Los materiales para uso en vacío son materiales que muestran tasas muy bajas de desgasificación en vacío y, cuando corresponde, son tolerantes a las temperaturas de secado. Los requisitos se vuelven cada vez más estrictos con el grado de vacío deseado que se logra en la cámara de vacío . Los materiales pueden producir gas mediante varios mecanismos. Las moléculas de gases y agua se pueden adsorber en la superficie del material (por lo tanto, se deben elegir materiales con baja afinidad por el agua, lo que elimina muchos plásticos). Los materiales pueden sublimarse al vacío (esto incluye algunos metales y sus aleaciones, sobre todo el cadmio y el zinc). O los gases se pueden liberar de porosmateriales o de grietas y hendiduras. Pueden estar presentes en las superficies trazas de lubricantes, residuos del mecanizado. Un riesgo específico es la desgasificación de los disolventes absorbidos en los plásticos después de la limpieza.
Los gases liberados de los materiales no solo reducen la calidad del vacío, sino que también pueden reabsorberse en otras superficies, creando depósitos y contaminando la cámara.
Otro problema más es la difusión de gases a través de los propios materiales. El helio atmosférico puede difundirse incluso a través del vidrio Pyrex , aunque sea lentamente; sin embargo, esto no suele ser un problema. Algunos materiales también pueden expandirse o aumentar de tamaño causando problemas en equipos delicados.
Además de los problemas relacionados con el gas, los materiales deben mantener la resistencia adecuada en todo el rango de temperatura requerido (a veces alcanzando temperaturas criogénicas ), mantener sus propiedades (elasticidad, plasticidad, conductividad eléctrica y térmica o falta de ella, etc.), ser mecanizable y, si es posible, no ser demasiado caro. Otra preocupación más es la coincidencia del coeficiente de expansión térmica de las partes adyacentes.
Materiales para evitar
Materiales de desgasificación por tres mecanismos: liberación de absorbidos gases (de sorción de la mayor parte del material), la liberación de adsorbidas gases ( desorción de sólo la superficie), y la evaporación del propio material. El primero se puede reducir mediante un secado, el segundo es una propiedad intrínseca del material. [1] Algunos materiales desgasificados pueden depositarse en otras superficies, contaminar el sistema de vacío y ser difíciles de eliminar.
Las fuentes más comunes de problemas (desgasificación) en los sistemas de vacío son:
- El cadmio , a menudo presente en la forma de cadmiado , o en algunos de soldadura y de soldadura fuerte de aleaciones
- Zinc , problemático para alto vacío y temperaturas más altas, presente en algunas aleaciones de construcción, por ejemplo, latón y algunas aleaciones de soldadura fuerte. Tiende a envenenar los cátodos calientes y a formar depósitos conductores en las superficies. [2] Se debe evitar cualquier material que haya sido recubierto de zinc mediante galvanización , o primero se debe quitar el recubrimiento.
- Magnesio
- PVC , generalmente en forma de aislamiento de cables (también fuente de fugas virtuales)
- Pinturas
- Plomo y antimonio utilizados en algunas soldaduras blandas y desgasificación a temperaturas más altas [2]
- Muchos plásticos , es decir, muchas cintas de plástico (se debe prestar especial atención a los adhesivos). Deben evitarse los compuestos de fibra de vidrio, por ejemplo, Micarta (G-10) y G-30. Incluso a veces se desaconseja Kapton y Teflon . [2]
- Varios residuos, p. Ej. Fundente de soldadura fuerte y fuerte, y lubricantes del mecanizado, hacen imprescindible una limpieza a fondo. Obtener los residuos desgasificables de las grietas estrechas puede ser un desafío; un buen diseño mecánico que evite tales características puede ayudar.
Materiales para uso al vacío
Rieles
- Los aceros inoxidables austeníticos son la opción más común para sistemas de alto vacío y ultra alto vacío . No todas las aleaciones son adecuadas; por ejemplo, el acero 303 de mecanizado libre contiene azufre , que tiende a desgasificarse. Por lo general, se eligen aleaciones con buena soldabilidad bajo soldadura por arco de argón .
- El acero inoxidable 304 es una opción común de acero inoxidable.
- El acero inoxidable 304L , una variante de acero 304 con bajo contenido de carbono, se utiliza para sistemas de vacío ultra alto.
- Acero inoxidable 316L un acero inoxidable de bajo contenido de carbono y poco magnético, utilizado en tecnologías de aceleradores.
- El acero inoxidable 347 no acepta un alto brillo.
- El acero inoxidable 321 se elige cuando se necesita una baja permeabilidad magnética .
- El acero dulce se puede utilizar para vacíos moderados por encima de 1 × 10 −6 torrs (1,3 × 10 −7 kPa). La desgasificación se puede reducir con un revestimiento adecuado (por ejemplo, níquel) . Tiene alta permeabilidad al hidrógeno y tendencia a oxidarse. Para su uso, debe desgasificarse completamente al vacío.
- El aluminio y las aleaciones de aluminio son otra clase de materiales de uso frecuente. Son bien maquinables y tienen baja desgasificación, a menos que las aleaciones contengan mayores proporciones de zinc . Las piezas no deben anodizarse , ya que la capa de óxido atrapa (y luego desgasifica) el vapor de agua. La anodización también hace que la superficie no sea conductora, por lo que su superficie se cargará en sistemas electrostáticos . El mejor tratamiento es Alochroming, que sella la superficie, la vuelve dura y conductora. Su tasa de desgasificación es considerablemente menor que la del aluminio no tratado. El aluminio y sus aleaciones tienen baja resistencia a altas temperaturas, se deforman al soldarse y los que contienen cobre son poco soldables. Los anillos de alambre de aluminio se pueden usar como juntas económicas en sellos desmontables. El aluminio tiene alta conductividad térmica, buena resistencia a la corrosión y baja solubilidad del hidrógeno. La pérdida de resistencia a altas temperaturas limita su uso en aplicaciones horneables, pero el aluminio es ventajoso para sistemas de gran tamaño debido a su menor peso y menor costo que el acero inoxidable. El uso de aluminio está limitado por las dificultades en su soldadura y soldadura fuerte. Se puede utilizar para ventanas de rayos X. [1]
- El bronce de aluminio es un material que se ve y se mecaniza de manera similar al latón . No es susceptible al desgaste , lo que lo hace adecuado para ajustes deslizantes contra acero inoxidable.
- El níquel se utiliza ampliamente en la tecnología de vacío, por ejemplo, como piezas mecánicas en tubos de vacío . Es relativamente económico, se puede soldar por puntos, se puede mecanizar fácilmente, tiene un alto punto de fusión y es resistente a muchos fluidos y atmósferas corrosivas. Su posible inconveniente es su ferromagnetismo , que restringe las aplicaciones que estarían influenciadas por campos magnéticos. [1]
- Aleaciones de níquel, p. Ej. Cuproníquel [2]
- El berilio se usa principalmente para ventanas de rayos X.
- El cobre libre de oxígeno se usa ampliamente. Se mecaniza fácilmente y tiene buena resistencia a la corrosión. No es adecuado para sobres horneados al vacío debido a su tendencia a oxidarse y crear escamas. Los anillos de cobre se utilizan en sellos desmontables. El cobre normal no es adecuado para alto vacío ya que es difícil de desgasificar por completo. El cobre es insensible al hidrógeno e impermeable al hidrógeno y al helio, tiene baja sensibilidad al vapor de agua, pero es atacado por el mercurio. Su fuerza cae bruscamente por encima de los 200 ° C (392 ° F). Su presión de vapor se vuelve significativa por encima de los 500 ° C (932 ° F). [1]
- El latón es adecuado para algunas aplicaciones. Tiene buena resistencia a la corrosión. Su contenido de zinc puede causar problemas; La desgasificación del zinc se puede reducir mediante niquelado.
- El alambre de indio se utiliza como junta en sellos desmontables.
- El alambre de oro se usa como junta en sellos desmontables para vacío ultra alto, así como una alternativa a la soldadura de plomo y estaño para hacer conexiones eléctricas.
- El platino es un material químicamente inerte de alto costo y baja desgasificación.
- El circonio es resistente a la corrosión. Tiene baja producción de electrones secundarios , por lo que se utiliza como revestimiento de áreas donde es importante reducir su producción. Se utiliza para ventanas de neutrones . Es costoso y escaso, por lo que sus usos son limitados. El circonio y el hidruro de circonio se utilizan para gettering .
- El tungsteno se utiliza a menudo en aplicaciones de alta temperatura, así como para filamentos en óptica de electrones / iones. Se vuelve quebradizo debido al endurecimiento por trabajo cuando se deforma mecánicamente o se somete a temperaturas muy altas.
- El molibdeno y el tantalio son útiles para aplicaciones de alta temperatura. [2]
- El titanio y el niobio son buenos materiales.
- Las soldaduras a veces son inevitables para las uniones soldadas blandas. Las soldaduras de estaño y plomo (Sn50Pb50, Sn60Pb40, Sn63Pb37) se pueden usar condicionalmente cuando el aparato no se va a hornear y las temperaturas de funcionamiento no son elevadas (el plomo tiende a desgasificarse). Una mejor opción para los sistemas de vacío es el eutéctico de estaño-plata, Sn95Ag5; su punto de fusión de 230 ° C (446 ° F) permite hornear hasta 200 ° C (392 ° F). Una aleación 95-5 similar, Sn95Sb5, no es adecuada ya que el antimonio tiene una presión de vapor similar a la del plomo. Tenga cuidado de eliminar los residuos de fundente .
- Las aleaciones de soldadura fuerte se utilizan para unir materiales mediante soldadura fuerte . Se debe tener cuidado al elegir las aleaciones, ya que algunos elementos tienden a desgasificarse. El cadmio y el zinc son los peores delincuentes comunes. La plata, un componente común de las aleaciones de soldadura fuerte, puede ser problemático a temperaturas más altas y presiones más bajas. Se recomienda un eutéctico de plata y cobre, llamado, por ejemplo, Cusil. Una alternativa superior es una aleación de cobre, plata y estaño llamada Cusiltin. También son adecuadas las aleaciones de cobre-plata-fósforo, por ejemplo, Sil-Fos. [2]
Plástica
- Algunos fluoropolímeros , por ejemplo, fluoruro de polivinilideno , son adecuados para su uso en vacío. Tienen baja desgasificación y son tolerantes a temperaturas más altas.
- El politetrafluoroetileno ( PTFE o teflón) se usa comúnmente dentro de los sistemas de vacío. Es autolubricante, un buen aislante eléctrico, tolerante a temperaturas bastante altas y tiene baja emisión de gases. No es adecuado para la barrera entre el vacío y la atmósfera, ya que es algo permeable a los gases. Sin embargo, la cerámica es una opción superior. [2]
- El polietileno es utilizable pero requiere una completa desgasificación. Nalgene se puede utilizar como una alternativa más económica para los frascos Bell .
- La poliimida de Vespel es muy cara, pero se mecaniza bien, tiene buenas propiedades de aislante eléctrico y es compatible con vacío ultra alto.
- El PVC , a pesar de su alta tasa de desgasificación, se puede utilizar en aplicaciones limitadas para líneas de vacío rugosas.
- El nailon es autolubricante pero tiene una alta tasa de desgasificación y una gran afinidad por el agua.
- Los acrílicos tienen una alta tasa de desgasificación y una alta afinidad por el agua.
- Los policarbonatos y el poliestireno son buenos aislantes eléctricos con una desgasificación moderada.
- PEEK (PolyEtherEtherKetone) tiene valores de liberación de gases relativamente bajos (0,31% TML, 0,00% CVCM, 0,06% WVR).
- Kapton es un tipo de película de poliimida, tiene una desgasificación muy baja. Se desaconseja Kapton si se puede utilizar una alternativa de cerámica. [2]
- Algunos elastómeros tienen suficientes propiedades de vacío para ser empleados en juntas tóricas de vacío:
- NBR , ( caucho de nitrilo ), comúnmente utilizado para sellos de vacío desmontables (horneables solo hasta 100 ° C).
- Los FKM (FPM) , ( Viton ) se utilizan para sellos de vacío desmontables. Es mejor para presiones más bajas que el caucho de nitrilo y químicamente mucho más inerte . Se puede hornear a 200 ° C.
- FFKM ( FFPM ) muy baja emisión de gases similar al teflón y soporta temperaturas de horneado de hasta 300 ° C, mientras que químicamente es uno de los elastómeros de sellado más inertes .
Vasos y cerámica
- El vidrio de borosilicato se usa a menudo para ensamblajes más pequeños y para ventanas gráficas. Se puede mecanizar y unir bien. Los vasos se pueden unir con metales .
- Las cerámicas de porcelana y alúmina , cuando están completamente vitrificadas y, por lo tanto, no son porosas, son excelentes aislantes utilizables hasta 1500 ° C. Algunas cerámicas se pueden mecanizar. La cerámica se puede unir con metales .
- Macor es una cerámica mecanizable que es una excelente alternativa a la alúmina, ya que el proceso de cocción de la alúmina puede cambiar las dimensiones y tolerancias.
Lubricantes
La lubricación de las partes móviles es un problema para el vacío. Muchos lubricantes tienen tasas de desgasificación inaceptables, [3] otros (por ejemplo, grafito ) pierden propiedades lubricantes.
- Las grasas de vacío son grasas con baja emisión de gases.
- La grasa Ramsay es una antigua composición de cera de parafina, vaselina y caucho natural, utilizable hasta aproximadamente 25 ° C, para vacíos bajos de aproximadamente 1 Pa.
- Krytox es una grasa para vacío a base de fluoreter, útil desde -75 hasta más de 350 ° C, no inflamable incluso en oxígeno líquido y altamente resistente a las radiaciones ionizantes .
- Polifenil éter grasas
- Torrlube , una marca que engloba una gama de aceites lubricantes a base de perfluoropoliéteres . [4]
- Lubricantes secos , pueden incorporarse en plásticos como cargas, como componente de metales sinterizados, o depositarse sobre superficies metálicas, cerámicas y plásticas.
- El disulfuro de molibdeno es un lubricante seco que se puede utilizar al vacío.
- El disulfuro de tungsteno es otro lubricante seco que se puede utilizar al vacío. Puede usarse a temperaturas más altas que MoS 2 . El disulfuro de tungsteno solía ser significativamente más caro, pero el aumento de los precios del disulfuro de molibdeno los llevó a un rango comparable. [5] Utilizable de -188 a +1316 ° C en vacío, de -273 a +650 ° C en atmósfera normal. [6]
- El nitruro de boro hexagonal es un lubricante seco similar al grafito que se utiliza en los vehículos espaciales.
Adhesivos
- Torr-Seal, o su equivalente genérico Hysol-1C (marca de EE. UU.) O Loctite 9492 (marca de UE), es un epoxi con resina y endurecedor para uso en entornos de vacío. Comenzará a degradarse a altas temperaturas, pero por lo demás es muy estable con muy poca desgasificación. También se encuentran disponibles otros epóxicos para vacío. Para montar o unir láminas metálicas delgadas, rejillas u otras piezas pequeñas que no se espera que sufran tensión, se puede usar pasta de plata u oro como adhesivo. Después de fijar los materiales con pasta de plata, la pieza debe hornearse (a> 200 C) en aire durante> 24 horas para eliminar los volátiles antes de insertarla en el vacío.
Materiales para uso en el espacio
Además de las preocupaciones anteriores, los materiales para su uso en aplicaciones de naves espaciales tienen que hacer frente al daño por radiación y la radiación ultravioleta de alta intensidad , las cargas térmicas de la radiación solar, el enfriamiento por radiación del vehículo en otras direcciones y el calor producido dentro de los sistemas de la nave espacial. Otra preocupación, para las órbitas más cercanas a la Tierra, es la presencia de oxígeno atómico , que conduce a la corrosión de las superficies expuestas; el aluminio es un material especialmente sensible [ cita requerida ] . La plata, que se utiliza a menudo para interconexiones depositadas en la superficie, forma una capa de óxido de plata que se desprende y puede erosionarse hasta un fallo total.
Las superficies sensibles a la corrosión se pueden proteger con un revestimiento adecuado , la mayoría de las veces con oro ; también es posible una capa de sílice . Sin embargo, la capa de revestimiento está sujeta a erosión por micrometeoroides .
Ver también
- Ingeniería de vacío
Referencias
- ↑ a b c d Meurant, G. (1980). Física y Tecnología del Vacío . Ciencia de Elsevier . pag. 346. ISBN 9780080859958. Consultado el 8 de septiembre de 2015 .
- ^ a b c d e f g h G. Lee (15 de agosto de 1989). "TM-1615: Materiales para vacío ultra alto" (PDF) . Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi . Consultado el 8 de septiembre de 2015 .
- ^ Carré, DJ; Bertrand, PA (1999). "Análisis del lubricante de rueda de reacción del telescopio espacial Hubble" . Diario de naves espaciales y cohetes . 36 (1): 109-113. Código bibliográfico : 1999JSpRo..36..109C . doi : 10,2514 / 2,3422 .
- ^ "TorrLube.com | El líder incomparable en lubricación de alto vacío" . torrlube.com . Consultado el 8 de septiembre de 2015 .
- ^ Ketan (2 de diciembre de 2008). "Comparación entre disulfuro de molibdeno y disulfuro de tungsteno" (PDF) . Consultado el 8 de septiembre de 2015 .
- ^ "Tungsteno aplicado: Aeroespacial: Disulfuro de tungsteno WS2 Lubricante de película seca y pasivación de ácido cítrico" . applytungstenite.com . Consultado el 8 de septiembre de 2015 .