《真空材料密封方式》PPT课件.ppt

第 六 章 真 材 料 、 密 合 、 封 入授 課 教 師 ： 黃 俊 傑 Outlinel 真 空 用 材 料l 真 空 封 合 技 術l 真 空 閥 門l 真 空 引 入 真 空 用 材 料 真 空 材 料 選 擇 材 料 l 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 。l 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 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 ：a) 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b) 器 壁 內 之 氣 體 經 由 擴 散 作 用 移 至 內 表 面 而 後 逸 出c) 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 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l 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 。l 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 。l 若 對 於 特 殊 用 途 ， 如 燈 絲 ， 絕 熱 或 是 熱 傳 導則 是 另 當 別 論 。l 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l 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l Zn,Pb,Cd,Se,Sl 例 如 黃 銅 ， 有 些 螺 絲 含 有 Cd， 303不 鏽 鋼 含有 S以 及 Sel 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 。 l 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 l 氣 體 分 子 溶 入 金 屬 之 中 然 後 進 行 擴 散 隨 之 穿透 金 屬 。l 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 。 l 氣 體 分 子 溶 入 金 屬 之 中 然 後 進 行 擴 散 隨 之 穿 透金 屬 。l 氫 氣 是 幾 個 少 數 氣 體 分 子 中 最 容 易 穿 過 金 屬 的氣 體 。l 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 。l 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 l 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 ） 。l 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 。l 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)l 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 。l 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 。l 溢 氣 速 度 與 抽 氣 速 度 決 定 腔 體 的 最 終 壓 力 其 關係 如 下 )/( )()/(1000 22 sLS mAmWqP 真 空 零 件 的 處 理l 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 。l 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 。l 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l 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 1. 未 經 過 清 洗2. 經 過 簡 單 之 清 洗3. 經 過 電 鍍 的 手 續4. 先 經 去 油 且 再 電 鍍5. 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l鋁與不鏽鋼為真空腔體中最常見的兩種金屬材料。l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。l常用在與O-ring的結合，或是真空腔體內內部的組件。l 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。 l 304與316不鏽鋼為最常見的真空材料。l 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l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316Nl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l 玻 璃 沒 有 絕 對 的 熔 點 ， 軟 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 oxidel 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 。 l陶瓷乃是金屬的氧化物，氮化物或是碳化物。l強度高，低蒸汽壓。l Alumina （鋁氧化物）被使用最多，用在feedthrough，或是當作絕緣體l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 a. 硼 玻 璃 熱 膨 脹 係 數 小 ， 易 於 燒 製 焊 接 ， 質 密 ，硬 度 高 。b. 鉛 玻 璃 多 用 於 真 空 封 口 。c. 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 。 Polymerl 高 分 子 在 真 空 技 術 中 通 常 擔 任 氣 體 密 合 的 關 鍵零 件 。l Buna-N, Viton, Silicone 以 及 Kalrez用 在 O-ring的 gasket或 是 vacuum feed through。l 對 於 抗 氣 體 的 滲 透 能 力 遠 低 於 陶 瓷 及 玻 璃 。l Elastomer當 接 觸 某 些 溶 劑 時 會 產 生 腫 大 ， 最後 加 速 氣 體 的 滲 透 (1)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 l 對 於 高 溫 的 環 境 無 法 適 應l 溢 氣 速 度 比 其 他 材 料 來 的 高l 其 溢 氣 的 成 份 以 水 蒸 汽 居 多l 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(1)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 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 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 ) 2. 金 屬 墊 圈 封 合 ： 只 有 在 需 求 壓 力 小 於 10-8torr之 情 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 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。