Fattori principali da considerare nella scelta dei materiali per il vuoto
Permeabilità ai gas
Il processo attraverso il quale un gas penetra, si diffonde, attraversa e tracima uno strato barriera solido da un lato denso a un altro è chiamato infiltrazione.
La permeabilità dipende dal tipo di gas e dal materiale. Per quanto riguarda i metalli, il coefficiente di permeabilità ai gas di alcuni metalli (come l'acciaio inossidabile, il rame, l'alluminio, il molibdeno, ecc.) è molto piccolo e può essere ignorato nella maggior parte delle applicazioni pratiche, mentre l'idrogeno ha una permeabilità elevata per alcuni metalli come il ferro, il nichel, ecc. La permeabilità dell'idrogeno all'acciaio aumenta con l'aumentare del contenuto di carbonio, quindi è meglio scegliere un acciaio a basso tenore di carbonio come materiale per la camera da vuoto. Inoltre, alcuni metalli presentano una permeazione selettiva dei gas, ad esempio l'idrogeno permea molto facilmente il palladio, mentre l'ossigeno permea facilmente l'argento e così via. Questa proprietà può essere utilizzata per la purificazione dei gas e il rilevamento delle perdite nel vuoto.
La permeazione dei gas nel vetro e nella ceramica avviene solitamente allo stato molecolare e il processo di permeazione è legato al diametro delle molecole di gas e alla dimensione dei micropori all'interno del materiale. Il diametro dei micropori del vetro di quarzo contenente silice pura è di circa 0,4 nm, mentre il diametro effettivo dei pori di altri vetri diminuisce perché gli ioni di metalli alcalini (potassio, sodio, bario, ecc.) sono riempiti nei micropori, quindi i gas sono più permeabili al vetro di quarzo e meno permeabili ad altri vetri. Poiché il diametro delle molecole di elio è il più piccolo tra tutti i tipi di molecole, la permeazione dell'elio nel vetro di quarzo è la più grande tra le coppie gas-solido.
La permeazione dei gas nei materiali organici (come gomma e plastica) avviene solitamente allo stato molecolare. A causa dei pori più grandi dei materiali organici, la permeabilità dei gas ai materiali organici è molto maggiore di quella del vetro e del metallo.
La proprietà di degassificazione del materiale
Qualsiasi materiale solido può dissolversi e assorbire alcuni gas durante il processo di produzione e nell'atmosfera. Quando il materiale viene posto sotto vuoto, l'equilibrio dinamico originale viene distrutto e il materiale rilascia aria a causa della solubilizzazione e del desorbimento. L'unità di misura comunemente utilizzata per il tasso di gas di scarico è Pa * L/(s * cm2). Il tasso di scarico è solitamente positivo con il contenuto di gas e la temperatura nel materiale, e l'unità di misura del gas totale in uscita: Pa * L/cm2 può essere utilizzata quando si tiene conto del contenuto di volume.
Degassificazione a temperatura ambiente
La maggior parte dei materiali organici è composta principalmente da vapore acqueo, caratterizzato da un elevato tasso di abbandono e da una lenta attenuazione nel tempo. Pertanto, non sono generalmente adatti per le parti interne dei contenitori sottovuoto. Il rilascio di aria a temperatura normale di vetro e ceramica proviene principalmente dalla superficie e il componente principale del rilascio di aria è il vapore acqueo, seguito da CO e CO2. Dopo la cottura e il riscaldamento, il vapore acqueo presente nella pellicola di ossidazione sulla superficie del vetro può essere sostanzialmente rimosso e il tasso di rilascio dell'aria a temperatura ambiente può essere notevolmente ridotto.
Degassificazione ad alta temperatura
Alcuni materiali strutturali, come gli elettrodi di molibdeno, gli obiettivi di tantalio, le sorgenti di evaporazione del boro, i dispositivi di riscaldamento e altre apparecchiature, si trovano spesso in uno stato di alta temperatura nel processo del sistema del vuoto. In genere si ritiene che l'esalazione ad alta temperatura dei materiali sia determinata principalmente dal processo di diffusione nel corpo e che la quantità di gas desorbita sulla superficie rappresenti solo una piccola parte dell'esalazione totale. Oltre ad accelerare il processo di diffusione, il degassamento ad alta temperatura di vetro, ceramica e mica non è fondamentalmente diverso dal degassamento a temperatura ambiente. Tuttavia, il gas diffuso dal corpo ad alta temperatura di un metallo è diverso. Poiché il gas disciolto nel metallo è atomico, il gas molecolare emesso nel vuoto è solitamente formato dalla reazione superficiale. Alcuni metalli (come Ni e Fe) sono controllati principalmente dalla diffusione dell'ossigeno nel corpo. Pertanto, la decarbonizzazione dei metalli può ridurre le emissioni di CO e CO2.
Il vetro, lo strato superficiale del metallo è anche un'importante fonte di gas ad alta temperatura, quindi l'uso di una varietà di processi di trattamento superficiale, come la pulizia chimica, lo sgrassaggio con vapore organico, la lucidatura, la corrosione, l'ossidazione atmosferica al forno può ridurre notevolmente i gas del materiale. Inoltre, il tasso di degassificazione del materiale non è solo legato al tempo di degassificazione sperimentato, ma è anche fortemente correlato al metodo di pretrattamento della superficie e alle condizioni superficiali del materiale. Ad esempio, quando si pulisce una superficie con un solvente organico per rimuovere il grasso, la contaminazione di un singolo strato molecolare sulla superficie non può essere rimossa e può essere eliminata solo mediante cottura sotto vuoto.
La pressione di vapore e la velocità di evaporazione del materiale
Nella tecnologia del vuoto, la pressione di vapore e la velocità di evaporazione (sublimazione) dei materiali sono parametri importanti. Ad esempio, la pressione di vapore saturo del grasso sottovuoto e del filamento caldo regolato dal vuoto può essere l'origine del grado di vuoto limite; il tasso di sublimazione dei materiali di rivestimento sottovuoto e del getter è un parametro da considerare quando si progettano le apparecchiature di rivestimento sottovuoto e la pompa getter; la pressione di vapore saturo del gas liquefatto criogenico è un parametro relativo alla pressione limite della pompa di condensazione criogenica.
Ovviamente, non è possibile utilizzare materiali con un'elevata pressione di vapore nell'intervallo di temperatura operativa del sistema da vuoto. Nell'intervallo di temperatura di esercizio, la pressione di vapore saturo di tutti i materiali sottoposti a vuoto deve essere sufficientemente bassa e il sistema di vuoto non deve fallire nel raggiungere il grado di vuoto operativo richiesto a causa della propria pressione di vapore o delle caratteristiche del gas di scarico. Sebbene la pressione del vapore di alcuni materiali a temperatura ambiente sia bassa o talvolta impercettibile, la pressione del vapore può aumentare fino al valore misurato con l'aumento della temperatura.
