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 horneado . Los requisitos son cada vez más estrictos en función del grado de vacío deseado que se debe alcanzar en la cámara de vacío . Los materiales pueden producir gas mediante varios mecanismos. Las moléculas de gases y agua pueden adsorberse en la superficie del material (por lo tanto, se deben elegir materiales con baja afinidad con el agua, lo que elimina muchos plásticos). Los materiales pueden sublimar en el vacío (esto incluye algunos metales y sus aleaciones, sobre todo el cadmio y el zinc). O los gases pueden liberarse de materiales porosos o de grietas y hendiduras. En las superficies pueden quedar restos de lubricantes y restos de 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 sólo disminuyen 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 (y generalmente se necesitan temperaturas elevadas por encima de la temperatura ambiente); [1] 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 una 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 demasiado caro. Otra preocupación más es la coincidencia del coeficiente de expansión térmica de las piezas adyacentes.
Materiales para evitar
Los materiales se desgasifican mediante tres mecanismos: liberación de gases absorbidos ( desorción de la mayor parte del material), liberación de gases adsorbidos ( desorción solo de la superficie) y evaporación del material mismo. El primero puede reducirse mediante un horneado, el segundo es una propiedad intrínseca del material. [2] 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:
Zinc , problemático para alto vacío y temperaturas más altas, presente en algunas aleaciones de construcción, por ejemplo, latón y algunas aleaciones para soldadura fuerte. Tiende a envenenar los cátodos calientes y a formar depósitos conductores en las superficies. [3] Se deben evitar todos los materiales que hayan sido recubiertos de zinc mediante galvanización o se les debe quitar el recubrimiento primero.
Muchos plásticos , concretamente 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. A veces incluso se desaconseja el Kapton y el Teflón . Consulte a continuación para obtener más información sobre los plásticos. [3]
PVC , generalmente en forma de aislamiento de cables (también una fuente de fugas)
Diversos residuos, por ejemplo fundentes de soldadura y broncesoldadura, y lubricantes de mecanizado, hacen imprescindible una limpieza exhaustiva. Sacar los residuos desgasificables de las grietas estrechas puede ser un desafío; un buen diseño mecánico que evite tales características puede ayudar.
También existen problemas físicos adicionales que surgen con el vacío, incluido el crecimiento de bigotes de materiales como el estaño o el zinc, que pueden causar problemas físicos o cortocircuitos eléctricos [4]
Se puede utilizar acero dulce para vacíos moderados superiores a 1 × 10 −6 torrs (1,3 × 10 −7 kPa). La desgasificación se puede reducir con un revestimiento adecuado (por ejemplo, niquelado) . Tiene alta permeabilidad al hidrógeno y tendencia a oxidarse. Para su uso se debe desgasificar completamente al vacío.
El aluminio y las aleaciones de aluminio son otra clase de materiales de uso frecuente. Son bien mecanizables y tienen una baja desgasificación, a menos que las aleaciones contengan proporciones más altas de zinc . Las piezas no deben anodizarse , ya que la capa de óxido atrapa (y luego desgasifica) el vapor de agua. El anodizado también hace que la superficie no sea conductora, por lo que su superficie se cargará en sistemas electrostáticos . El mejor tratamiento es el 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 poca resistencia a altas temperaturas, se deforman al soldarse y los que contienen cobre son poco soldables. Los anillos de alambre de aluminio se pueden utilizar 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 del aluminio está limitado por las dificultades en su soldadura y soldadura fuerte. Se puede utilizar para ventanas de rayos X. [2]
El bronce de aluminio es un material que se ve y se mecaniza de manera similar al latón . No es susceptible a la irritación , 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 de costo relativamente bajo, se puede soldar por puntos, se puede mecanizar fácilmente, tiene un alto punto de fusión y es resistente a muchos fluidos y atmósferas corrosivos. Su posible inconveniente es su ferromagnetismo , que restringe las aplicaciones que estarían influenciadas por campos magnéticos. [2]
El berilio se utiliza principalmente para ventanas de rayos X.
El cobre libre de oxígeno se utiliza ampliamente. Se mecaniza fácilmente y tiene buena resistencia a la corrosión. No es adecuado para sobres al vacío horneables debido a su tendencia a oxidarse y formar incrustaciones. Los anillos de cobre se utilizan en sellos desmontables. El cobre normal no es adecuado para alto vacío ya que es difícil desgasificarlo 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 resistencia cae bruscamente por encima de los 200 °C (392 °F). Su presión de vapor se vuelve significativa por encima de 500 °C (932 °F). [2]
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 oro se utiliza como junta en sellos desmontables para vacío ultraalto, así como una alternativa a la soldadura de plomo y estaño para realizar conexiones eléctricas.
El platino es un material químicamente inerte, de alto coste y baja desgasificación.
El circonio es resistente a la corrosión. Tiene baja producción de electrones secundarios , por lo que se utiliza como recubrimiento de zonas donde reducir su producción es importante. Se utiliza para ventanas de neutrones . Es costoso y escaso, por lo que sus usos son limitados. Para la obtención se utilizan circonio e hidruro de circonio .
El tungsteno se utiliza a menudo en aplicaciones de alta temperatura, así como para filamentos en óptica de electrones/iones. Se vuelve quebradizo por el endurecimiento por trabajo cuando se deforma mecánicamente o se somete a temperaturas muy altas.
A veces, las soldaduras son inevitables en el caso de uniones soldadas blandas. Las soldaduras de estaño-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 y plata, Sn95Ag5 (el eutéctico Sn-Ag es en realidad 96,5-3,5); su punto de fusión de 230 °C (446 °F) permite hornear hasta 200 °C (392 °F). Una aleación similar 95-5, 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 para 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 infractores comunes. La plata, un componente común de las aleaciones para soldadura fuerte, puede resultar problemática 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 aleaciones de cobre, plata y fósforo, por ejemplo Sil-Fos. [3]
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, tolera temperaturas bastante altas y tiene una baja desgasificación. No es adecuado como barrera entre el vacío y la atmósfera, ya que es algo permeable a los gases. Sin embargo, la cerámica es una opción superior. [3]
PEEK (polieteretercetona) tiene valores de desgasificación relativamente bajos (0,31 % de pérdida de masa total (TML), 0,00 % de material condensable volátil recogido (CVCM), 0,06 % de vapor de agua recuperado (WVR)).
Kapton es un tipo de película de poliimida que tiene una desgasificación muy baja. Se desaconseja Kapton si se puede utilizar una alternativa cerámica. [3]
Algunos elastómeros tienen suficientes propiedades de vacío para usarse en juntas tóricas de vacío:
NBR , ( caucho de nitrilo ), comúnmente utilizado para sellos de vacío desmontables (solo se pueden hornear hasta 100 °C).
FKM (FPM) , ( Viton ) se utiliza para sellos de vacío desmontables. Es mejor para presiones más bajas que el caucho de nitrilo y químicamente mucho más inerte . Se puede hornear hasta 200 °C.
Los FFKM ( FFPM ) tienen una desgasificación muy baja similar al PTFE y soportan temperaturas de horneado de hasta 300 °C, aunque químicamente son uno de los elastómeros de sellado más inertes .
Vasos y cerámica
El vidrio de borosilicato se utiliza a menudo para ensamblajes más pequeños y ventanas gráficas. Se puede mecanizar y unir bien. Los vasos se pueden 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 piezas móviles es un problema para el vacío. Muchos lubricantes tienen tasas de desgasificación inaceptables, [5] otros (por ejemplo, el grafito ) pierden propiedades lubricantes.
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.
Torrlube, marca que engloba una gama de aceites lubricantes a base de perfluoropoliéteres . [6]
Los lubricantes secos pueden incorporarse en plásticos como cargas, como componente de metales sinterizados o depositarse sobre superficies metálicas, cerámicas y plásticas.
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 los precios del disulfuro de molibdeno han aumentado a un rango comparable. [7] Utilizable de −188 a +1316 °C en vacío, de −273 a +650 °C en atmósfera normal. [8]
El ciclotrón de 4 pulgadas de Ernest Lawrence . Un ciclotrón en forma de D que contiene juntas de vacío de vidrio y metal hechas de cera de Faraday.
Adhesivos
Torr-Seal, o su equivalente genérico Hysol-1C (marca estadounidense) o Loctite 9492 (marca europea), 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 epoxis aptos 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 el material con pasta de plata, la pieza debe hornearse (a >200 °C) al aire durante >24 horas para eliminar los volátiles antes de insertarla al vacío.
Faraday Wax es quizás una alternativa más barata a Torr-Seal, pero igual de eficaz. De hecho, algunas de sus propiedades físicas lo hacen más favorable que los epoxis. La cera de Faraday es un sólido maleable de color rojo oscuro con un punto de fusión bajo. Las uniones se pueden hacer con cera de Faraday calentando las dos superficies a unir y luego presionando la cera contra las superficies calentadas de manera similar a soldar. Estas uniones son adecuadas hasta 10 −7 mbar [9] y se pueden realizar entre vidrio y metal. Fue descrito por primera vez por Michael Faraday en "Chemical Manipulation" 1827. [10] Por peso:
Una cera moderna destinada al uso de alto vacío es Apiezon Wax W. [11]
Materiales para uso en el espacio.
Además de las preocupaciones anteriores, los materiales para uso en aplicaciones de naves espaciales tienen que hacer frente a daños por radiación y radiación ultravioleta de alta intensidad , cargas térmicas de la radiación solar, enfriamiento por radiación del vehículo en otras direcciones y 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 provoca 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 provocar una falla total.
Las superficies sensibles a la corrosión se pueden proteger con un revestimiento adecuado , normalmente con oro ; También es posible una capa de sílice . Sin embargo, la capa de recubrimiento está sujeta a la erosión por micrometeoroides .
^ Taylor, Nelson W.; Rast, William (1938). "La difusión de helio y hidrógeno a través de vidrio Pyrex químicamente resistente". La Revista de Física Química . 6 (10): 612–619. Código bibliográfico : 1938JChPh...6..612T. doi : 10.1063/1.1750133 . Consultado el 28 de agosto de 2021 .
^ abcdMeurant , G. (1980). Física y tecnología del vacío. Ciencia Elsevier . pag. 346.ISBN9780080859958. Consultado el 8 de septiembre de 2015 .
^ abcdefgh G. Lee (15 de agosto de 1989). "TM-1615: Materiales para vacío ultraalto". Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi . doi : 10.2172/6985168 . Consultado el 8 de septiembre de 2015 .{{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )
^ "Información básica sobre los bigotes de estaño".
^ Carré, DJ; Bertrand, Pensilvania (1999). "Análisis del lubricante para ruedas de reacción del telescopio espacial Hubble". Revista de naves espaciales y cohetes . 36 (1): 109-113. Código Bib : 1999JSpRo..36..109C. doi : 10.2514/2.3422.
^ "TorrLube.com | El líder inigualable en lubricación por 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 .
^ "Tungstenito aplicado: aeroespacial: lubricante de película seca de disulfuro de tungsteno WS2 y pasivación con ácido cítrico". applytungstenite.com . Consultado el 8 de septiembre de 2015 .
^ Cera de Faraday: sellador de alto vacío histórico de bricolaje , consultado el 22 de junio de 2022
^ Faraday, Michael (1827). Manipulación química: instrucciones para estudiantes de química, sobre los métodos para realizar experimentos de demostración o de investigación, con precisión y éxito. W. Phillips. pag. 479.
^ Apiezon, M&I Materials Limited. «Ceras para sellado al vacío, montaje y grabado» (PDF) . Consultado el 27 de febrero de 2024 .
