。盡管室溫下某些材料的蒸汽壓很低，甚至有時(shí)覺察不出來，但隨著溫度的升高，蒸汽壓力可以上升到測(cè)得出來的值。例如，某些難溶金屬需要升高到1500℃以上才能測(cè)出其蒸汽壓力值。但是某些金屬（如鋅、鎘、鉛等）在300~500℃時(shí)的蒸汽壓力值就很高，超過了高真空系統(tǒng)所要求的壓力。例如鎘在300℃時(shí)的蒸汽壓力值是10Pa，所以這些金屬（或其合金）不能在烘烤的高真空系統(tǒng)或超高真空系統(tǒng)中使用。其他一些材料，如某些塑料或橡膠，由于其不能加溫烘烤及蒸汽壓過高，則根本不能在超高正空環(huán)境下使用。
真空材料的其他性能要求：
（1）機(jī)械強(qiáng)度。真空系統(tǒng)的器壁必須能承受得住大氣的壓力。因此它必須滿足機(jī)械強(qiáng)度和剛度的要求，應(yīng)考慮相應(yīng)尺度的結(jié)構(gòu)所能承受的總壓力。
（2）熱學(xué)性能。許多真空系統(tǒng)要承受溫度的變化，如加熱和冷卻或二者兼?zhèn)?。因而必須?duì)所用材料的熱學(xué)性能十分熟悉。不但要考慮到熔點(diǎn)，還要考慮到強(qiáng)度隨溫度的變化。例如，銅的力學(xué)性能遠(yuǎn)在低于熔點(diǎn)溫度之前就開始下降，因而不宜用銅制作真空容器的承壓器壁。另外真空系統(tǒng)的材料除了受到溫度緩慢變化 的影響外，還會(huì)受到溫度突變的影響。因此，還要考慮材料的抗熱沖擊的特性。
（3）電磁性能。許多真空系統(tǒng)中的部件必須具備能完成某項(xiàng)功能又不能與真空系統(tǒng)的要求相矛盾。例如，元件在真空室內(nèi)工作，是靠輻射發(fā)熱冷卻的，因此元件的工作溫度將會(huì)很高，使得元件的電性能可能受到影響，因此在選材及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要考慮工作部件的耐高溫及冷卻問題。
在許多真空系統(tǒng)中，往往要應(yīng)用帶電粒子束。但這些帶電粒子束往往容易受到某些不必要磁場(chǎng)的干擾。因此在有電子束或離子束的系統(tǒng)中，必須認(rèn)真考慮系統(tǒng)材料的磁性能，在某些情況下，即使很小的磁場(chǎng)也可能造成很嚴(yán)重的問題。因此必須考慮用非磁性材料。
（4）其他性能。光學(xué)性能（如觀察窗）、硬度、抗腐蝕性、熱導(dǎo)率和熱膨脹等性能在真空系統(tǒng)中也常常起著十分重要的作用。
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氣體從密度大的一側(cè)向密度小的一側(cè)滲入、擴(kuò)散、通過和溢出固體阻擋層的過程成為滲透。該情況的穩(wěn)態(tài)流率稱為滲透率。滲透率與氣體和材料的種類有關(guān)。對(duì)于金屬，有些金屬（如不銹鋼、銅、鋁、鉬等）的氣體滲透系數(shù)很小，在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中可以忽略不計(jì)。但對(duì)某些金屬（如鐵、鎳等），氫氣對(duì)他們具有較高的滲透率。氫氣對(duì)鋼的滲透率隨含碳量的增加而增加，所以選擇低碳鋼做真空室材料為好；另外有些金屬對(duì)氣體的滲透具有選擇性，如氫氣就極容易滲透過鈀，氧氣易投過銀等。可以利用這個(gè)性質(zhì)對(duì)氣體進(jìn)行提純和真空檢漏。氣體對(duì)玻璃、陶瓷等的滲透，一般是以分子態(tài)的形式進(jìn)行的。滲透過程和氣體分子的直徑及材料內(nèi)部微孔大小有關(guān)。含純二氧化硅的石英玻璃的微孔孔徑約為0.4nm，其他玻璃因堿金屬離子（鉀、鈉、鋇等）填充于微孔之中，使其有效孔徑變小，所以各種氣體對(duì)石英玻璃的滲透性大，而對(duì)其他玻璃的滲透性就小。由于氦分子的直徑在各種分子中*小，所以氦對(duì)石英玻璃的滲透在氣體-固體配偶中的。氣體對(duì)有機(jī)材料（如橡膠、塑料）的滲透過程一般是以分子態(tài)進(jìn)行的。由于有機(jī)材料的微孔比較大，因此氣體對(duì)有機(jī)材料的滲透能力比玻璃、金屬要大得多。
材料的放氣性能
任何固體材料在制造過程中，及在大氣環(huán)境下存放都能溶解、吸附一些氣體。當(dāng)材料置于真空中時(shí)，原有的動(dòng)態(tài)平衡被破壞，材料就會(huì)因解溶、解吸而放氣。常用的放氣速率單位為Pa＊L/(s＊cm2).放氣速率通常與材料中的氣體含量和溫度成正，出氣總量的單位：考慮體積含量為主時(shí)可用Pa＊L/cm2
（1）常溫放氣。大多數(shù)有機(jī)材料放氣的主要成分是水汽，其特點(diǎn)是放棄速率較高，隨時(shí)間的衰減較慢，因此這類材料一般不宜用作真空容器的內(nèi)部零件。金屬、玻璃、陶瓷的放氣速率較低，隨時(shí)間的衰減也較快。玻璃和陶瓷的常溫放氣主要來自表層，主要放氣成分為水汽，其次為CO和CO2。玻璃經(jīng)烘烤加熱后，其表面氧化膜中的水汽可以基本除凈，使其常溫放氣率**降低。表面吸附的氣體除掉后的放氣過程由體內(nèi)擴(kuò)散決定。一般，體內(nèi)放氣的成分有H2、N2、CnHn、CO、CO2、O2，以H2居多。
（2）高溫放氣。某些結(jié)構(gòu)材料如電極、靶材、蒸發(fā)源、加熱裝置等器材，在真空系統(tǒng)的工藝過程中常處于高溫狀態(tài)。一般認(rèn)為，材料的高溫放氣主要由體內(nèi)的擴(kuò)散過程所決定，表面脫附的氣體量只占放氣總量的一小部分。玻璃、陶瓷。云母的高溫放氣，除了擴(kuò)散過程加快外，與常溫放氣沒有本質(zhì)區(qū)別。而金屬的高溫體擴(kuò)散出氣則不同，由于在金屬內(nèi)部溶解的氣體呈原子態(tài)，所以，在真空中發(fā)出的分子態(tài)氣體往往是經(jīng)過表面反應(yīng)才形成的。一般，金屬放氣的種類是H2、CO、CO2和N2、O2，以前四種居多。其中H2、N2先以原子態(tài)擴(kuò)散逸出，再在表面上結(jié)合成分子態(tài)。CO、CO2是由擴(kuò)散到表面的C與表面上的金屬氧化物或氣相中的O2、H2O反應(yīng)生成的。也有一些金屬（如Ni、Fe）主要受氧在體內(nèi)擴(kuò)散的控制，因此，對(duì)金屬進(jìn)行脫碳處理可降低CO、CO2的出氣。H2O有的直接來自表面氧化層，有的則由體內(nèi)擴(kuò)散的氫與氧化物反應(yīng)合成。
玻璃、金屬的表面層也是高溫放氣的重要來源。為此采用各種表面處理工藝，如化學(xué)清洗。有機(jī)蒸汽去脂、拋光、腐蝕、大氣烘烤氧化等，都能降低材料的放氣。另外，材料的放氣速率和所經(jīng)歷的放氣時(shí)間有關(guān)，而且和材料的表面預(yù)處理方法、表面狀況有很大關(guān)系。例如：對(duì)子清潔的表面來說，表面的光潔度越高，吸附的水汽就越少；例如，當(dāng)用有機(jī)溶劑對(duì)表面清洗去脂時(shí)，表面的單分子層污染是無法除掉的，只能靠在真空下烘烤來除掉。例如，溫度在200℃以上的真空環(huán)境下的烘烤可有效地除掉水汽，但要有效除掉氫，則必須在400℃以上的溫度下進(jìn)行真空烘烤。對(duì)真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，只有材料的放氣速率的數(shù)據(jù)是不夠的，因?yàn)橛性S多真空閥的抽氣能力是有選擇性的，所以如果能進(jìn)一步知道材料放氣中的各種氣體成分的比例，就能有針對(duì)性地選配合適的真空泵，得到更合理的設(shè)計(jì)
材料的蒸汽壓和蒸發(fā)（升華）速率
在一定的溫度下，在封閉的真空空間中，由于液體（或固體）氣化的結(jié)果，使空間的蒸汽密度逐漸增加，當(dāng)達(dá)到一定的蒸汽壓力之后，單位時(shí)間內(nèi)脫離液體（或固體）表面的分子數(shù)與從空間返回液體（或固體）表面的在凝結(jié)分子數(shù)相等，即蒸發(fā)（或升華）速率與凝結(jié)速率動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)可認(rèn)為氣化停止，此時(shí)的蒸汽壓力稱為該溫度下，該液態(tài)（或固體）的飽和蒸氣壓。
蒸汽壓Pv和蒸發(fā)（升華）速率W之間有以下關(guān)系：
在真空技術(shù)中，材料的蒸汽壓力和蒸發(fā)（升華）速率都是需要重視的參數(shù)。如：真空油脂、真空規(guī)管的熱燈絲的飽和蒸汽壓均能成為影響極限真空度的起源；真空鍍膜用材和吸氣劑的升華速率是設(shè)計(jì)真空鍍膜設(shè)備及吸氣劑泵時(shí)需要考慮的參量；低溫液化氣體的飽和蒸汽壓力則是與低溫冷凝泵極限壓力有關(guān)的參量。顯然，不能采用在真空系統(tǒng)的工作溫度范圍內(nèi)蒸汽壓力很高的材料。在工作溫度范圍內(nèi)，所有面對(duì)真空的材料的飽和蒸汽壓力應(yīng)該足夠低，不應(yīng)因?yàn)槠浔旧淼恼羝麎夯蚍艢馓匦远拐婵障到y(tǒng)達(dá)不到所要求的工作真空度。盡管室溫下某些材料的蒸汽壓很低，甚至有時(shí)覺察不出來，但隨著溫度的升高，蒸汽壓力可以上升到測(cè)得出來的值。例如，某些難溶金屬需要升高到1500℃以上才能測(cè)出其蒸汽壓力值。但是某些金屬（如鋅、鎘、鉛等）在300~500℃時(shí)的蒸汽壓力值就很高，超過了高真空系統(tǒng)所要求的壓力。例如鎘在300℃時(shí)的蒸汽壓力值是10Pa，所以這些金屬（或其合金）不能在烘烤的高真空系統(tǒng)或超高真空系統(tǒng)中使用。其他一些材料，如某些塑料或橡膠，由于其不能加溫烘烤及蒸汽壓過高，則根本不能在超高正空環(huán)境下使用。
真空材料的其他性能要求：
（1）機(jī)械強(qiáng)度。真空系統(tǒng)的器壁必須能承受得住大氣的壓力。因此它必須滿足機(jī)械強(qiáng)度和剛度的要求，應(yīng)考慮相應(yīng)尺度的結(jié)構(gòu)所能承受的總壓力。
（2）熱學(xué)性能。許多真空系統(tǒng)要承受溫度的變化，如加熱和冷卻或二者兼?zhèn)?。因而必須?duì)所用材料的熱學(xué)性能十分熟悉。不但要考慮到熔點(diǎn)，還要考慮到強(qiáng)度隨溫度的變化。例如，銅的力學(xué)性能遠(yuǎn)在低于熔點(diǎn)溫度之前就開始下降，因而不宜用銅制作真空容器的承壓器壁。另外真空系統(tǒng)的材料除了受到溫度緩慢變化 的影響外，還會(huì)受到溫度突變的影響。因此，還要考慮材料的抗熱沖擊的特性。
（3）電磁性能。許多真空系統(tǒng)中的部件必須具備能完成某項(xiàng)功能又不能與真空系統(tǒng)的要求相矛盾。例如，元件在真空室內(nèi)工作，是靠輻射發(fā)熱冷卻的，因此元件的工作溫度將會(huì)很高，使得元件的電性能可能受到影響，因此在選材及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要考慮工作部件的耐高溫及冷卻問題。
在許多真空系統(tǒng)中，往往要應(yīng)用帶電粒子束。但這些帶電粒子束往往容易受到某些不必要磁場(chǎng)的干擾。因此在有電子束或離子束的系統(tǒng)中，必須認(rèn)真考慮系統(tǒng)材料的磁性能，在某些情況下，即使很小的磁場(chǎng)也可能造成很嚴(yán)重的問題。因此必須考慮用非磁性材料。
（4）其他性能。光學(xué)性能（如觀察窗）、硬度、抗腐蝕性、熱導(dǎo)率和熱膨脹等性能在真空系統(tǒng)中也常常起著十分重要的作用。
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