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1、真空技術-真空材料與焊接,Advanced Nano-technology and Applied Optoelectronics Lab,Southern Taiwan University,學生:李建瑩 MA0L0111 許嘉吟 MA0L0217 授課老師:吳文端 老師,Outline,真空材料-前言真空材料種類真空焊接技術結論參考文獻,2,2023/6/23,真空材料-前言,真空材料金屬，玻璃，陶瓷，特殊橡膠。要求特點足夠的機械性質阻擋內外壓力差。足夠的緻密性抵擋氣體的滲透。低的蒸氣壓及溢氣量。好的製造特質以便容易成形並同時能抗惡劣工作環境。,3,2023/6/23,4,真空材料擴散與滲
2、透,擴散是一種過程，成因是原子或分子因其熱運動（thermal motion）而做隨機漫步（radom walk），進入固體，液體或氣體中。滲透則是指氣體或液體分子，經由溶解、擴散及釋放三個過程穿過固體器壁。,2023/6/23,真空材料擴散與滲透,5,若金屬部份有鏽蝕現象發生，則該處最容易發生氫氣滲透，因為水氣容易與鐵作用,形成較高的氫分壓。不鏽鋼中，氫的滲透率會因碳的含量增加而變化，因此低碳鋼的不鏽鋼是較佳的選擇。鋁對氫的阻擋特性最佳，而銅幾乎是對所有的氣體分子都具有很小的滲透率。鎳對氫的滲透率較高，因此若有以水來當作冷卻作用時，為防止氫氣的滲透，以銅取代鎳是較佳的選擇。,2023/6/2
3、3,6,玻璃對於氣體的滲透程度取決於玻璃的緻密以及氣體分子的大小而定，密度越大者，氣體分子越大，則滲透率越小。二氧化碳對於橡膠有很高的滲透率，相對於空氣則就小了許多。一般的玻璃比其單晶的石英，其阻擋He氣體滲透的能力小107倍。,真空材料擴散與滲透,2023/6/23,真空材料之蒸發與昇華,材料的蒸發或昇華，對於系統真空度都有一定的影響，因此材料的飽和蒸汽壓以及蒸發或昇華速率是真空材料相當重要的規格參數。在一定溫度下，當一封閉系統到達一定的蒸氣壓時，單位時間內脫離材料表面的氣化分子與從真空腔中返回材料表面再吸附的分子數平衡，此時的蒸氣壓稱為飽和蒸汽壓。,7,2023/6/23,真空材料-溢氣量
4、,8,2023/6/23,9,真空材料-溢氣之特性,蒸發-材料蒸氣壓隨溫度升高而增大，並因材料不同而異。熱吸退-氣體或蒸氣受熱刺激由真空容器氣壁內面或其內物件表面放出:1.器壁暴露大氣時所吸附之氣體或蒸氣，在低壓力時慢慢 放出。2.器壁內之氣體經由擴散作用移至內表面而後逸出。3.外界之氣體經由滲透作用抵達器壁內表面而放出。,2023/6/23,真空材料金屬,常見的金屬有鋁以及不鏽鋼。金屬在真空系統中為腔體的一部份，它必須能夠被容易焊接接合以及密合。一般的金屬其蒸汽壓都很低，然而有少數金屬Zn,Pb,Cd,Se,S其蒸汽壓在真空系統baking時會影響到真空度。例如黃銅，有些螺絲含有Cd，303
5、不鏽鋼含有S以及Se。含有Zn以及Pb者之合金在工作環境達400-500C時，將會嚴重破壞真空。在超高真空中選用金屬不外乎是，不鏽鋼，鎳合金，無氧銅。,2023/6/23,10,11,真空材料金屬結構,鋁價格便宜而且容易成形，但由於不易與其他金屬結合因此其用途受限。常用在與O型環的結合，或是真空腔體內部的組件。300系列的austenitic 不鏽鋼為真空腔體最常用的材料，其高的機械性質，耐腐蝕，易焊接，低溢氣量都是其優點。若對於特殊用途，如燈絲，絕熱或是熱傳導則是另當別論。,2023/6/23,12,真空材料玻璃,玻璃沒有絕對的熔點，軟玻璃與硬玻璃的區別在於所摻入的氧化物不同，前者是在SiO
6、2中摻入sodium oxide 以及calcium oxide而後者則是摻入boric oxide。強度高，低蒸汽壓。Alumina（鋁氧化物）被使用最多，用在真空管件或是當作絕緣體。氮化物與Borides 則被使用在真空內部加熱用之坩鍋。硼玻璃熱膨脹係數小，易於燒製焊接，質密，硬度高。鉛玻璃多用於真空封口。,2023/6/23,13,真空材料陶瓷,陶瓷為電與熱之極佳絕緣體，強度高且可耐溫度的突然變化，但是製作不易。陶瓷是金屬的氧化物，氮化物或是碳化物。常用材料有氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯、氧化鈹、矽酸鎂瓷及滑石等。,2023/6/23,真空材料-高分子材料,14,合成橡膠(Elastomers
7、)：主要用於O型環之真空封合，但卻有很高的吸水性與氣體滲透性，因此溢氣率很高，不適於高真空使用，一般用作粗抽氣體管路。塑膠(Plastics)：主要用於電引入或物品保存箱。低蒸氣壓環氧樹脂(Epoxy)：主要用於真空漏氣孔穴之補漏。,2023/6/23,真空材料-高分子材料,15,高分子在真空技術中通常擔任氣體密合的關鍵零件。對於抗氣體的滲透能力遠低於陶瓷及玻璃。合成橡膠當接觸某些溶劑時會產生腫大，最後加速氣體的滲透。溢氣速度比其他材料來的高；成分以水蒸氣居多。當溫度升高時，原本的材料將可能產生分解，以致無法適應。,2023/6/23,16,永久性封合1.熔銲2.硬銲3.軟銲4.玻璃或陶瓷與金
8、屬之接合可拆卸接合1.高分子材料O型環或鐵氟龍墊圈2.金屬墊圈,真空焊接技術,2023/6/23,17,電子束焊接,真空焊接技術-熔焊,不能加壓熔焊,能加壓熔焊,冷焊,熔 焊,弧焊,氣焊,電阻焊,2023/6/23,18,真空焊接技術-氬焊,2023/6/23,19,真空焊接技術-電子束焊接,2023/6/23,真空焊接技術-硬銲與軟銲,以熔銲的銲料填滿接合材料縫隙，銲料與工件材料間擴散形成固熔體。硬銲與軟銲的區別在於銲料熔點與材料再結晶溫度之比值有關，最常使用的銲料為Kovar合金。,20,2023/6/23,真空焊接技術,理想的銲接必須注意銲道須完全穿透，盡量以單邊銲接，而銲道需在真空側，
9、同時避免包陷氣體產生氣泡增加逸氣的機會。,21,真空永久封合銲接形式,2023/6/23,結論,真空材料的選擇對於系統真空度有著絕對的影響，當系統需求值越高，其真空材料的選用上也相對嚴苛許多，例如溫度上的差異，材料的耐熱係數相對也需要提升。永久封合之真空系統焊接工藝有別於一般機械工件焊接，特別是材料的封合效果、蒸氣壓、滲漏、逸氣，以及氣 體包陷等，是真空永久封合之主要考慮因素,22,2023/6/23,參考文獻,真空技術與應用-國家科學委員會精密儀器發展中心 91/7真空幫浦實務維修技術 國家科學委員會精密發展中心 87/7/6,23,2023/6/23,Thanks for your attention,24,2023/6/23,
