真空用材料选择和技术

材料逸气之特性
(5) 电子与离子刺激退吸 当离子或电子撞击固体表面时，会使表
面上吸附之气体逸出，所照成之气体负荷将 限制系统所能达到的最低压力。在真空技术 中，电子或离子造成之热退吸作用使得真空 量测产生误差。而在在溅镀系统或辉光放电 的材料清洁过程中，离子退吸作用是材料气 体逸出的因素之一。
常用之真空材料种类与特性
金属性质
金属一般在真空系统中担任腔体的部份，它 必须能够被容易焊接，接合以及密合。
材料自身要有好的机械性质，能够抗压力， 同时低蒸汽压，低溢气量且对气体有极佳的 抗渗透率。
若对于特殊用途，如灯丝，绝热或是热传导 则是另当别论。
常见的金属有铝以及不锈钢。
常用之真空材料种类与特性
(1) 金属之蒸气压
(2) 气体的渗透性
气体分子溶入金属之中然后进行扩散随之穿 透金属。
若金属部份有锈蚀现象发生，则该处最容易 发生氢气渗透，因为水气容易与铁作用,形 成较高的氢分压。
(2) 气体的渗透性-氢气
气分子溶入金属之中然后进行扩散随之穿透 金属。
氢气是几个少数气体分子中最容易穿过金属的 气体。
若金属部份有锈蚀现象发生，则该处最容易发 生氢气渗透，因为水气容易与铁作用,形成较 高的氢分压。
逸气量(Outgassing)
材料在制造时，多少都会有气体分子被溶入材 料之内，当该材料面对一个真空环境时，该气 体分子将会逐渐释出。
该气体包括氢气，氮气以及氧气，一氧化碳， 另外也包括当材料暴露在大气时，材料表面吸 附了水气。
溢气速度与抽气速度决定腔体的最终压力其关
系如下
P100q(0W/m2)A(m2) S(L/s)
工作环境。
真空材料选择材料
材料选择之要素
机械强度大小
δ表示平板中间可允许的变形量 LC=1.11D(D/h)1/2 为圆筒塴陷的临界长度，超过易塴陷
材料逸气之特性
气体由真空系统内对象表面逸出统称为逸气，与漏 气及油蒸气回流形成真空系统主要之气体负荷
材料逸气之特性
(1) 蒸发
蒸发是造成物质蒸气压的主要原因，材料 之蒸气压大小随温度升高而增大，并随材料之 不同而异。
材料逸气之特性
(2)热吸退 热吸退是真空系统中真空容器器壁内面或其内
对象表面所吸附之气体或蒸气因而热刺激而放出
热吸退之气体主要来源：
a) 器壁暴露大气时所吸附之气体或蒸气，在低压力时 慢慢放出
b) 器壁内之气体经由扩散作用移至内表面而后逸出 c) 外界之气体经由渗透作用抵达器壁内表面而放出
材料逸气之特性
不锈钢之所以会具有高的抗氧性以及低的溢气 量乃是形成Cr2O3之故
玻璃与陶瓷
玻璃没有绝对的熔点，软玻璃与硬玻璃的分野 在于所掺入的氧化物不同，前者是在SiO2中掺 入sodium oxide 以及calcium oxide而后者则 是掺入boric oxide
不同种类的玻璃其工作温度范围会有所不同， 这影响到其工作条件，例如borosilicate可在 数分钟达到400C但是lead glass必须在24小时 才能全部达到400C，其导热度有很大的差异。
真空零件的处理
一般置于超高真空内的零件都必须经过高温的 处理，以降低溢气的问题。
铜金属最好采用无氧铜，因为铜氧化物会与氢 气形成水气，同时铜金属本身将会产生孔隙。
若有螺丝与螺帽最好不要结合进行高温减少溢 气量的处理，避免两者结合
低温真空的减低溢气量处理不会达到效果，唯 独高温才有成效。
试片经过不同处理的条件下其溢气量的 比较
(3) 气体扩散 当气体抽气而压力降低后，溶解在材料中
之气体有浓度梯度存在，乃驱使此等气体分子 向表面移动，扩散是一种极为缓慢的过程，气 体由材料内向表面移动的速率，决定扩散现象 造成真空系统逸气的程度。
材料逸气之特性
(4)气体渗透
气体被吸附在管壁外侧然后经由扩散作用通 过材料本体，最后在器壁内面经由热退吸作用进 入真空系统。
氢在金属中乃是以原子方式扩散，在穿透后再 形成分子。
(2) 气体的渗透性-玻璃
各种气体对于有机高分子都具有极高的渗透率 （纵使是惰性气体也是如此）。
二氧化碳对于橡胶有很高的渗透率，相对于空 气则就小了许多。
倘若在一压力差相差极大的环境里，则高渗透 率的气体其穿越的机会远大于低穿透率的气体 。
一般的金属其蒸汽压都很低，然而有少数金 属其蒸汽压在真空系统baking时会影响到真 空度
Zn,Pb,Cd,Se,S
例如黄铜，有些螺丝含有Cd，303不锈钢含 有S以及Se
含有Zn以及Pb者之合金在工作环境达400500C时，将会严重破坏真空。
在超高真空中选用金属不外乎是，不锈钢， 镍合金，无氧铜。
陶瓷乃是金属的氧化物，氮化物或是碳化物。
强度高，低蒸汽压。
Alumina （铝氧化物）被使用最多，用在 feedthrough，或是当作绝缘体
氮化物与Borides 则被使用在真空内部加热用 之坩锅
300系列的austenitic 不锈钢为真空腔体最常用 的材料，其高的机械性质，耐腐蚀，易焊接， 低溢气量都是其优点。
304与316不锈钢为最常见的真空材料。
303由于具有S所以虽然容易加工，但是基于 真空的考虑而不与采用
对于一般应用在冷冻帮浦的结构上，由于为了 减低其热传导的损失，因此必须采用薄的不锈 钢材料，所以研发出含有氮的不锈钢，例如 304N或316N
真空用材料选择和 技术
Outline
真空用材料 真空封合技术 真空阀门 真空引入
真空用材料
真空材料选择材料
一个真空系统所使用的材料包括金属，玻璃 ，陶瓷以及一些特殊橡胶。
要求的特点有
➢ 足够的机械性质阻挡内外压力差 ➢ 足够的致密性抵挡气体的渗透。 ➢ 低的蒸汽压及溢气量 ➢ 好的制造特质以便容易成型并同时能够抗恶劣
1. 未经过清洗 2. 经过简单之清洗 3. 经过电镀的手续 4. 先经去油且再电镀 5. 经过抛光，去油再电镀
经过不同的表面处理后其溢气量 之比较
结构金属
铝与不锈钢为真空腔体中最常见的两种金属材 料。
铝价格便宜而且容易成形，但由于不易与其他 金属结合因此其用途受限。
常用在与O-ring的结合，或是真空腔体内内部 的组件。