真空用材料

材料通过三种机制释气：释放被吸收的气体（从材料内部中解吸），释放被吸附的气体（仅从表面解吸），以及材料本身蒸发。前者可以通过烘烤来减少，后者是材料的固有特性^[1]。一些释气材料会沉积在其他表面，污染真空系统，很难清除。

真空系统中最常见的问题（释气）来源是：

• 镉，通常以镀镉的形式存在，或者存在于一些焊接和钎焊合金中。
• 锌在高真空和高温下存在问题，存在于一些建筑合金中，例如黄铜和一些钎焊合金。倾向于有毒的热阴极并在表面形成导电沉积物^[2]。应避免任何通过镀锌进行镀锌的材料，否则应先去除涂层。
• 镁
• 聚氯乙烯，通常是电线绝缘的形式（也是虚拟泄漏的来源）。
• 涂料
• 一些软焊料中使用的铅和锑，在较高温度下会释放气体。^[2]
• 许多塑料，即许多塑料带（应特别注意粘合剂）。应避免使用玻璃纤维复合材料，例如米卡塔（G-10）和G-30。甚至卡普顿和特氟隆有时也被建议反对使用^[2]。
• 各种残留物，例如焊接和钎焊产生的助焊剂，以及机械加工产生的润滑剂，使得彻底清洁变得势在必行。从狭窄的缝隙中提取可释气残留物可能是一项挑战；一个好的机械设计可以避免这些特性。

2.1 金属

• 奥氏体不锈钢是高真空和超高真空系统中最常见的选择。并非所有合金都适用；例如，易加工的303钢含有硫，硫易于释气。通常选择在氩弧焊下具有良好焊接性的合金。
  • 304不锈钢是不锈钢的常见选择。
  • 304L不锈钢是304钢的低碳变体，用于超高真空系统。
  • 316L不锈钢是一种低碳低磁性不锈钢，用于加速器技术。
  • 347不锈钢不接受高抛光。
  • 当需要低磁导率时，选择321不锈钢。
• 低碳钢可用于10^-6托以上的中等真空。释气可以通过适当的（例如镍）电镀来降低。它对氢的渗透性高，容易生锈。使用时，应在真空中彻底释气。
• 铝和铝合金是另一类常用材料。除非合金中含有较高比例的锌，否则它们具有良好的可加工性和低释气性。零件不能进行阳极氧化，因为氧化层会捕获（并释放）水蒸气。阳极氧化也使表面不导电，以致于它的表面将在静电系统中充电。最好的处理方法是镀铝，它能密封表面，使其坚硬并具有导电性。它的释气率比未经处理的铝低得多。铝及其合金在高温下强度低，焊接时会变形，含铜的合金焊接性差。铝线环可用作可拆卸密封件中的廉价垫圈。铝具有高导热性、良好的耐腐蚀性和低的氢溶解度。高温下强度的损失限制了其在可烘烤应用中的使用，但是铝比不锈钢重量更轻、成本更低，因此对大型系统更有利。铝的使用受到焊接和钎焊困难的限制。它可以用于x光窗口^[1]。
• 铝青铜是一种外观和可加工性类似黄铜的材料。它不易磨损，这使得它适合与不锈钢滑动配合。
• 镍广泛应用于真空技术，如用作真空管中的机械零件。它的成本相对较低，可点焊，易于加工，熔点高，耐多种腐蚀性流体和大气。它潜在的缺点是铁磁性，受磁场影响下限制了其应用^[1]。
• 镍合金，例如白铜^[2]。
• 铍主要用于x光窗口。
• 无氧铜被广泛使用。它易于加工，具有良好的耐腐蚀性。由于它容易氧化并产生水垢，因此不适合烘烤真空封条。铜环用于可拆卸的密封件。普通铜不适合高真空应用，因为很难完全释气。铜对氢不敏感，对氢和氦不可渗透，对水蒸气不敏感，但会受到汞的侵蚀。它的强度在200℃以上急剧下降。它的蒸汽压在500℃以上变得很大^[1]。
• 黄铜适合某些应用。它具有良好的耐腐蚀性。其锌含量可能会引起一些问题；镀镍可以减少锌的释气量。
• 铟丝用作可拆卸密封件的垫圈。
• 金线用作超高真空可拆卸密封的垫圈，也是铅锡焊的替代物，用于电气连接。
• 铂是一种高化学惰性材料，成本高，释气低。
• 锆是耐腐蚀的。它的二次电子产量很低，因此被用作减少二次电子产量的重要区域的涂层。它用于中子窗口。它既昂贵又稀缺，因此用途有限。锆和氢化锆用于吸气。
• 钨通常用于高温应用以及电子/离子光学中的灯丝。当机械变形或经受非常高的温度时，它因加工硬化而变脆。
• 钼和钽适用于高温应用^[2]。
• 钛和铌是好材料。
• 软钎焊接头有时需不可避免地使用焊料。锡铅焊料（Sn50Pb50、Sn60Pb40、Sn63Pb37）可在设备不烘烤且工作温度不升高（铅易于释气）时有条件地使用。真空系统的更好选择是锡银共晶Sn95Ag5，其熔点为230℃，可烘烤至200℃。类似的95-5合金Sn95Sb5不适合作为焊料，因为锑的蒸汽压与铅相似。注意清除焊剂残留物。
• 钎焊合金在通过钎焊连接材料时使用。选择合金时必须谨慎，因为有些元素容易放气。镉和锌是最常见的罪犯。银是钎焊合金的常见成分，在较高的温度和较低的压力下会有问题。建议使用银铜共晶，如Cusil。更好的一种替代物是铜银锡合金，叫做Cusiltin。铜-银-磷合金，例如Sil-Fos，也是适用的^[2]。

2.2 塑料

• 一些含氟聚合物，例如聚偏二氟乙烯，适用于真空。它们释气低，能耐受更高的温度。
  • 聚四氟乙烯（聚四氟乙烯或特氟隆）通常用于真空系统内部。它是自润滑的、良好的电绝缘体，耐受相当高的温度，并且具有低释气。它不适用于真空和大气之间的屏障，因为它对气体有一定的渗透性。然而，陶瓷是一个更好的选择^[2]。
• 聚乙烯是可用的，但需要彻底释气。纳尔金可以作为钟形罩的廉价替代品。
• Vespel聚酰亚胺非常昂贵，但加工性好，具有良好的电绝缘性能，并与超高真空兼容。
• 尽管聚氯乙烯释气率很高，但它只能用于有限的粗糙真空管路。
• 尼龙是自润滑的，但是具有高释气率和高亲水性。
• 丙烯酸树脂具有高释气率和高亲水性。
• 聚碳酸酯和聚苯乙烯是良好的电绝缘材料，具有适度的释气性能。
• 聚醚醚酮的释气值相对较低（TML 0.31%，CVCM 0.00%，WVR 0.06%）。
• Kapton是一种聚酰亚胺薄膜，具有很低的释气性。如果可以使用陶瓷替代品，则不推荐使用Kapton。^[2]
• 一些弹性体具有足够的真空性能，可用于真空o形圈：
  • 丁腈橡胶（NBRs），通常用于可拆卸的真空密封（只能烘烤到100℃）。
  • FKMs （FPMs），（Viton）用于可拆卸的真空密封。它比丁腈橡胶更适用于较低的压力，化学惰性更强。它可以烘烤到200摄氏度。
  • FFKMs （FFPMs）非常低的释气力类似特氟隆，能够承受高达300℃的烘烤温度，同时是化学上最惰性的密封弹性体之一。

2.3 玻璃和陶瓷

• 硼硅酸盐玻璃通常用于较小的组件和视口。它可以很好地加工和连接。玻璃可以和金属结合在一起。
• 当完全玻璃化并因此无孔时，陶瓷和氧化铝陶瓷，在高达1500℃的温度下都是极好的绝缘体。有些陶瓷可以加工。陶瓷可以和金属结合在一起。
• 马科尔是一种可加工陶瓷，是氧化铝的绝佳替代品，因为氧化铝的烧制过程会改变尺寸和容差。

2.4 润滑剂

运动部件的润滑是真空的一个问题。许多润滑剂具有不可接受的释气率^[3]，其他润滑剂（如石墨）失去润滑性能。

• 真空润滑脂是释气性低的润滑脂。
  • 拉姆齐润滑脂是一种由石蜡、凡士林和天然橡胶组成的旧组合物，可在高达约25℃的温度下与约1 Pa的低真空环境使用。
  • Krytox是一种氟醚基真空润滑脂，适用于-75℃至350℃以上，即使在液氧中也不易燃，并且呈现高度耐电离辐射。
  • 聚苯醚润滑脂
  • Torrlube是一个以全氟聚醚为基础的一系列润滑油的品牌。^[4]
• 干润滑剂，可以作为填料加入塑料中，作为烧结金属的成分，或者沉积在金属、陶瓷和塑料表面。
  • 二硫化钼是一种可在真空中使用的干润滑剂。
  • 二硫化钨是另一种可在真空中使用的干润滑剂。它可以在比MoS2更高的温度下使用。二硫化钨过去的价格要贵得多，但其价格的上涨使它们达到了一个可比范围^[5]。它在真空中从-188℃到+1316℃，在正常大气中从-273℃到+650℃都可使用。^[6]
  • 六方氮化硼是一种用于太空飞行器的石墨状的干润滑剂。

2.5 粘合剂

• 托密封，或其通用等效物希索尔-1C（美国品牌）或乐泰9492（欧盟品牌），是一种用于真空环境的环氧树脂和固化剂。它会在高温下开始降解，但在其他情况下非常稳定，几乎没有释气。也有其他真空等级的环氧树脂。对于安装或连接薄金属箔、栅格或其他预计不会承受应力的小片，银或金膏可用作粘合剂。用银浆固定材料后，必须在空气中烘烤（200℃以上）24小时以上，以在插入真空之前除去挥发物。

除了上述问题之外，用于航天器应用的材料还必须应对辐射损伤和高强度紫外线辐射、太阳辐射的热负荷、航天器在其他方向的辐射冷却以及航天器系统内产生的热量。对于离地球更近的轨道，另一个问题是原子氧的存在会导致暴露表面被腐蚀，因为铝是一种特别敏感的材料。银通常用于表面沉积互连，形成银氧化物层，银氧化物层会剥落，并可能被腐蚀直完全失效。

对腐蚀敏感的表面可以用合适的镀层加以保护，最常见的是用金镀层；二氧化硅层也是可以的。然而，涂层容易受到微流星体的侵蚀。