Principales factores a tener en cuenta en la selección de materiales de vacío
Permeabilidad del gas
El proceso por el que un gas penetra, se difunde, atraviesa y desborda una capa de barrera sólida de un lado denso a otro se denomina infiltración.
La permeabilidad depende del tipo de gas y del material. En el caso de los metales, el coeficiente de permeabilidad al gas de algunos metales (como el acero inoxidable, el cobre, el aluminio, el molibdeno, etc.) es muy pequeño y puede ignorarse en la mayoría de las aplicaciones prácticas, mientras que el hidrógeno tiene una permeabilidad elevada para algunos metales como el hierro, el níquel, etc. La permeabilidad del hidrógeno al acero aumenta con el incremento del contenido de carbono, por lo que es mejor elegir acero con bajo contenido de carbono como material de la cámara de vacío. Además, algunos metales tienen permeabilidad selectiva de gases, como el hidrógeno es muy fácil de permeabilizar el paladio, y el oxígeno es fácil de fundir la plata y así sucesivamente. Esta propiedad puede utilizarse para la purificación de gases y la detección de fugas en vacío.
La permeación del gas al vidrio y la cerámica suele llevarse a cabo en forma de estado molecular, y el proceso de permeación está relacionado con el diámetro de las moléculas de gas y el tamaño de los microporos en el interior del material. El diámetro del microporo del vidrio de cuarzo que contiene sílice pura es de aproximadamente 0,4 nm, y el diámetro efectivo del poro de otros vidrios disminuye porque los iones de metales alcalinos (potasio, sodio, bario, etc.) se llenan en el microporo, por lo que los gases son más permeables al vidrio de cuarzo y menos permeables a otros vidrios. Dado que el diámetro de las moléculas de helio es el menor entre todos los tipos de moléculas, la permeación del helio en el vidrio de cuarzo es la mayor entre las parejas gas-sólido.
La permeación de los gases a los materiales orgánicos (como el caucho y los plásticos) suele realizarse en estado molecular. Debido al mayor tamaño de los poros de los materiales orgánicos, la permeabilidad del gas a los materiales orgánicos es mucho mayor que la del vidrio y el metal.
La propiedad de desgasificación del material
Cualquier material sólido puede disolverse y absorber algunos gases en el proceso de fabricación y en la atmósfera. Cuando el material se coloca en el vacío, se destruye el equilibrio dinámico original, y el material liberará aire debido a la solubilización y la desorción. La unidad comúnmente utilizada de la tasa de gases de escape es Pa * L/(s * cm2). La tasa de descarga suele ser positiva con el contenido de gas y la temperatura en el material, y la unidad de salida de gas total: Pa * L/cm2 puede utilizarse cuando se tiene en cuenta el contenido volumétrico.
Desgasificación a temperatura ambiente
La mayoría de los materiales orgánicos se componen principalmente de vapor de agua, que se caracteriza por la alta tasa de abandono y la lenta atenuación con el tiempo. Por lo tanto, generalmente no son adecuados para las partes internas de los recipientes de vacío. El desprendimiento de aire a temperatura normal del vidrio y la cerámica procede principalmente de la superficie, y el principal componente de desprendimiento de aire es el vapor de agua, seguido del CO y el CO2. Después de la cocción y el calentamiento, el vapor de agua en la película de oxidación en la superficie del vidrio puede ser básicamente eliminado, y la tasa de liberación de aire a temperatura ambiente puede reducirse significativamente.
Desgasificación a alta temperatura
Algunos materiales estructurales, como los electrodos de molibdeno, los blancos de tantalio, las fuentes de evaporación de boro, los dispositivos de calentamiento y otros equipos, se encuentran a menudo en un estado de alta temperatura en el proceso del sistema de vacío. Generalmente se cree que la exhalación a alta temperatura de los materiales está determinada principalmente por el proceso de difusión en el cuerpo, y la cantidad de gas desorbido en la superficie sólo representa una pequeña parte de la exhalación total. Además de acelerar el proceso de difusión, la desgasificación a alta temperatura del vidrio, la cerámica y la mica no difiere fundamentalmente de la desgasificación a temperatura ambiente. Sin embargo, el gas difundido del cuerpo a alta temperatura de un metal es diferente. Dado que el gas disuelto en el metal es atómico, el gas molecular emitido en el vacío suele formarse por la reacción superficial. Algunos metales (como el Ni y el Fe) están controlados principalmente por la difusión de oxígeno en el cuerpo. Por lo tanto, la descarbonización de los metales puede reducir las emisiones de CO y CO2.
Vidrio, capa superficial de metal es también una fuente importante de gas de alta temperatura, por lo que el uso de una variedad de procesos de tratamiento de superficies, tales como la limpieza química, desengrase con vapor orgánico, pulido, corrosión, oxidación al horno atmosférico puede reducir en gran medida el gas del material. Además, la tasa de desgasificación del material no sólo está relacionada con el tiempo de desgasificación experimentado, sino también en gran medida con el método de pretratamiento de la superficie y el estado de la superficie del material. Por ejemplo, cuando se limpia una superficie con un disolvente orgánico para eliminar la grasa, la contaminación de una sola capa molecular de la superficie no puede eliminarse y sólo puede eliminarse mediante cocción al vacío.
La presión de vapor y la velocidad de evaporación del material
En la tecnología del vacío, la presión de vapor y la velocidad de evaporación (sublimación) de los materiales son parámetros importantes. Por ejemplo, la presión de vapor saturado de la grasa de vacío y del filamento caliente regulado por vacío puede ser el origen del grado de vacío límite; la tasa de sublimación de los materiales de recubrimiento por vacío y del getter es un parámetro que debe tenerse en cuenta al diseñar el equipo de recubrimiento por vacío y la bomba de getter; la presión de vapor saturado del gas licuado criogénico es un parámetro relacionado con la presión límite de la bomba de condensación criogénica.
Obviamente, no se pueden utilizar materiales con alta presión de vapor en el rango de temperatura de funcionamiento del sistema de vacío. En el rango de temperatura de funcionamiento, la presión de vapor saturado de todos los materiales que se enfrentan al vacío debe ser lo suficientemente baja, y el sistema de vacío no debe dejar de alcanzar el grado de vacío de trabajo requerido debido a su propia presión de vapor o a las características del gas de escape. Aunque la presión de vapor de algunos materiales a temperatura ambiente es baja o a veces imperceptible, la presión de vapor puede llegar a alcanzar el valor medido a medida que aumenta la temperatura.
