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1、第六章 真材料、密合、封入,授課教師：黃 俊 傑,Outline,真空用材料真空封合技術真空閥門真空引入,真空用材料,真空材料選擇材料,一個真空系統所使用的材料包括金屬，玻璃，陶瓷以及一些特殊橡膠。要求的特點有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。低的蒸汽壓及溢氣量好的製造特質以便容易成型並同時能夠抗惡劣工作環境。,真空材料選擇材料,材料選擇之要素,機械強度大小,表示平板中間可允許的變形量LC=1.11D(D/h)1/2 為圓筒塴陷的臨界長度，超過易塴陷,材料逸氣之特性,氣體由真空系統內物件表面逸出統稱為逸氣，與漏氣及油蒸氣回流形成真空系統主要之氣體負荷,蒸發是造成物質蒸氣壓
2、的主要原因，材料之蒸氣壓大小隨溫度升高而增大，並隨材料之不同而異。,(1)蒸發,材料逸氣之特性,(2)熱吸退,熱吸退是真空系統中真空容器器壁內面或其內物件表面所吸附之氣體或蒸氣因而熱刺激而放出熱吸退之氣體主要來源：,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器壁內之氣體經由擴散作用移至內表面而後逸出外界之氣體經由滲透作用抵達器壁內表面而放出,材料逸氣之特性,(3)氣體擴散,當氣體抽氣而壓力降低後，溶解在材料中之氣體有濃度梯度存在，乃驅使此等氣體分子向表面移動，擴散是一種極為緩慢的過程，氣體由材料內向表面移動的速率，決定擴散現象造成真空系統逸氣的程度。,材料逸氣之特性,(4)氣體滲透,
3、氣體被吸附在管壁外側然後經由擴散作用通過材料本體，最後在器壁內面經由熱退吸作用進入真空系統。,材料逸氣之特性,(5)電子與離子刺激退吸,當離子或電子撞擊固體表面時，會使表面上吸附之氣體逸出，所照成之氣體負荷將限制系統所能達到的最低壓力。在真空技術中，電子或離子造成之熱退吸作用使得真空量測產生誤差。而在在濺鍍系統或輝光放電的材料清潔過程中，離子退吸作用是材料氣體逸出的因素之一。,材料逸氣之特性,常用之真空材料種類與特性,金屬性質,金屬一般在真空系統中擔任腔體的部份，它必須能夠被容易焊接，接合以及密合。材料自身要有好的機械性質，能夠抗壓力，同時低蒸汽壓，低溢氣量且對氣體有極佳的抗滲透率。若對於特殊
4、用途，如燈絲，絕熱或是熱傳導則是另當別論。常見的金屬有鋁以及不鏽鋼。,常用之真空材料種類與特性,(1)金屬之蒸氣壓,一般的金屬其蒸汽壓都很低，然而有少數金屬其蒸汽壓在真空系統baking時會影響到真空度Zn,Pb,Cd,Se,S例如黃銅，有些螺絲含有Cd，303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。,(2)氣體的滲透性,氣體分子溶入金屬之中然後進行擴散隨之穿透金屬。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。,氣體分子溶入金屬之中然後進行
5、擴散隨之穿透金屬。氫氣是幾個少數氣體分子中最容易穿過金屬的氣體。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。氫在金屬中乃是以原子方式擴散，在穿透後再形成分子。,(2)氣體的滲透性-氫氣,各種氣體對於有機高分子都具有極高的滲透率（縱使是惰性氣體也是如此）。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。倘若在一壓力差相差極大的環境裡，則高滲透率的氣體其穿越的機會遠大於低穿透率的氣體。,(2)氣體的滲透性-玻璃,逸氣量(Outgassing),材料在製造時，多少都會有氣體分子被溶入材料之內，當該材料面對一個真空環境時，該氣體分子將會逐漸釋出。
6、該氣體包括氫氣，氮氣以及氧氣，一氧化碳，另外也包括當材料暴露在大氣時，材料表面吸附了水氣。溢氣速度與抽氣速度決定腔體的最終壓力其關係如下,真空零件的處理,一般置於超高真空內的零件都必須經過高溫的處理，以降低溢氣的問題。銅金屬最好採用無氧銅，因為銅氧化物會與氫氣形成水氣，同時銅金屬本身將會產生孔隙。若有螺絲與螺帽最好不要結合進行高溫減少溢氣量的處理，避免兩者結合低溫真空的減低溢氣量處理不會達到效果，唯獨高溫才有成效。,試片經過不同處理的條件下其溢氣量的比較,未經過清洗經過簡單之清洗經過電鍍的手續先經去油且再電鍍經過拋光，去油再電鍍,經過不同的表面處理後其溢氣量之比較,結構金屬,鋁與不鏽鋼為真空腔
7、體中最常見的兩種金屬材料。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-ring的結合，或是真空腔體內內部的組件。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。,304與316不鏽鋼為最常見的真空材料。303由於具有S所以雖然容易加工，但是基於真空的考量而不與採用對於一般應用在冷凍幫浦的結構上，由於為了減低其熱傳導的損失，因此必須採用薄的不鏽鋼材料，所以研發出含有氮的不鏽鋼，例如304N或316N不鏽鋼之所以會具有高的抗氧性以及低的溢氣量乃是形成Cr2O3之故,玻璃與陶瓷,玻璃沒有絕對的熔點，軟
8、玻璃與硬玻璃的分野在於所摻入的氧化物不同，前者是在SiO2中摻入sodium oxide 以及calcium oxide而後者則是摻入boric oxide不同種類的玻璃其工作溫度範圍會有所不同，這影響到其工作條件，例如borosilicate可在數分鐘達到400C但是lead glass必須在24小時才能全部達到400C，其導熱度有很大的差異。,陶瓷乃是金屬的氧化物，氮化物或是碳化物。強度高，低蒸汽壓。Alumina（鋁氧化物）被使用最多，用在feedthrough，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,玻璃與陶瓷,硼玻璃熱膨脹係數小，易於燒製焊接，質密，硬度
9、高。鉛玻璃多用於真空封口。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。,Polymer,高分子在真空技術中通常擔任氣體密合的關鍵零件。Buna-N,Viton,Silicone 以及Kalrez用在O-ring的gasket或是vacuum feed through。對於抗氣體的滲透能力遠低於陶瓷及玻璃。Elastomer當接觸某些溶劑時會產生腫大，最後加速氣體的滲透,合成橡膠(Elastomers)：主要用於O-Ring 之真空封合，但卻有很高的吸水性與氣體滲透性，因此逸氣率很高，不適於高真空使用，一般用作粗抽氣體管路。(2)塑膠(Plastics)：主要用於電引入或
10、物品保存箱(3)低蒸氣壓環氧樹脂(Epoxy)：主要用於真空漏氣孔穴之補漏,Polymer,對於高溫的環境無法適應溢氣速度比其他材料來的高其溢氣的成份以水蒸汽居多當溫度升高時，原本的材料將可能產生分解。,氣體在腔體產生的可能性,真空封合技術,2.常用金屬簡介304不銹鋼強度高，加工容易，可使用氬焊或 銀銅焊接合(2)無氧銅(OFHC)因為不含氧分子，所以逸氣量最低，常用於超高真空系統中，無氧銅可容忍很大的溫度變化，既可烘烤，又可在超低溫使用，而且熱電導性均佳，可使用銀銅焊或冷焊接合。,真空封合技術,真空封合技術的重要性：真空系統不可能一體成型，通常包括了各種不同的形狀與材料之零件、組件，有時必
11、需要更換現有元件，甚或使用時必須隨時開啟與關閉真空室，因此必須以各種封合方式加以接合，接合時最重要的因素為氣密性，也就是說必須是真空封合，漏氣率不能超過額定值。,真空封合的分類：,(一)永久性封合：,熔焊 銅焊 錫焊 玻璃與金屬接合 陶瓷與金屬接合,(二)可拆卸接合,蠟，樹脂與黏著劑 彈性體襯墊封合 金屬墊圈封合,永久性封合,熔焊：,氬焊(TIG-Tungsten Inert Gas Welding)：為最常用的永久性真空封合方法，所製造之真空元件適合用於高真空及超高真空範圍。,電子束焊接(Electron-beam welding)：特點是焊道深而窄，焊接不易變形焊件材料特性不改變，特別適合
12、薄板及細線形式之焊接。,2.銅焊：,銅焊適合用於不同材料之焊接，同時是陶瓷金屬接合的必要方法,可拆卸接合,1.O-ring：為可拆卸封合最常用的方式。,(1)矩形槽(Rectangular groove),(2)梯形槽(Trapezium groove)或稱 燕尾槽(Dovetail groove),(3)錐形壓縮封合(Conical compression seal),(4)襯墊封合(Spacer seal),快速接頭之組件,(5)滑動或轉動軸之O-ring封合(Sliding or rotating shaft O-ring deal),金屬墊圈封合：只有在需求壓力小於10-8torr之情
13、況使用金屬墊圈封合，此時系統必須烘烤至300 400，O-ring已不適用。,(1)平面式封合(Planar seal),(2)角封合(Comer seal),(3)卡環法蘭封合(Wheeler seal),(4)矩形墊圈封合(Coined gasket seal),(5)階式封合(Step seal),(6)刀刃封合(Knife edge seal),(7)斜楔法蘭封合(Conflat flange seal),金屬密合之示意圖,目前使用最廣泛，特點為封合時，無氧銅墊圈向外擠壓時被法蘭頂住，法蘭進一步迫緊時，其反向之力量在刀刃面造成很大的機械迫力。,真空閥門,4.3 真空閥門,基本構造：,粗
14、抽及高真空用閥門,1.粗抽及前級閥門,2.高真空閥門,4.3.2 進氣閥門,1.開關式閥門,2.微調式漏氣閥門之針閥(Needle valve),閥門的開關,Rectangular valve,Right-angle Valve,Straight-through valve,Ball Valve,Inline Valve,Butterfly valve,Variable conductance controller,Leak valve,真空引入,4.4 真空引入,(1)電引入(Electrical feedthrough)(2)機械引入(Mechanical feedthrough)(3)流體引入(Fluid feedthrough)(4)視窗(Window,view port),4.4.1 電引入,4.4.2 機械引入,1.轉動機械引入,2.鐵磁液體封合之機械引入,3.線性運動之機械引入,4.4.3 流體引入,流體引入主要是焊接的問題，無電絕緣或機械動作等因素。真空技術中常使用液態氮，液體引入的焊接道必須承受高低溫的變化，因此易於出現裂痕。當液氮引入漏氣時，其處理較為麻煩，因為材料縮漲的作用，使得通入液氮時漏氣，但不易測漏，不通入液氮時似乎又是真空密封。,4.4.4 視窗,使用視窗可讓我們由系統外面觀察其內部情況，或引導信號進入真空系統內。,
