真空材料

护真空系统必须了解用以制造真空系统的材料的基本特性。真
空用材料的一个最伤脑筋的特性是低压强下固体中释出气体。
二、材料的气体渗透与扩散 因为在真空容器器壁两侧的气体总是存在压力差，所以即使壁 面固体上存在的微孔小到足以阻止正常气流通过时，但壁面材料总 要或多或少地渗透一些气体。则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。在这种情 况下的稳态流率称为渗透率。
种是金属晶格的原子位置被外来的原子所代替，形成置换式
固溶体。后一种情况对气体溶质来说可能性很小。 晶格的规则排列使得气体原子不容易硬挤进金属原子的
间隙中去，只有当气体原子直径比金属晶格间隙小时才有可
能。
比如，α-Fe的晶格常数是0.286nm，气体分子直径最小的氦
（0.218nm）也很难挤进去。氢、氧、氮分子直径分别为0.275nm， 0.364nm，0.375nm，但离解成原子态之后，原子直径分别为0.056 nm、0.132nm和0.142nm，可以进入金属的晶格中。 影响气体在金属中的溶解度的主要因素有： 1）气体原子外层电子的分布。热振动频率-影响亲和力。
可见，真空系统所能达到的极限压力P0，主要取决于气源的出
气量Q。Q一般由下面几部分组成：①漏孔的漏气量；②大气通
过真空室器壁材料渗透入内的气体量；③真空容器内表面材料 的蒸发、升华、分解等放出的气体量；④材料的出气；⑤抽气 系统的返流，例如扩散泵(机械泵)的反扩散气体、返流油蒸气、 溅射离子泵或低温吸附(冷凝)泵中气体的再释放等。 由上述可见，在排除真空系统的漏气和泵的返流外，真空系 统内的气源主要与材料的真空性能有关。为了正确地操作和维
可表示成： C 1 rD C D C rD C
t
C 1 C D 如果为柱对称且D与浓度无关则： r t r r r
如果为球对称且D与浓度无关则：
2.6 稳态扩散及其应用 2.6.1 气体对圆筒的渗透 如图所示的圆外完的真空容器或器件，设
其外围筒为高气压Pl的空间，内圆筒为真
空P的空间，一壁厚为 、高为L的圆筒(内、 外径分别为R1=b和R2=a)将内、外空间隔开。 应用菲克第二定律的柱坐标方程：
CO和CO2只能溶于铁、镍这样的金属中，形成碳化物。 2.4.2 气体在非金属中的溶解度 玻璃及有机材料在大气下溶解的各种气体以水汽最高，一般 为1~10cm3/cm3的数量级。
2.5 气体扩散方程
2.5.1 菲克第一定律—稳态扩散 气体在固体中扩散的规律与气体自由扩散公式有相同的形式，即：
C J D x
C(0) S P 1
C( ) S P2
由于稳态扩散时，J为常数，如果D也是常数，则令
C a x
代人边界条件得：
C( x) ax b S
C ( x)

( p2 p1 ) x S p1
根据菲克第一定律有：J D C DS ( p p ) 2 1 x
2）金属内所含杂质及其分布；
3）金属晶粒的大小和取向； 4）金相结构；
5）晶体缺陷等。
2.4 不同材料中气体的溶解度
2.4.1 气体在金属中的溶解度
氢在金属中的溶解度 （1）氢气在Ni、Fe、Co、Cr、Cu、Al、Ag、Mo、W、Pt、Mn等金属中 形成固溶体，溶解过程伴随吸热效应，称为第一类金属。溶解度小，常 用做真空设备的结构材料。 （2）氢气在Ti、V、Zr、Nb、La、Ce、Ta、Th、Pd、Hf等Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ副 族金属中形成假氢化物，溶解过程伴随放热效应，称为第二类金属。溶
CS P
（2-1），（2-2）统一改写成：
（2-2）
C SP j
2D Graph 1
（2-3）
j表示理解度（分子不离解时j =1，离解原子态时j =1/2 ）。
14 12 10
Ni-1123℃
C/cm3.100g-1
8 6 4 2 0 0 667 1334 2001 2668 3335 4002
（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。
常用的真空系统材料
零部件名称 壳体、管路、阀、内部 零件 密封垫圈 导电体 绝缘体 视窗 润滑剂 加热元件 低真空及高真空 普通碳素钢、不锈钢 丁基橡胶、氟塑料 铜、不锈钢、铝 酚醛、氟塑料、玻璃、 陶瓷 玻璃 低蒸气压的油及脂 镍铬铁合金、钨、钼、 钽、碳布 超高真空 不锈钢、钛 氟橡胶、氟塑料、铜、 金、银、铟 铜、不锈钢 玻璃、致密高铝瓷等
2.1 气体压力对溶解度的影响
C SP 式中：C—气体在固体中的溶解度，cm3（STP）/cm3
或cm3(STP）/100g。
理想溶体规律-亨利定律：
（2-1）
S—在压强为一标准大气压的平衡条件下，气体在固体中
的溶解度， cm3（STP）/（cm3· 5Pa）。 10
P—环境气体压强，Pa。
如果双原子分子在溶解时离解，则：
则单位时间内通过面积为A的金属薄壁的气体量为：
JA
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( p2 p1 )
表明氢气的逸失率与容器的表面积A、溶解度系数S、扩散
系数D成正比，与壁厚成反比。实际中可采用球形容器，增加
壁厚等方法。
2.5.2 菲克第二定律 菲克第一定律 只适用于稳态扩散。 固体材料中气体的浓度不但是位置x的
材料的表面上。然后由铁表面的亲和力引起氢分子较弱的H—H
键断裂，使氢离解成原子态并渗透过材料，在壁面的另一侧重 新结合成分子态氢；氢气对于非金属材料，则是以分子态形式 扩散渗透。
一般来说，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；对于金属材 料来说能溶解的大多是双原子分子（H2、O2、N2），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，因此不能渗透通过金属材料。 如前述，气体穿过材料需经历，溶解、扩散、解吸或脱附的
C C C C Dx Dz Dy t x x y y z z
如果D为常数则可表示成：
2）在柱坐标系中：
x r cos y r sin
r r r r z z
（2-4）
可以看出，溶解时有吸热效应的，溶解度随温度升高而增加，溶解 时放热的，溶解度随温度升高而降低。
qs S S0 exp ( ) 2 RT
（2-5）
根据式（2-3）、（2-4）、（2-5）可得，溶解度C是环境气压 P和固体材料温度T的函数，表达成：
Hale Waihona Puke qs C S0 p exp ( ) 2 RT 化成对数形式为：
硼硅玻璃、透明石英玻 璃
二硫化钼、镀银或金 钨、钼、钽、钨—铼合 金、石墨碳纤维
§2 材料的真空性能
一、真空系统的抽气方程
dP V PSe Q dt
式中：
V—被抽真空容器的容积 P—气体压力 Se—对真空容器的有效抽速 Q—气源的出气量
dP 0 时，即真空系统处于抽气与气源达到动平衡 当 dt 状态时， P Q / Se 。 0
第六讲
真空材料
邵先亦
§1 真空材料
真空工程的用材范围包括：真空设备的壳体，真空规管，置放于 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。
函数，而且也是时间的函数，C=C（x，
t）。如果考虑一个x~x+△x的平面层，则 在△ t时间内通过A △x体积元流入和流出
的扩散通量分别为Jx和Jx+ △x ,体积元中扩
散物质的积存量为：
m ( J x A J x x A)t 令: x、t 0, 则有：
J x J x x m xAt x C J t x
j
（2-6）
jqs ln C ln S0 j ln p RT
表明：当气压不变时，lnC与1 /T成线性关系。
（2-7）
2.3 气-固配组的性质对溶解度的影响
非金属：塑料、橡胶等有机材料的结构比较松散，微观 孔隙大于各种常见气体分子的直径，可以使气体分子直接向 内扩散。溶解度的大小主要取决于材料与气体分子之间的亲 和力和材料的致密度。 金属材料：晶体结构，溶质溶于金属有两种情况：一种 是溶质跑到了金属晶格的空隙中，形成填隙式固溶体；另一
若扩散系数D与x无关，则浓度随时间t的变化率为：
C C 2C D D 2 t x x x
此式称为菲克第二定律，也叫扩散第二方程。其物理意义是： 离的变化率成正比。
t
x C 扩散中浓度变化率 C 与沿着扩散方向上浓度梯度 随扩散距
1）对于三维扩散，直角坐标系中菲克第二定律表示为：
从微观的角度来看，渗透过程是按以下步骤进行的： (1) 在高压侧，气体原子或分子吸附在器壁的外表面； (2) 吸附时有的气体分子离解成原子态； (3) 气体在器壁表面溶解； (4) 在浓度梯度的作用下，气体向另一侧扩散；有的发生化学反应；
溶解
高压侧
扩散
低压侧
浓度C
吸附
脱附
壁厚 x
（5）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3)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。对于金属材料来 说，例如氢气通过钢铁材料的渗透过程，是先以分子态吸附在