Los materiales que se utilizan en vacío son aquellos que muestran tasas muy bajas de desgasificación en vacío y, cuando corresponde, son tolerantes a las temperaturas de horneado . Los requisitos se vuelven cada vez más estrictos a medida que se desea alcanzar el grado de vacío 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 vacío (esto incluye algunos metales y sus aleaciones, en particular el cadmio y el zinc). O los gases pueden liberarse de materiales porosos o de grietas y hendiduras. Puede haber rastros de lubricantes, residuos del mecanizado, en las superficies. Un riesgo específico es la desgasificación de disolventes absorbidos en plásticos después de la limpieza.
Los gases liberados de los materiales no sólo reducen la calidad del vacío, sino que también pueden reabsorberse en otras superficies, creando depósitos y contaminando la cámara.
Otro problema es la difusión de los 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, lo que causa problemas en equipos delicados.
Además de las cuestiones relacionadas con los gases, los materiales tienen que mantener una resistencia adecuada a lo largo de todo el rango de temperaturas requerido (alcanzando a veces temperaturas criogénicas ), mantener sus propiedades (elasticidad, plasticidad, conductividad eléctrica y térmica o falta de ella, etc.), ser mecanizables y, a ser posible, no ser excesivamente caros. Otra preocupación es la coincidencia del coeficiente de expansión térmica de las piezas adyacentes.
Materiales a evitar
Los materiales se desgasifican mediante tres mecanismos: liberación de gases absorbidos ( desorción de la masa del material), liberación de gases adsorbidos ( desorción solo de la superficie) y evaporación del propio material. El primero se puede reducir 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 el alto vacío y las temperaturas más altas, presente en algunas aleaciones de construcción, por ejemplo, latón y algunas aleaciones de soldadura fuerte. Tiende a envenenar los cátodos calientes y a formar depósitos conductores en las superficies. [3] Se debe evitar cualquier material que haya sido recubierto de zinc mediante galvanización , o eliminar primero el recubrimiento.
El plomo y el antimonio se utilizan en algunas soldaduras blandas debido a la desgasificación a temperaturas más altas. [3]
Muchos plásticos , en particular muchas cintas de plástico (se debe prestar especial atención a los adhesivos). Se deben evitar los compuestos de fibra de vidrio, por ejemplo, Micarta (G-10) y G-30. Incluso se desaconsejan a veces el Kapton y el Teflón . Véase más abajo 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, fundente de soldadura y soldadura fuerte, y lubricantes de mecanizado, hacen imprescindible una limpieza exhaustiva. Quitar los residuos desgasificables de grietas estrechas puede ser un desafío; un buen diseño mecánico que evite tales características puede ayudar.
También hay problemas físicos adicionales que vienen con el vacío, incluido el crecimiento de filamentos de materiales como estaño o zinc, que pueden causar problemas físicos o cortocircuitos eléctricos [4].
El acero dulce se puede utilizar para vacíos moderados superiores a 1 × 10 −6 torrs (1,3 × 10 −7 kPa). La desgasificación se puede reducir con un recubrimiento adecuado (por ejemplo, niquelado) . Tiene una 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 fáciles de mecanizar y tienen una baja desgasificación, a menos que las aleaciones contengan mayores proporciones 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 alocromado , que sella la superficie, la hace dura y conductora. Su tasa de desgasificación es considerablemente menor que la del aluminio sin tratamiento. El aluminio y sus aleaciones tienen baja resistencia a altas temperaturas, se distorsionan al soldarse y los que contienen cobre son poco soldables. Los anillos de alambre de aluminio se pueden utilizar como juntas baratas 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 para soldarlo y soldarlo. Puede emplearse 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 al desgaste por fricción , 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 . Tiene un coste relativamente bajo, se puede soldar por puntos, se puede mecanizar fácilmente, tiene un punto de fusión alto y es resistente a muchos fluidos y atmósferas corrosivos. Su posible desventaja es su ferromagnetismo , que restringe las aplicaciones que se verían influenciadas por campos magnéticos. [2]
El berilio se utiliza principalmente para ventanas de rayos X.
El cobre sin oxígeno se utiliza ampliamente. Se mecaniza fácilmente y tiene buena resistencia a la corrosión. No es adecuado para sobres de vacío horneables debido a su tendencia a oxidarse y crear incrustaciones. Los anillos de cobre se utilizan en sellos desmontables. El cobre normal no es adecuado para el alto vacío, ya que es difícil desgasificar 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 los 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 el niquelado.
El alambre de oro se utiliza como junta en sellos desmontables para ultra alto vacío, así como también como alternativa a la soldadura de plomo y estaño para realizar conexiones eléctricas.
El platino es un material químicamente altamente inerte, de elevado coste y baja emisión de gases.
El zirconio es resistente a la corrosión. Tiene una baja producción de electrones secundarios , por lo que se utiliza como recubrimiento de zonas donde es importante reducir su producción. Se utiliza para ventanas de neutrones . Es costoso y escaso, por lo que sus usos son limitados. El zirconio y el hidruro de zirconio se utilizan para el desoxidante .
El tungsteno se utiliza a menudo en aplicaciones de alta temperatura, así como para filamentos en óptica electrónica/iónica. Se vuelve quebradizo por endurecimiento mecánico cuando se deforma mecánicamente o se lo somete a temperaturas muy altas.
En ocasiones, es inevitable utilizar soldaduras para las uniones con soldadura blanda. Las soldaduras de estaño-plomo (Sn50Pb50, Sn60Pb40, Sn63Pb37) se pueden utilizar de forma condicional 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-plata, Sn95Ag5 (el eutéctico de Sn-Ag es en realidad 96,5-3,5); su punto de fusión de 230 °C (446 °F) permite el horneado 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 . Hay que tener cuidado al elegir las aleaciones, ya que algunos elementos tienden a desgasificarse. El cadmio y el zinc son los infractores más habituales. 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. Las aleaciones de cobre, plata y fósforo, por ejemplo, Sil-Fos, también son adecuadas. [3]
El politetrafluoroetileno ( PTFE o teflón) se utiliza habitualmente en el interior de los sistemas de vacío. Es autolubricante, un buen aislante eléctrico, tolera temperaturas bastante altas y tiene una baja emisión de gases. No es adecuado para la barrera entre el vacío y la atmósfera, ya que es algo permeable a los gases. Sin embargo, la cerámica es una opción superior. [3]
El 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)).
El kapton es un tipo de película de poliimida que produce muy pocos gases. No se recomienda su uso si se puede utilizar una alternativa cerámica. [3]
Algunos elastómeros tienen suficientes propiedades de vacío para ser empleados en juntas tóricas de vacío:
NBR ( caucho de nitrilo ), comúnmente utilizado para sellos de vacío desmontables (horneables solo hasta 100 °C).
Los FKM (FPM) ( Viton ) se utilizan para juntas de vacío desmontables. Son mejores para presiones más bajas que el caucho de nitrilo y químicamente mucho más inertes . Se pueden hornear a 200 °C.
Los FFKM ( FFPM ) tienen una emisión de gases muy baja, similar al PTFE, y soportan temperaturas de horneado de hasta 300 °C, siendo a la vez químicamente uno de los elastómeros de sellado más inertes .
Vasos y cerámicas
El vidrio de borosilicato se utiliza a menudo para ensamblajes más pequeños y para ventanas. Se puede mecanizar y unir bien. Los vidrios se pueden unir con metales .
Las cerámicas de porcelana y alúmina , cuando están completamente vitrificadas y, por lo tanto, no son porosas, son excelentes aislantes que se pueden utilizar hasta a 1500 °C. Algunas cerámicas se pueden mecanizar. Las cerámicas 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 las tolerancias.
Lubricantes
La lubricación de las piezas móviles es un problema para el vacío. Muchos lubricantes tienen índices de desgasificación inaceptables, [5] otros (por ejemplo, el grafito ) pierden propiedades lubricantes.
La grasa Ramsay es una antigua composición de parafina, vaselina y caucho natural, utilizable hasta unos 25 °C, para vacíos bajos de aproximadamente 1 Pa.
Krytox es una grasa de vacío a base de fluoréter, útil desde -75 hasta más de 350 °C, no inflamable incluso en oxígeno líquido y altamente resistente a la radiación ionizante .
Torrlube, una marca que engloba una gama de aceites lubricantes basados en perfluoropoliéteres . [6]
Los lubricantes secos , pueden incorporarse a plásticos como cargas, como componentes de metales sinterizados o depositarse sobre superficies metálicas, cerámicas y plásticas.
El disulfuro de tungsteno es otro lubricante seco que se puede utilizar en vacío. Se puede utilizar a temperaturas más altas que el MoS 2 . El disulfuro de tungsteno solía ser significativamente más caro, pero los precios del disulfuro de molibdeno han aumentado hasta un rango comparable. [7] Se puede utilizar desde −188 a +1316 °C en vacío, desde −273 a +650 °C en atmósfera normal. [8]
Torr-Seal, o su equivalente genérico Hysol-1C (nombre comercial de EE. UU.) o Loctite 9492 (nombre comercial de la UE), es un epoxi con resina y endurecedor para usar en entornos de vacío. Comenzará a degradarse a altas temperaturas, pero por lo demás es muy estable y produce muy poca desgasificación. También hay 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 o los materiales con pasta de plata, la pieza debe hornearse (a >200 °C) al aire durante >24 horas para eliminar los componentes volátiles antes de insertarla en el vacío.
La cera Faraday es quizás una alternativa más barata al Torr-Seal, pero igual de efectiva. De hecho, algunas de sus propiedades físicas la hacen más favorable que los epoxis. La cera Faraday es un sólido rojo oscuro maleable con un punto de fusión bajo. Se pueden hacer uniones con cera Faraday calentando las dos superficies que se van a unir y luego presionando la cera contra las superficies calentadas de manera similar a la soldadura. Estas uniones son adecuadas hasta 10 −7 mbar [9] y se pueden hacer entre vidrio y metal. Fue descrita por primera vez por Michael Faraday en "Chemical Manipulation" 1827. [10] Por peso:
Una cera moderna diseñada para uso en alto vacío es Apiezon Wax W. [11]
Materiales para uso en el espacio
Además de las preocupaciones mencionadas anteriormente, los materiales para su uso en aplicaciones 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 órbitas más cercanas a la Tierra, es la presencia de oxígeno atómico , que conduce a la corrosión de las superficies expuestas; el aluminio es un material especialmente sensible [ cita requerida ] . La plata, que a menudo se utiliza para interconexiones depositadas en la superficie, forma una capa de óxido de plata que se desprende y puede erosionarse hasta provocar una falla total.
^ Taylor, Nelson W.; Rast, William (1938). "La difusión de helio y de hidrógeno a través del vidrio Pyrex resistente a productos químicos". The Journal of Chemical Physics . 6 (10): 612–619. Bibcode :1938JChPh...6..612T. doi :10.1063/1.1750133 . Consultado el 28 de agosto de 2021 .
^ abcd Meurant, G. (1980). Física y tecnología del vacío. Elsevier Science . p. 346. ISBN9780080859958. Recuperado el 8 de septiembre de 2015 .
^ abcdefgh G. Lee (15 de agosto de 1989). TM-1615: Materiales para ultra alto vacío (informe). Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi . doi : 10.2172/6985168 . Consultado el 8 de septiembre de 2015 .
^ "Información básica sobre los bigotes de hojalata".
^ Carré, DJ; Bertrand, PA (1999). "Análisis del lubricante de la rueda de reacción del telescopio espacial Hubble". Revista de naves espaciales y cohetes . 36 (1): 109–113. Código Bibliográfico :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 .
^ "Applied Tungstenite: Aerospace: Tungsten Disulfide WS2 dry film Lubricant and Citric Acid Passivation" (Lubricante de película seca de disulfuro de tungsteno WS2 y pasivación con ácido cítrico). appliedtungstenite.com . Consultado el 8 de septiembre de 2015 .
^ Cera Faraday - Sellador de alto vacío histórico casero, 29 de mayo de 2021 , 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. pág. 479.
^ Apiezon, M&I Materials Limited. "Ceras para sellado, montaje y grabado al vacío" (PDF) . Consultado el 27 de febrero de 2024 .
