Материалы для использования в вакууме: что нужно знать
Вакуумные технологии широко применяются в промышленности, науке и производстве. От создания электроники до космических исследований — вакуумные камеры и системы играют ключевую роль. Однако для их эффективной работы важно правильно подобрать материалы, которые будут использоваться в условиях вакуума. В этой статье мы разберем, какие материалы подходят для вакуума, какие стоит избегать, и на что обратить внимание при их выборе.
Почему выбор материалов для вакуума так важен?
В вакуумной среде материалы ведут себя иначе, чем в обычных условиях. Основная проблема — это газовыделение. Даже минимальное количество газа, выделяемого материалом, может значительно ухудшить качество вакуума. Это особенно критично в высоковакуумных и сверхвысоковакуумных системах, где требования к чистоте среды крайне высоки.
Газы могут выделяться по нескольким причинам:
Адсорбция
Молекулы газов и воды могут прилипать к поверхности материала.
Сублимация
Некоторые материалы испаряются в вакууме.
Выделение из пор и трещин
Газы могут выходить из внутренней структуры материала.
Остатки смазок и растворителей
Следы обработки или очистки также могут стать источником загрязнения.
Кроме того, материалы должны быть устойчивы к перепадам температур, сохранять свои механические и физические свойства, а также соответствовать требованиям по тепловому расширению.
Материалы, которых следует избегать
Не все материалы подходят для использования в вакууме. Некоторые из них выделяют слишком много газа, другие могут разрушаться или терять свои свойства. Вот список материалов, которые лучше не использовать:
Пластмассы
Многие виды пластиков имеют высокое сродство к воде и выделяют газы при нагревании.
Металлы с низкой температурой сублимации
Например, кадмий и цинк.
Материалы с пористой структурой
Они могут накапливать газы, которые затем выделяются в вакууме.
Смазочные материалы с высоким газовыделением
Например, некоторые виды масел и графита.
Также стоит избегать материалов, которые могут образовывать «усы» — микроскопические наросты, которые могут вызвать короткое замыкание или механические повреждения.
Обзор подходящих материалов
Металлы
Металлы — один из самых популярных материалов для вакуумных систем. Они обладают высокой прочностью, устойчивостью к температурам и низким газовыделением. Наиболее часто используются:
Нержавеющая сталь — идеальный выбор для вакуумных камер благодаря своей прочности и устойчивости к коррозии.
Алюминий — легкий и удобный в обработке, но требует защиты от коррозии.
Титан — обладает высокой прочностью и устойчивостью к температурам, но дороже других металлов.
Медь — используется для теплообменников благодаря высокой теплопроводности.
Пластмассы
Хотя большинство пластиков не подходят для вакуума, есть исключения. Например:
PTFE (тефлон) — обладает низким газовыделением и устойчив к температурам.
PEEK — прочный и устойчивый к химическим воздействиям материал.
Vespel — используется в высокотемпературных приложениях.
Стекла и керамика
Стекло и керамика часто используются в вакуумных системах благодаря своей химической инертности и низкому газовыделению. Например:
Кварцевое стекло — устойчиво к высоким температурам и ультрафиолетовому излучению.
Алюминиевая керамика — используется для изоляции и защиты от тепловых нагрузок.
Смазочные материалы
Смазка движущихся частей в вакууме — это сложная задача. Многие смазочные материалы выделяют газы, что делает их непригодными. Однако есть специальные вакуумные смазки, которые обладают низким газовыделением и сохраняют свои свойства в экстремальных условиях.
Клеи
Клеи для вакуума должны быть устойчивы к температурам и не выделять газы. Часто используются эпоксидные смолы и силиконы, которые прошли специальную обработку.
Материалы для использования в космосе
Космические условия предъявляют еще более строгие требования к материалы. Помимо вакуума, они должны выдерживать радиацию, ультрафиолетовое излучение, перепады температур и воздействие атомарного кислорода.
Алюминий — часто используется в космических кораблях, но требует защиты от коррозии.
Золото — применяется для покрытия чувствительных поверхностей благодаря своей устойчивости к окислению.
Кремнезем — используется для защиты от микрометеороидов и радиации.