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材料放气

2019/12/5 13:44:42      点击:

任何固体材料,在制造过程中以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,材料内溶解的气体和表面吸附的气体就会因扩散解溶、解吸脱附而放气。对一般真空设备来说,材料的放气是真空系统的最主要的气源。常用的放气速率单位是Pa·L/s·cm)。 

放气速率通常与材料中的气体含量和温度成正比,解溶(吸)是造成真空环境中材料放气的最主要原因。一般来说,解溶放气过程也由扩散速率决定,如有机材料的放气、金属材料的高温放气以及玻璃、金属表面层的放气等,基本属于这种情况。

1.常温材料放气

大多数有机材料放气的主要成分是水汽,其特点是放气速率较高,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和超高真空系统材料。但是,由于它们的价格便宜、弹性好,而且具有各种适宜的物理和化学性能,所以在p>0.1Pa的动态真空系统中常被采用。聚四氟乙烯、维顿A、聚酰亚胺等材料可耐较高温度的烘烤,放气速率也比较低,所以这几种有机材料可用到p<0.1Pa的超高真空系统中去。 

金属、玻璃、陶瓷的放气速率比较低,而且随时间的衰减也较快。 在玻璃的表面层内,水汽的扩散系数比内部要大得多。坡和陶瓷的常温放气主要来自表层,主要放气成分为H2O,其次为COCO2,。如果用氢氟酸腐蚀掉这一表层,放气量可以减少。玻璃经烘烤加热后,表层的水分可以完全去除。金属的常温放气源主要来自表面氧化膜所吸收的水汽,经烘烤加热后,其表面氧化膜中的水汽可以基本除净,可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出来的气体决定。一般情况,体内放气的成分有H,N,、CH,、COCO2,以H2居多,

2.高温放气

除了个别情况外,材料放气是高和超高真空系统以及封离后的电真空器件的主要气源,伴随着材料出气还会出现表面化学反应这样的次级过程。

研究真空材料的出气,主要是着眼于高温出气,原因有:1)对于准静态的真空器件(如电子管、离子源等),出气速率随温度呈指数增加,所以不加高温难以检测。2)高温出气可在短期之内放出材料中气体的总量。因此便于得出含气浓度的数据,并据此选材、并提出材料预 处理工艺的规范。3)一些最怕出气的大功率电真空器件,某些部位处于高温工作状态。而某些结构材料如电极、靶材、蒸发源、加热装置等  器件生,在真空系统的工艺过程中常处于高温获态。

一般认为,高温放气主要由体内的扩散过程所决定,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差别。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,在真空中放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 COCO2H2ON2 O2,而且以 H2COCO2H2O 居多。其中H2N2,先以原子态扩散逸出,再在表面上结合成分子态。COCO,是由扩散到表面C与表面上的金属氧化物或气相中的O,H20反应生成的。也有一些金属(如 NiFe)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 COCO,的出气。H2O 有的直接来自表面氧化层,有的则由体内扩散的氢与表面氧化物反应合成。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、有机蒸气去脂、抛光、腐蚀、大气烘烤氧化等,都能大大降低材料的放气。