진공상태에서 사용할 재료

Materials for use in vacuum
장기 노출 시설은 진공 상태에서 다양한 물질을 테스트하기 위해 사용되었다.

진공에서 사용하는 재료는 진공에서 매우 낮은 과소비를 보이는 재료로, 해당되는 경우 베이크아웃 온도에 내성이 있다. 요구 사항은 진공 챔버에서 달성하고자 하는 진공 정도에 따라 점점 엄격해진다. 그 물질들은 몇 가지 메커니즘으로 가스를 생산할 수 있다. 기체와 물의 분자는 물질 표면에 흡착될 수 있다(따라서 물에 대한 친화력이 낮은 물질을 선택해야 하므로 플라스틱이 많이 제거된다). 재료는 진공 상태에서 승화될 수 있다(이는 일부 금속과 합금, 특히 카드뮴과 아연을 포함한다). 또는 기체는 다공성 물질이나 균열과 틈새에서 방출될 수 있다. 표면에는 가공으로 인한 잔류물인 윤활제의 흔적이 있을 수 있다. 특정 위험은 세척 후 플라스틱에 흡수된 용제의 과다섭취다.

물질로부터 배출된 가스는 진공 품질을 낮출 뿐만 아니라 다른 표면에서도 재흡수가 가능해 침전물이 생성되고 챔버를 오염시킬 수 있다.

그러나 또 다른 문제는 물질 자체를 통한 기체의 확산이다. 대기 헬륨은 비록 천천히(그리고 일반적으로 상온 이상의 상승온도가 필요함)하더라도 파이렉스 유리를 통해서도 확산될 수 있다.[1] 그러나 이것은 보통 문제가 되지 않는다. 일부 재료는 또한 크기가 커지거나 증가하여 섬세한 장비에 문제를 일으킬 수 있다.

기체 관련 문제 외에도 재료는 전체 필요 온도 범위(때로는 극저온에 도달함)를 통해 적절한 강도를 유지해야 하며, 그 특성(탄성, 가소성, 전기 및 열전도율 또는 그것의 부족 등), 가공 가능해야 하며, 가능하면 지나치게 비싸지 않아야 한다. 그러나 또 다른 관심사는 인접 부품의 열팽창 계수 일치다.

피해야 할 재료

물질은 세 가지 메커니즘에 의해 가스를 초과한다: 흡수된 기체의 방출(물질의 다량에서 방출), 흡착된 기체의 방출(표면에서만 방출), 물질 자체의 증발. 전자는 베이크아웃으로 줄일 수 있고, 후자는 물질의 본질적인 특성이다.[2] 일부 초과된 물질은 다른 표면에 침전되어 진공 시스템을 오염시킬 수 있으며 제거하기도 어렵다.

진공 시스템에서 가장 일반적인 문제 발생원(아웃 게스팅)은 다음과 같다.

  • 카드뮴, 종종 카드뮴 도금의 형태 또는 일부 납땜 및 브레이징 합금 형태로 나타난다.
  • 아연은 고진공 및 고온에 문제가 있으며, 놋쇠 및 일부 브레이징 합금 등과 같은 일부 건설 합금에 존재한다. 뜨거운 음극에 독을 타서 표면에 전도성 침전물을 형성하는 경향이 있다.[3] 아연 도금을 통해 아연을 코팅한 모든 재료는 피해야 하며, 그렇지 않으면 먼저 도장을 제거해야 한다.
  • 마그네슘
  • PVC(일반적으로 와이어 절연(가상 누출의 원인)
  • 페인트
  • 일부 소프트 솔더에 사용된 납 및 안티몬과 고온에서[3] 초과 사용
  • 많은 플라스틱, 즉 많은 플라스틱 테이프(접착제에는 특히 주의를 기울여야 한다. 예를 들어, 마이카르타(G-10)와 G-30과 같은 섬유 유리 합성물은 피해야 한다. 심지어 카프톤과 테플론 조차도 때때로 반대 조언을 받는다.[3]
  • 다양한 잔류물(예: 납땜 및 브레이징의 플럭스, 가공의 윤활유 등) 및 철저한 세척이 필수적이다. 타이트한 틈새로부터 과다한 잔류물을 얻는 것은 어려울 수 있다; 그러한 특징들을 피하는 좋은 기계 설계가 도움이 될 수 있다.

진공 사용 재료

금속

  • 오스테나이트 스테인리스강은 고진공 및 초고진공 시스템을 위한 가장 일반적인 선택이다. 모든 합금이 적합한 것은 아니다. 예를 들어, 프리머싱 303 강철은 유황을 함유하고 있는데, 유황은 아웃가스를 발생시키는 경향이 있다. 아르곤 아크 용접에 따른 용접성이 우수한 합금을 주로 선택한다.
  • 연강은 1×10−6 torr(1.3×10−7 kPa) 이상의 중간 진공에 사용할 수 있다. 아웃가싱은 적절한(예: 니켈) 도금으로 낮출 수 있다. 수소에 침투성이 높고 녹슬기 쉽다. 사용을 위해서는 진공 상태에서 완전히 탈가스를 제거해야 한다.
  • 알루미늄과 알루미늄 합금은 자주 사용되는 또 다른 종류의 재료다. 합금이 더 높은 비율의 아연을 포함하지 않는 한, 그것들은 잘 기계화되어 있고 낮은 초과 가스를 가지고 있다. 부품은 산화층이 수증기를 가두어(그리고 나서 밖으로 배출)하므로 양극화해서는 안 된다. 양극화는 또한 표면을 비전도성으로 만들어, 그것의 표면이 정전기 시스템으로 충전될 것이다. 가장 좋은 치료법은 표면을 봉하는 알로크로밍으로 단단하고 전도성이 있다. 처리되지 않은 알루미늄에 비해 과당률은 상당히 낮다. 알루미늄과 그 합금은 고온에서 강도가 낮고 용접할 때 왜곡되며 구리가 함유된 합금은 용접이 잘 안 된다. 알루미늄 와이어 링은 탈부착 가능한 씰의 값싼 개스킷으로 사용할 수 있다. 알루미늄은 열전도율이 높고 부식 저항성이 우수하며 수소의 용해도가 낮다. 고온에서 강도의 손실은 굽기 쉬운 용도에 사용을 제한하지만 알루미늄은 스테인리스강보다 무게와 비용이 낮아 대형 시스템에 유리하다. 알루미늄의 사용은 용접 및 브레이징의 어려움으로 제한된다. X선 창문에 사용할 수 있다.[2]
  • 알루미늄 청동은 놋쇠와 비슷한 모양과 기계로 만든 재질이다. 갈링에 약하지 않아 스테인리스강과의 슬라이딩 핏에 적합하다.
  • 니켈은 진공 기술에서 널리 사용되고 있다. 예를 들어 진공관의 기계 부품으로 사용된다. 비교적 비용이 저렴하고 스폿 용접이 가능하며 쉽게 가공할 수 있으며 용해점이 높고 부식성 유체와 대기에 내성이 있다. 그것의 잠재적인 단점은 자기장에 의해 영향을 받을 수 있는 응용을 제한하는 강자성이다.[2]
  • 니켈 합금(예: 큐프로니켈[3])
  • 베릴륨은 주로 x-ray 창문에 사용된다.
  • 무산소 구리가 널리 쓰인다. 가공이 용이하고 내식성이 좋다. 산화·비늘 생성 경향으로 인해 굽기 쉬운 진공봉투로는 부적합하다. 구리 고리는 탈부착 가능한 씰에 사용된다. 일반 구리는 완전히 배출하기 어렵기 때문에 고진공에는 적합하지 않다. 구리는 수소에 둔감하고 수소와 헬륨에 불침투성이며 수증기에 대한 민감도가 낮지만 수은에 의해 공격받는다. 그것의 강도는 200 °C(392 °F) 이상으로 급격히 떨어진다. 그것의 증기 압력은 500 °C(932 °F) 이상에서 유의해진다.[2]
  • 황동은 일부 용도에 적합하다. 내식성이 좋다. 그것의 아연 함량은 문제를 일으킬 수 있다; 아연은 니켈 도금을 통해 감소될 수 있다.
  • 인듐 와이어는 탈산식 씰의 개스킷으로 사용된다.
  • 금선은 전기 연결을 위한 납-틴 땜납의 대체품일 뿐만 아니라 초고진공용 탈산식 씰의 개스킷으로 사용된다.
  • 플래티넘은 화학적으로 매우 불활성 물질로, 비용이 많이 들고 비용이 적게 든다.
  • 지르코늄은 내식성이 있다. 2차 전자의 생산량이 적어 생산량 감소가 중요한 부위의 코팅제로 사용된다. 중성자 창문에 사용된다. 그것은 비용이 많이 들고 드물기 때문에 그것의 사용은 제한적이다. 지르코늄과 지르코늄 하이드라이드는 물거품용으로 사용된다.
  • 텅스텐은 전자/이온 광학에서 필라멘트뿐만 아니라 고온 용도에 자주 사용된다. 기계적으로 변형되거나 매우 높은 온도에 노출되었을 때 작업 경화로 인해 부서지기 쉽다.
  • 몰리브덴과 탄탈룸은 고온의 용도에 유용하다.[3]
  • 티타늄과 니오비움은 좋은 재료다.
  • 부드러운 솔더링 이음매의 경우 때때로 솔더스가 피할 수 없는 경우가 있다. 주석 납땜납자(Sn50Pb50, Sn60Pb40, Sn63Pb37)는 기기를 굽지 않고 작동 온도가 상승하지 않을 때 조건부로 사용할 수 있다(납이 아웃가스를 발생시키는 경향이 있음). 진공 시스템을 위한 더 나은 선택은 주석-실버-감지학인 Sn95Ag5(Sn-Ag eutectic은 실제로 96.5-3.5)이다. 230°C(446°F)의 용해점은 최대 200°C(392°F)의 베이크아웃을 허용한다. 안티몬이 납과 유사한 증기압을 가지므로 유사한 95-5 합금인 Sn95Sb5는 적합하지 않다. 플럭스 잔류물을 제거하도록 주의하십시오.
  • 브레이징 합금은 브레이징을 통해 재료를 접합하는 데 사용된다. 일부 원소들은 초과 가스를 발생시키는 경향이 있기 때문에 합금을 선택하는 동안 주의를 기울여야 한다. 카드뮴과 아연은 최악의 일반 범죄자들이다. 브레이징 합금의 공통 성분인 실버는 고온과 저압에서 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 은색 코퍼 에우텍틱. 쿠실, 추천한다. 우월한 대안은 쿠실틴이라는 구리-실버-주금 합금이다. 구리-실버-인산 합금(예: 실-포스)도 적합하다.[3]

플라스틱

  • 폴리비닐리덴 플루오르화물과 같은 일부 플루오르폴리머는 진공에서 사용하기에 적합하다. 그들은 낮은 과소비를 가지고 있고 높은 온도에 내성이 있다.
    • PTFE 또는 테플론(Polyetrafluoroeethylene, PTFE 또는 Teflon)은 진공 시스템 내부에서 흔히 사용된다. 그것은 자가당착형이며, 좋은 전기 절연체이며, 꽤 높은 온도에 내성이 있으며, 낮은 외출을 가지고 있다. 가스에 다소 스며들 수 있어 진공과 대기 사이의 장벽에는 적합하지 않다. 그러나 도자기는 우월한 선택이다.[3]
  • 폴리에틸렌은 사용 가능하지만 철저한 아웃가싱이 필요하다. 날진은 벨 항아리의 값싼 대안으로 사용될 수 있다.
  • 베스펠 폴리이미드는 매우 비싸지만 기계가 잘 되고 전기 절연체 특성이 우수하며 초고진공과 호환된다.
  • PVC는 높은 과당률에도 불구하고 거친 진공 라인의 제한된 용도에 사용될 수 있다.
  • 나일론은 자가당착이 가능하지만 과당비율이 높고 물에 대한 친화력이 높다.
  • 아크릴은 과당률이 높고 물과 친화력이 높다.
  • 폴리카보네이트와 폴리스티렌은 적당한 외출을 가진 좋은 전기 절연체다.
  • PEEK(PolyEderEderKetone)는 아웃가싱 값이 상대적으로 낮다(0.31% TML, 0.00% CVCM, 0.06% WVR).
  • 카프톤은 폴리이미드 필름의 일종으로, 아웃가스가 매우 낮다. 카프톤은 세라믹 대안이 사용될 수 있다면 낙담한다.[3]
  • 일부 엘라스토머는 진공 오링에 사용할 수 있는 충분한 진공 특성을 가지고 있다.
    • NBR, (Nitrile 고무), 일반적으로 분산이 가능한 진공 씰(최대 100 °C까지만 베이킹 가능)에 사용된다.
    • FKMs(FPMs), (Viton)은 분산이 가능한 진공 씰에 사용된다. 그것은 니트릴 고무보다 낮은 압력에 더 좋고 화학적으로 훨씬 더 불활성적이다. 그것은 200 °C까지 구울 수 있다.
    • FFKMs(FFPMs)은 테플론과 유사한 매우 낮은 아웃가싱으로 최대 300 °C의 베이킹 온도에 견디는 반면 화학적으로는 가장 불활성 밀봉 엘라스토머 중 하나이다.

안경과 도자기

  • 붕소실산염 유리는 종종 작은 조립품과 뷰포트에 사용된다. 기계 가공이 잘 되고 잘 접합될 수 있다. 안경은 금속과 결합할 수 있다.
  • 자기와 알루미나 세라믹은 완전히 유리화 되어 비구체화되었을 때 최대 1500 °C까지 사용할 수 있는 뛰어난 절연체다. 어떤 도자기들은 가공할 수 있다. 도자기는 금속과 결합할 수 있다.
  • 마코르는 알루미나의 발사 과정이 치수와 허용오차를 바꿀 수 있어 알루미나에 대한 탁월한 대안으로 가공 가능한 세라믹이다.

윤활제

움직이는 부품의 윤활은 진공에 문제가 된다. 많은 윤활유는 허용할 수 없는 초과가스 속도를 가지고 있으며,[4] 다른 윤활유(예: 흑연)는 윤활유 특성을 상실한다.

  • 진공 그리스는 낮은 아웃가스를 가진 그리스를 말한다.
  • 건조한 윤활유는 소결 금속의 구성 요소로서 플라스틱에 첨가되거나 금속, 세라믹 및 플라스틱 표면에 침전될 수 있다.
    • 이황화 몰리브덴은 진공 상태에서 사용할 수 있는 건조한 윤활유다.
    • 이황화 텅스텐은 진공에서 사용할 수 있는 또 다른 건조 윤활유다. MoS보다2 높은 온도에서 사용할 수 있다. 이황화 텅스텐은 예전에는 훨씬 더 비쌌지만, 이황화 몰리브덴의 가격 상승은 그들을 비슷한 범위로 만들었다.[6] 진공 상태에서 -188 ~ +1316 °C, 정상 대기에서 -273 ~ +650 °C까지 사용 가능.[7]
    • 질화 육각형 붕소는 흑연과 같은 건조 윤활유로 우주선에 사용된다.

접착제

  • 토르 실(Torr-Seal) 또는 그 일반적인 등가 Hysol-1C(미국 브랜드명) 또는 Loctite 9492(EU 브랜드명)는 진공 환경에서 사용할 수 있는 수지 및 경화제를 함유한 에폭시이다. 그것은 높은 온도에서 분해되기 시작할 것이지만 그렇지 않으면 매우 안정적이고 거의 소모되지 않는다. 다른 진공 등급의 에폭시들도 이용할 수 있다. 응력을 받지 않을 것으로 예상되는 얇은 금속 포일, 그리드 또는 기타 작은 조각을 장착하거나 접합하기 위해 은 또는 금붙이를 접착제로 사용할 수 있다. 은색 페이스트로 재료를 고정시킨 후, 진공에 삽입하기 전에 휘발성 물질을 제거하기 위해 > 24시간 동안 공기에 구워야 한다.

공간 사용 재료

위의 우려 외에도, 우주선 응용에 사용하기 위한 재료는 방사선 손상과 고강도 자외선 복사, 태양 복사열로 인한 열 부하, 다른 방향에서 차량의 방사선 냉각, 우주선 시스템 내에서 발생하는 열 등에 대처해야 한다. 지구에 더 가까운 궤도에 대한 또 다른 우려는 노출된 표면의 부식으로 이어지는 원자 산소의 존재다. 알루미늄은 특히 민감한 물질이다[citation needed]. 표면이 퇴적된 상호 연결에 종종 사용되는 은은 산화은 층을 형성하는데, 이 층은 떨어져 나가며, 완전히 붕괴될 때까지 침식될 수 있다.

부식에 민감한 표면은 적절한 도금으로 보호될 수 있으며, 대부분 금으로 보호된다. 실리카 층도 가능하다. 그러나 코팅층은 마이크로미터로이드에 의해 침식될 수 있다.

참고 항목

참조

  1. ^ Taylor, Nelson W.; Rast, William (1938). "The Diffusion of Helium and of Hydrogen Through Pyrex Chemically Resistant Glass". The Journal of Chemical Physics. 6 (10): 612–619. doi:10.1063/1.1750133. Retrieved 2021-08-28.
  2. ^ a b c d Meurant, G. (1980). Vacuum Physics and Technology. Elsevier Science. p. 346. ISBN 9780080859958. Retrieved 2015-09-08.
  3. ^ a b c d e f g h G. Lee (August 15, 1989). "TM-1615: Materials for Ultra-High Vacuum". Fermi National Accelerator Laboratory. Retrieved 2015-09-08.
  4. ^ Carré, D. J.; Bertrand, P. A. (1999). "Analysis of Hubble Space Telescope Reaction Wheel Lubricant". Journal of Spacecraft and Rockets. 36 (1): 109–113. Bibcode:1999JSpRo..36..109C. doi:10.2514/2.3422.
  5. ^ "TorrLube.com The Unrivaled Leader in High Vacuum Lubrication". torrlube.com. Retrieved 2015-09-08.
  6. ^ Ketan (2 December 2008). "Comparison between Molybdenum Disulfide & Tungsten Disulfide" (PDF). Retrieved 2015-09-08.
  7. ^ "Applied Tungstenite: Aerospace: Tungsten Disulfide WS2 dry film Lubricant and Citric Acid Passivation". appliedtungstenite.com. Retrieved 2015-09-08.