Matériaux pour utilisation sous vide - Materials for use in vacuum

L' installation d'exposition de longue durée a été utilisée pour tester divers matériaux sous vide.

Les matériaux à utiliser sous vide sont des matériaux qui présentent de très faibles taux de dégazage sous vide et, le cas échéant, sont tolérants aux températures d' étuvage . Les exigences deviennent de plus en plus strictes avec le degré de vide souhaité à atteindre dans la chambre à vide . Les matériaux peuvent produire du gaz par plusieurs mécanismes. Des molécules de gaz et d'eau peuvent être adsorbées à la surface du matériau (il faut donc choisir des matériaux ayant une faible affinité pour l'eau, ce qui élimine de nombreux plastiques). Les matériaux peuvent se sublimer sous vide (ceci inclut certains métaux et leurs alliages, notamment le cadmium et le zinc). Ou les gaz peuvent être libérés par des matériaux poreux ou par des fissures et des crevasses. Des traces de lubrifiants, résidus d'usinage, peuvent être présents sur les surfaces. Un risque spécifique est le dégazage des solvants absorbés dans les plastiques après nettoyage.

Les gaz libérés par les matériaux abaissent non seulement la qualité du vide, mais peuvent également être réabsorbés sur d'autres surfaces, créant des dépôts et contaminant la chambre.

Un autre problème encore est la diffusion des gaz à travers les matériaux eux-mêmes. L' hélium atmosphérique peut diffuser même à travers le verre Pyrex , même lentement (et des températures élevées au-dessus de la température ambiante sont généralement nécessaires); ce n'est cependant généralement pas un problème. Certains matériaux peuvent également se dilater ou augmenter en taille, provoquant des problèmes dans les équipements délicats.

En plus des problèmes liés aux gaz, les matériaux doivent conserver une résistance adéquate sur toute la plage de température requise (atteignant parfois des températures cryogéniques ), conserver leurs propriétés (élasticité, plasticité, conductivité électrique et thermique ou absence de celle-ci, etc.), être usinable et, si possible, ne pas être trop coûteux. Encore une autre préoccupation est la correspondance du coefficient de dilatation thermique des pièces adjacentes.

Matériaux à éviter

Matériaux de dégazage par trois mécanismes: la libération de absorbées gaz (de sorption à partir de la masse du matériau), la libération de adsorbées gaz ( désorption à partir de la surface seulement), et l' évaporation du matériau lui - même. Le premier peut être réduit par un étuvage, le second est une propriété intrinsèque du matériau. Certains matériaux dégazés peuvent se déposer sur d'autres surfaces, contaminer le système de vide et être difficiles à éliminer.

Les sources de problèmes les plus courantes (dégazage) dans les systèmes à vide sont :

  • Cadmium , souvent présent sous forme de cadmium , ou dans certains alliages de soudure et de brasage
  • Le zinc , problématique pour le vide poussé et les températures plus élevées, présent dans certains alliages de construction, par exemple le laiton et certains alliages de brasage. A tendance à empoisonner les cathodes chaudes et à former des dépôts conducteurs sur les surfaces. Tous les matériaux qui ont été zingués par galvanisation doivent être évités, ou ils doivent d'abord retirer le revêtement.
  • Magnésium
  • PVC , généralement sous forme d' isolant de fil (également une source de fuites virtuelles)
  • Des peintures
  • Le plomb et l' antimoine utilisés dans certaines soudures tendres et le dégazage à des températures plus élevées
  • De nombreux plastiques , à savoir de nombreux rubans plastiques (une attention particulière doit être portée aux adhésifs). Les composites en fibre de verre, par exemple Micarta (G-10) et G-30, doivent être évités. Même Kapton et Teflon sont parfois déconseillés.
  • Résidus divers, par exemple flux de soudure et de brasage, et lubrifiants d'usinage rendant un nettoyage minutieux impératif. Obtenir les résidus dégazables des crevasses serrées peut être difficile; une bonne conception mécanique qui évite de telles caractéristiques peut aider.

Matériaux pour l'utilisation sous vide

Métaux

  • Les aciers inoxydables austénitiques sont le choix le plus courant pour les systèmes à vide poussé et ultra-vide . Tous les alliages ne conviennent pas ; par exemple, l'acier de décolletage 303 contient du soufre , qui a tendance à dégazer. Des alliages avec une bonne soudabilité sous soudage à l'arc sous argon sont généralement choisis.
  • L'acier doux peut être utilisé pour des vides modérés supérieurs à 1 × 10 −6 torrs (1,3 × 10 −7  kPa). Le dégazage peut être réduit avec un placage approprié (par ex. nickel) . Il a une perméabilité élevée à l'hydrogène et une tendance à la rouille. Pour l'utilisation, il doit être soigneusement dégazé sous vide.
  • L'aluminium et les alliages d'aluminium sont une autre classe de matériaux fréquemment utilisés. Ils sont bien usinables et ont un faible dégazage, à moins que les alliages ne contiennent des proportions plus élevées de zinc . Les pièces ne doivent pas être anodisées , car la couche d'oxyde piège (puis dégage) la vapeur d'eau. L'anodisation rend également la surface non conductrice, de sorte que sa surface se chargera dans les systèmes électrostatiques . Le meilleur traitement est l'Alochroming, qui scelle la surface, la rend dure et conductrice. Son taux de dégazage est considérablement inférieur à celui de l'aluminium non traité. L'aluminium et ses alliages ont une faible résistance à haute température, se déforment lors du soudage et ceux qui contiennent du cuivre sont mal soudables. Les bagues en fil d'aluminium peuvent être utilisées comme joints bon marché dans les joints démontables. L'aluminium a une conductivité thermique élevée, une bonne résistance à la corrosion et une faible solubilité de l'hydrogène. La perte de résistance à haute température limite son utilisation dans les applications cuites au four, mais l'aluminium est avantageux pour les systèmes de grande taille en raison de son poids inférieur et de son coût inférieur à celui de l'acier inoxydable. L'utilisation de l'aluminium est limitée par les difficultés de sa soudure et de son brasage. Il peut être utilisé pour les fenêtres à rayons X.
  • Le bronze d'aluminium est un matériau qui ressemble et s'usine comme le laiton . Il n'est pas sensible au grippage , ce qui le rend approprié pour les ajustements coulissants contre l'acier inoxydable.
  • Le nickel est largement utilisé dans la technologie du vide, par exemple comme pièces mécaniques dans les tubes à vide . Il est relativement peu coûteux, peut être soudé par points, peut être facilement usiné, a un point de fusion élevé et est résistant à de nombreux fluides et atmosphères corrosifs. Son inconvénient potentiel est son ferromagnétisme , qui restreint les applications qui seraient influencées par les champs magnétiques.
  • Alliages de nickel, p.ex. cupronickel
  • Le béryllium est principalement utilisé pour les fenêtres à rayons X.
  • Le cuivre sans oxygène est largement utilisé. Il est facile à usiner et a une bonne résistance à la corrosion. Il ne convient pas aux enveloppes sous vide pouvant être cuites au four en raison de sa tendance à s'oxyder et à créer des écailles. Les bagues en cuivre sont utilisées dans les joints démontables. Le cuivre normal ne convient pas au vide poussé car il est difficile de dégazer complètement. Le cuivre est insensible à l'hydrogène et imperméable à l'hydrogène et à l'hélium, a une faible sensibilité à la vapeur d'eau, mais est attaqué par le mercure. Sa résistance chute fortement au-dessus de 200 °C (392 °F). Sa pression de vapeur devient significative au-dessus de 500 °C (932 °F).
  • Le laiton convient à certaines applications. Il a une bonne résistance à la corrosion. Sa teneur en zinc peut poser problème ; le dégazage du zinc peut être réduit par nickelage.
  • Le fil d' indium est utilisé comme joint dans les joints démontables.
  • Le fil d' or est utilisé comme joint dans les joints démontables pour ultra-vide, ainsi qu'une alternative à la soudure plomb-étain pour réaliser les connexions électriques.
  • Le platine est un matériau hautement inerte chimiquement avec un coût élevé et un faible dégazage.
  • Le zirconium est résistant à la corrosion. Il a une faible production d' électrons secondaires , il est donc utilisé comme revêtement de zones où la réduction de leur production est importante. Il est utilisé pour les fenêtres à neutrons . Il est coûteux et rare, ses utilisations sont donc limitées. Le zirconium et l'hydrure de zirconium sont utilisés pour le getter .
  • Le tungstène est souvent utilisé dans les applications à haute température ainsi que pour les filaments en optique électron/ion. Il devient cassant par écrouissage lorsqu'il est déformé mécaniquement ou soumis à des températures très élevées.
  • Le molybdène et le tantale sont utiles pour les applications à haute température.
  • Le titane et le niobium sont de bons matériaux.
  • Les soudures sont parfois inévitables pour les joints à soudure tendre. Les soudures étain-plomb (Sn50Pb50, Sn60Pb40, Sn63Pb37) peuvent être utilisées sous certaines conditions lorsque l'appareil ne doit pas être cuit et que les températures de fonctionnement ne sont pas élevées (le plomb a tendance à dégazer). Un meilleur choix pour les systèmes de vide est l'eutectique étain-argent, Sn95Ag5 (l'eutectique Sn-Ag est en fait 96,5-3,5); son point de fusion de 230 °C (446 °F) permet une cuisson jusqu'à 200 °C (392 °F). Un alliage 95-5 similaire, Sn95Sb5, ne convient pas car l'antimoine a une pression de vapeur similaire à celle du plomb. Prenez soin d'éliminer les résidus de flux .
  • Les alliages de brasage sont utilisés pour assembler des matériaux par brasage . Des précautions doivent être prises lors du choix des alliages, car certains éléments ont tendance à dégazer. Le cadmium et le zinc sont les pires contrevenants courants. L'argent, un composant courant des alliages de brasage, peut être problématique à des températures plus élevées et des pressions plus basses. Un eutectique argent-cuivre, nommé par exemple Cusil, est recommandé. Une alternative supérieure est un alliage cuivre-argent-étain appelé Cusiltin. Les alliages cuivre-argent-phosphore, par exemple Sil-Fos, conviennent également.

Plastiques

  • Certains fluoropolymères , par exemple le fluorure de polyvinylidène , conviennent pour une utilisation sous vide. Ils ont un faible dégazage et sont tolérants à des températures plus élevées.
    • Le polytétrafluoroéthylène ( PTFE ou Teflon) est couramment utilisé à l'intérieur des systèmes de vide. Il est autolubrifiant, un bon isolant électrique, tolérant à des températures assez élevées et a un faible dégazage. Il ne convient pas comme barrière entre le vide et l'atmosphère, car il est quelque peu perméable aux gaz. Cependant, la céramique est un choix supérieur.
  • Le polyéthylène est utilisable mais nécessite un dégazage complet. Nalgene peut être utilisé comme une alternative moins chère aux cloches .
  • Le polyimide Vespel est très cher, mais se machine bien, possède de bonnes propriétés d'isolation électrique et est compatible avec l'ultra-vide.
  • Le PVC , malgré son taux de dégazage élevé, peut être utilisé dans des applications limitées pour les lignes de vide grossières.
  • Le nylon est autolubrifiant mais a un taux de dégazage élevé et une grande affinité avec l'eau.
  • Les acryliques ont un taux de dégazage élevé et une grande affinité pour l'eau.
  • Les polycarbonates et le polystyrène sont de bons isolants électriques avec un dégazage modéré.
  • Le PEEK (PolyEtherEtherKetone) a des valeurs de dégazage relativement faibles (0,31 % TML, 0,00 % CVCM, 0,06 % WVR).
  • Kapton est un type de film polyimide, a un très faible dégazage. Kapton est déconseillé si une alternative céramique peut être utilisée.
  • Certains élastomères ont des propriétés de vide suffisantes pour être utilisés dans des joints toriques sous vide :
    • NBR , ( Caoutchouc nitrile ), couramment utilisés pour les fermetures sous vide démontables (cuissibles uniquement jusqu'à 100 °C).
    • Les FKM (FPM) , ( Viton ) sont utilisés pour les joints à vide démontables. Il est meilleur pour des pressions plus basses que le caoutchouc nitrile et chimiquement beaucoup plus inerte . Il est cuit à 200 °C.
    • Les FFKM ( FFPM ) dégagent très peu de gaz comme le téflon et résistent à des températures de cuisson jusqu'à 300 °C, tout en étant chimiquement l'un des élastomères d'étanchéité les plus inertes .

Verres et céramiques

  • Le verre borosilicaté est souvent utilisé pour les petits assemblages et pour les fenêtres. Il peut être usiné et bien assemblé. Les verres peuvent être assemblés avec des métaux .
  • Les céramiques de porcelaine et d' alumine , lorsqu'elles sont entièrement vitrifiées et donc non poreuses, sont d'excellents isolants utilisables jusqu'à 1500 °C. Certaines céramiques peuvent être usinées. La céramique peut être unie aux métaux .
  • Le Macor est une céramique usinable qui constitue une excellente alternative à l'alumine, car le processus de cuisson de l'alumine peut modifier les dimensions et les tolérances.

Lubrifiants

La lubrification des pièces mobiles est un problème pour le vide. De nombreux lubrifiants ont des taux de dégazage inacceptables, d'autres (par exemple le graphite ) perdent leurs propriétés lubrifiantes.

  • Les graisses sous vide sont des graisses à faible dégazage.
  • Les lubrifiants secs peuvent être incorporés dans les plastiques en tant que charges, en tant que composant de métaux frittés, ou déposés sur des surfaces métalliques, céramiques et plastiques.
    • Le bisulfure de molybdène est un lubrifiant sec utilisable sous vide.
    • Le disulfure de tungstène est un autre lubrifiant sec utilisable sous vide. Il peut être utilisé à des températures plus élevées que le MoS 2 . Le disulfure de tungstène était autrefois beaucoup plus cher, mais la hausse des prix du bisulfure de molybdène les a amenés à une fourchette comparable. Utilisable de -188 à +1316 °C sous vide, de -273 à +650 °C en atmosphère normale.
    • Le nitrure de bore hexagonal est un lubrifiant sec de type graphite utilisé dans les véhicules spatiaux.

Adhésifs

  • Torr-Seal, ou son équivalent générique Hysol-1C (marque américaine) ou Loctite 9492 (marque européenne), est un époxy avec résine et durcisseur à utiliser dans des environnements sous vide. Il commencera à se dégrader à des températures élevées mais est sinon très stable avec très peu de dégazage. D'autres époxydes sous vide sont également disponibles. Pour le montage ou l'assemblage de feuilles métalliques minces, de grilles ou d'autres petites pièces qui ne devraient pas subir de contraintes, de la pâte d'argent ou d'or peut être utilisée comme adhésif. Après avoir fixé le(s) matériau(x) avec de la pâte d'argent, la pièce doit être cuite (à > 200 C) à l'air pendant > 24 heures pour éliminer les volatils avant d'être mise sous vide.

Matériaux à utiliser dans l'espace

En plus des préoccupations ci-dessus, les matériaux destinés à être utilisés dans les applications d' engins spatiaux doivent faire face aux dommages causés par les rayonnements et aux rayonnements ultraviolets de haute intensité , aux charges thermiques dues au rayonnement solaire, au refroidissement par rayonnement du véhicule dans d'autres directions et à la chaleur produite dans les systèmes de l'engin spatial. Une autre préoccupation, pour les orbites plus proches de la Terre, est la présence d' oxygène atomique , conduisant à la corrosion des surfaces exposées ; l'aluminium est un matériau particulièrement sensible. L'argent, souvent utilisé pour les interconnexions déposées en surface, forme une couche d'oxyde d'argent qui s'écaille et peut s'éroder jusqu'à une défaillance totale.

Les surfaces sensibles à la corrosion peuvent être protégées par un placage adapté , le plus souvent à l' or ; une couche de silice est également possible. Cependant, la couche de revêtement est sujette à l'érosion par les micrométéoroïdes .

Voir également

Les références