超高真空材料，高真空密封脂

大家都知道，获得真空与良好的密封密不可分。真空密封技术是保证系统真空水平的重要手段。常见的真空密封技术包括橡胶密封、铁磁流体密封、粘合密封、金属密封等。我们来看看这些密封方法及其特点。

真空橡胶密封件第一个O 形圈出现于19 世纪中叶。如今，刚刚过去了一百多年，O型圈因其结构简单、装拆方便、密封可靠、动摩擦阻力小、无需经常调整而得到充分发展并得到广泛应用。非常适合密封各种真空系统。

真空系统中常用的橡胶有天然乳胶制成的硫化橡胶、合成橡胶（丁基橡胶、氯化橡胶、丁腈橡胶等）、硅橡胶、氟橡胶等。

解决真空橡胶密封问题，除了正确的密封结构设计外，合理选择密封材料也很重要。影响真空密封的主要因素有橡胶的耐热性、压缩变形抗力、漏气率、透气率、空气流出率、升华（失重）等。

耐热性。真空系统经常需要对系统和部件进行脱气（通常是烘烤），而橡胶密封件需要一定程度的耐热性，以保证烘烤和脱气的顺利进行。一般烧成温度在120以下、真空度10^-5Pa时可采用丁基橡胶或丁腈橡胶，但在要求较高烧成温度的超高真空环境下则需采用氟橡胶。将会被使用。

抗压缩变形。在真空系统中，许多真空密封件在压缩下运行。为了保持密封可靠性和一定的密封寿命，真空密封橡胶的压缩变形量必须小（最好是35%以下），同时变形的程度必须比较平缓。压缩应力松弛（即大的压缩应力松弛因子）可延长真空密封件的使用寿命。

漏气率。根据经验和计算，在真空系统中，当真空泵排量为8000L/s时，真空度应保持在510^-7Pa，橡胶的漏气量不应超过。 5.2510^-3Pa·cm^3/s以上。下表1显示了各种橡胶的漏气率。

表1 各种橡胶的漏气率

透气性。不同的橡胶在不同的温度下具有不同的透气性。这是由橡胶的内部结构决定的。丁腈橡胶的透气性较低，因为它具有甲基，丁腈橡胶对非极性气体的渗透性较低，因为它具有极性基团的腈基。因此，丁腈橡胶的丙烯腈含量越高，其透气性越低。橡胶的透气性受温度影响较大，温度越高，透气性越大。另外，不同的橡胶具有不同的透气性。在相同气体中透气性的顺序为：天然橡胶>丁苯橡胶>顺丁橡胶>氯丁橡胶>丁基橡胶。下表2显示了各种橡胶对各种气体的渗透性。

表2 各种橡胶对各种气体的透气率

排气率。橡胶空气流出量的定义是在一定温度下，单位时间内橡胶单位面积的空气流出量。真空密封的一般要求为10^-4至10^-5Pa L/s。根据实验数据，各种橡胶的空气释放率顺序为：氯醇橡胶>乙烯基硅橡胶>天然橡胶>丁腈橡胶>氯丁橡胶>氟橡胶。

橡胶的升华（还原）。橡胶在恒定真空和温度下的重量损失称为升华。真空密封要求密封材料具有低升华值。一般要求升华值小于10%，以保证橡胶密封件在相应的真空系统内具有相对稳定的关系，并维持既定的真空水平。根据真空升华值的不同，可排列多种橡胶，如天然橡胶>丁腈橡胶>氯丁橡胶>氯醇橡胶>乙烯硅橡胶>氟橡胶。表3显示了各种橡胶在真空中的失重情况。

表3 各种橡胶在真空中的失重

在高真空系统中，橡胶密封元件对真空系统极限压力的主要影响因素是材料的漏气率和空气流出率。

磁性流体密封磁性流体于20 世纪60 年代推出。铁磁流体密封是一项相对成熟的技术，在真空密封中发挥着越来越重要的作用。

磁性液体（也称磁流体或铁磁液体）从原理上讲是由磁性纳米粒子经过特殊处理均匀分散混合在液体中组成的固液胶体液体。它兼具液体的流动性和磁性。利用磁性液体对磁场的响应特性的磁性液体封装技术。当将制作好的磁性液体注入由高性能永磁体、导磁性能良好的极片和轴组成的磁路间隙中时，磁性液体在磁力作用下形成多个液体O。领域. 要做.成型环的数量与设计的突起的数量相同，当磁性液体受到压力差的影响时，它会在不均匀的磁场中轻微移动，并会产生抵抗压力差的磁力.到达磁性液体。起到新的平衡和密封作用。

由于磁导体与密封内部液体之间只有接触密封，因此铁磁流体密封具有以下优点：

密封性能高。酯基磁性液体可以对介质（大气或惰性气体）提供强而稳定的动、静密封。

无法测量泄漏量。铁磁流体密封有时被称为“零泄漏”，因为泄漏基本上很难检测到。

·高可靠性。即使在正压下出现瞬时超压失效，只要压力降低到密封件能够承受的水平，磁流体密封件就能保持其密封效果，使用起来极其可靠。

基本无污染。密封件本身无机械磨损，磁性液体的饱和蒸气压极低，因此在高真空条件下使用时不会产生污染。

优异的高速性能。磁性液体在旋转过程中内摩擦力极低，功率损失也很小，因此可以高速运动。

低摩擦、低磨损、低发热。带轴承的密封件在旋转过程中对轴承的机械磨损较小，并且由于内部磁芯组件与旋转轴不直接接触，因此摩擦、磨损和发热较少，所需的操作功率较小。

修复性好。铁磁流体密封件在使用过程中可能会因某种原因而失效，但如果内部部件运行正常，通常可以在现场快速进行修复。

为无方向性密封。如果您需要改变承压方向，无需在铁磁流体密封中添加任何其他组件即可完成。

由于磁流体密封的诸多优点，其应用领域包括国产和进口晶体生长设备、扩散炉、真空钎焊炉、真空热处理炉、镀膜设备等真空设备。

胶粘密封1985年，中国科学院化学研究所和中国科学院电子研究所研制出有机硅高真空微孔密封胶，运至南昌静电复制厂进行样机生产。它是一种无色、透明、低粘度的液体，对金属、陶瓷、玻璃、塑料等有很强的润湿性，对高真空设备和高真空系统中的微泄漏孔的密封具有高效作用。工作温度范围为350~-196。

目前，密封胶越来越受欢迎。以安捷伦真空的Torr Seal密封胶为例，很多人可能听说过或者使用过这种真空密封胶。该密封胶对金属、陶瓷、玻璃等材料进行粘接，具有良好的密封性能，固化后气体释放率极低，可在110^-9毫巴以下的超高真空环境下使用。密封件也称为“超高真空密封材料”。

从原理上讲，Torr Seal密封胶是一种与普通AB胶非常相似的环氧树脂粘合剂，它包含膏状形式的两种组分，混合后开始缓慢硬化，从而获得粘合或密封效果。

按用途分，有1）用于在真空室内粘接固定各种零件的类型，2）真空密封堵漏型，固化后仍具有一定的强度，可用于真空密封螺纹零件。玻璃、陶瓷、金属之间的连接和真空密封，穿通件和航空插头的电极和法兰之间的密封，X射线管和激光管等各种真空管的连接和真空密封，以及真空管和法兰之间的连接对于各种真空系统和零件中的泄漏可以快速密封，对于常见的真空泄漏，直接涂抹就可以堵住泄漏，并且在粘合剂固化后，可以直接进行或开始检漏工作。我可以。正常使用； 真空胶由硬化剂硬化而成，无刺激性气味或甲醛等挥发性物质，因此也可用于对气味要求较高的非真空应用。

对于常见的真空泄漏，即使在超高真空下，粘合密封方法也能非常方便地密封和堵塞泄漏，并且还可以起到连接某些部件的作用。

金属密封件金属密封件的发展历史悠久，出现的时间早于橡胶密封件。橡胶的气体排放量和渗透性较大，不能在高温下烧制，且对辐射敏感，其用途受到限制。金属密封广泛应用于超高真空环境，以弥补橡胶密封的上述缺点。

原则上，金属材料和橡胶一样，都具有一定程度的弹性和延展性。当金属密封圈受到外压而产生弹性变形时，由于其弹性回复力而趋于恢复原来的形状，填充密封面的间隙，起到密封的作用。

我们将介绍一些超高真空下常用的金属密封方法。

1 金属铟丝密封

金属铟的莫氏硬度仅为1.2，远低于铜金属的莫氏硬度2.53和铝的莫氏硬度22.9，熔点为156.6。由于其优良的延展性，非常适合真空密封连接，密封时只需在法兰表面敷设适当长度的铟丝，将铟丝两端重叠，加工即可实现连接。不需要请预先安装标准密封圈。因此，常用于法兰尺寸较大且与其他金属密封圈难以加工时使用。

法兰铟丝密封

根据法兰尺寸，可选择1至2毫米的铟丝直径。但由于其熔点较低，煅烧温度不能超过150。另外，金属铟具有优异的低温性能，铟丝密封件常用于低温环境下的真空密封。但铟丝在压制后容易流动，因此为了防止铟丝流入真空室，需要在法兰上做台阶或开槽，如图2所示。

2、全金属快拆式密封件与传统的螺栓法兰相比，需要多个螺栓，但卡箍只需要两个螺钉即可固定，安装速度更快，因此被称为快拆式卡箍。全金属快拆密封件主要由快拆卡箍、平面法兰、密封圈组成密封系统，如下图所示。

全金属快拆密封件

快卸夹的轴向夹紧力较小，因此密封圈一般采用纯铝材料，但采用高刚性不锈钢，以减少夹件变形。快卸夹具由多叶夹具组成，夹具数量随着法兰直径的增加而增加。另外，随着法兰直径的增大，即使螺钉紧固力相同，夹具轴向的夹紧力也会减小。因此，对于公称直径小于160的法兰，采用全金属快卸密封件将提供更好的密封性能。全金属快卸密封不需要轴向螺钉固定，可以节省大量的轴向空间，并且具有螺钉数量少、安装快速的特点，减少了安装空间，安装时常使用还早。是必须的。例如，高能加速器在关闭后立即受到持续的辐射，因此必须快速完成安装以确保工人的安全。全金属快拆密封件形成中科院高能物理研究所试用标准，广泛应用于多台加速器的真空密封连接。

3 全金属快拆及铟丝复合密封

铟丝密封法兰为了在安装前更好地连接铟丝，通常需要在法兰上创建肩环或凹槽，如上图所示。另外，铟丝较软，安装时需要较大的工作空间，全金属快拆密封件由于轴向夹紧力不足，泄漏率往往较低。

本节所述的复合密封继承了软铟丝的优点，可以节省全金属快拆密封的安装空间，并将铟丝安装在全金属密封圈密封面的外侧.可以解决铟丝的问题。下图所示为全金属快拆密封件因夹紧力不足而导致漏气的问题。

全金属快拆及铟丝复合密封

这种密封结构对应于延长气体泄漏路径并显着降低泄漏通道的电导。另外，将铟丝置于金属密封圈外部，降低了铟丝因高温熔化而进入真空室的风险，提高了系统的可靠性。

4 个弹簧累积Helicoflex 密封件

弹簧密封件也称为Helicoflex，是一种压力辅助密封装置，由金属铝、铜、银、不锈钢或其他聚合材料制成的护套和储能弹簧组成，如下所示。

弹簧能量密封图

当弹簧密封圈安装在密封槽内时，弹簧被压缩，夹套的密封面接近密封槽，形成密封。弹簧为密封套提供弹性，并补偿材料磨损以及配合部件的偏移和偏心。系统压力还有助于密封套储存能量，通过弹簧弹力和系统压力产生恒定且持续的预紧力。实现有效密封。弹簧储能密封圈用于超高真空、核设备、航空航天、石油、低温工程、化工、冶金、动力机械、蒸汽容器等设备的密封。

由于篇幅限制，我们在本文中不会详细讨论。有兴趣的读者可以在下面的资源部分找到更多详细信息。

参考

[1] 张一辰. 第11讲：真空材料[J]. 真空，2002（6）：60-62.

[2]蔡书明.真空密封技术的最新进展[J]真空，1985(4):21-23+61.

[3]蔡书明.真空密封橡胶的选择及应用[J].真空，1981(1)：16-20。

[4]作者不详，新型真空低温密封剂[J].真空与低温，1986（1）：82。

[5]公众号“iVacuum真空焦点”此类真空胶可用于密封、开瓶、粘合，甚至超高真空。 [OL].2020-01-14.https://mp.weixin.qq.com/s/eEXSGTleftkSrhwns-Mdhw

[6]裴宁，梁志华，磁流体密封原理及应用[J]，真空，2001（1）：46-48。

[7]马永胜，郭地周，景永苗，彭小华，超高真空法兰金属密封方法[J]，真空，2016（6）：9-11。