Principais fatores a serem considerados na seleção de materiais de vácuo

Permeabilidade do gás

O processo pelo qual um gás penetra, se difunde, atravessa e transborda uma camada de barreira sólida de um lado denso para outro lado denso é chamado de infiltração.

A permeabilidade depende do tipo de gás e do material. Para metais, o coeficiente de permeabilidade de gás de alguns metais (como aço inoxidável, cobre, alumínio, molibdênio etc.) é muito pequeno e pode ser ignorado na maioria das aplicações práticas, enquanto o hidrogênio tem alta permeabilidade para alguns metais, como ferro, níquel etc. A permeabilidade do hidrogênio ao aço aumenta com o aumento do teor de carbono, portanto, é melhor escolher o aço de baixo carbono como material da câmara de vácuo. Além disso, alguns metais têm permeação seletiva de gases, como o hidrogênio, que permeia muito facilmente o paládio, e o oxigênio, que funde facilmente a prata e assim por diante. Essa propriedade pode ser usada para purificação de gás e detecção de vazamento a vácuo.

A permeação de gás em vidro e cerâmica geralmente é realizada na forma de estado molecular, e o processo de permeação está relacionado ao diâmetro das moléculas de gás e ao tamanho dos microporos dentro do material. O diâmetro do microporo do vidro de quartzo contendo sílica pura é de cerca de 0,4 nm, e o diâmetro efetivo do poro de outros vidros diminui porque os íons de metal alcalino (potássio, sódio, bário etc.) são preenchidos no microporo, de modo que os gases são mais permeáveis ao vidro de quartzo e menos permeáveis a outros vidros. Como o diâmetro das moléculas de hélio é o menor entre todos os tipos de moléculas, a permeação do hélio no vidro de quartzo é a maior entre os pares gás-sólido.

A permeação de gases em materiais orgânicos (como borracha e plásticos) geralmente é realizada no estado molecular. Devido aos poros maiores dos materiais orgânicos, a permeabilidade do gás aos materiais orgânicos é muito maior do que a do vidro e do metal.

A propriedade de desgaseificação do material

Qualquer material sólido pode se dissolver e absorver alguns gases no processo de fabricação e na atmosfera. Quando o material é colocado no vácuo, o equilíbrio dinâmico original é destruído, e o material libera ar devido à solubilização e à dessorção. A unidade comumente usada para a taxa de gás de exaustão é Pa * L/(s * cm2). A taxa de descarga geralmente é positiva com o conteúdo de gás e a temperatura no material, e a unidade de saída total de gás: Pa * L/cm2 pode ser usada quando o conteúdo do volume é levado em conta.

Desgaseificação em temperatura ambiente

A maioria dos materiais orgânicos é composta principalmente de vapor de água, que se caracteriza pela alta taxa de abandono e pela atenuação lenta com o tempo. Portanto, eles geralmente não são adequados para as partes internas dos recipientes a vácuo. A liberação de ar em temperatura normal do vidro e da cerâmica vem principalmente da superfície, e o principal componente de liberação de ar é o vapor de água, seguido por CO e CO2. Após o cozimento e o aquecimento, o vapor de água no filme de oxidação na superfície do vidro pode ser basicamente removido, e a taxa de liberação de ar à temperatura ambiente pode ser significativamente reduzida.

Desgaseificação em alta temperatura

Alguns materiais estruturais, como eletrodos de molibdênio, alvos de tântalo, fontes de evaporação de boro, dispositivos de aquecimento e outros equipamentos, geralmente estão em um estado de alta temperatura no processo do sistema de vácuo. Em geral, acredita-se que a exalação de materiais em alta temperatura é determinada principalmente pelo processo de difusão no corpo, e a quantidade de gás dessorvido na superfície é responsável apenas por uma pequena parte da exalação total. Além de acelerar o processo de difusão, a desgaseificação em alta temperatura de vidro, cerâmica e mica não é fundamentalmente diferente da desgaseificação em temperatura ambiente. Entretanto, o gás difundido do corpo de alta temperatura de um metal é diferente. Como o gás dissolvido no metal é atômico, o gás molecular emitido no vácuo geralmente é formado pela reação da superfície. Alguns metais (como Ni e Fe) são controlados principalmente pela difusão de oxigênio no corpo. Portanto, a descarbonização de metais pode reduzir as emissões de CO e CO2.

O vidro, a camada superficial do metal também é uma fonte importante de gás de alta temperatura, portanto, o uso de vários processos de tratamento de superfície, como limpeza química, desengorduramento com vapor orgânico, polimento, corrosão e oxidação por cozimento atmosférico, pode reduzir bastante o gás do material. Além disso, a taxa de desgaseificação do material não está relacionada apenas ao tempo de desgaseificação, mas também ao método de pré-tratamento da superfície e à condição da superfície do material. Por exemplo, ao limpar uma superfície com um solvente orgânico para remover a gordura, a contaminação de uma única camada molecular na superfície não pode ser removida e só pode ser removida por cozimento a vácuo.

A pressão de vapor e a taxa de evaporação do material

Na tecnologia de vácuo, a pressão de vapor e a taxa de evaporação (sublimação) dos materiais são parâmetros importantes. Por exemplo, a pressão de vapor saturado da graxa a vácuo e do filamento quente regulado a vácuo pode ser a origem do grau de vácuo limitante; a taxa de sublimação dos materiais de revestimento a vácuo e do getter é um parâmetro a ser considerado ao projetar o equipamento de revestimento a vácuo e a bomba getter; a pressão de vapor saturado do gás liquefeito criogênico é um parâmetro relacionado à pressão limite da bomba de condensação criogênica.

Obviamente, materiais com alta pressão de vapor na faixa de temperatura operacional do sistema de vácuo não podem ser usados. Na faixa de temperatura operacional, a pressão de vapor saturado de todos os materiais que enfrentam vácuo deve ser baixa o suficiente, e o sistema de vácuo não deve deixar de atingir o grau de vácuo de trabalho necessário devido à sua própria pressão de vapor ou às características do gás de exaustão. Embora a pressão de vapor de alguns materiais à temperatura ambiente seja baixa ou, às vezes, imperceptível, a pressão de vapor pode eventualmente aumentar até o valor medido à medida que a temperatura aumenta.