Usuario:Arona/Materiales para uso en vacío

El Long Duration Exposure Faciltiy se utilizó para probar varios materiales en el vacío.

Los materiales para uso en vacío son materiales que presentan, en vacío, una tasa muy baja de desgasificación y son, cuando es necesario, tolerantes a temperaturas de cocción. Los requisitos son cada vez más estrictos a medida que tratamos con mayores vacíos. Estos materiales liberan gas por varios mecanismos. Las moléculas de gas y agua pueden ser adsorbidas en la superficie del material (por lo tanto, hay que elegir materiales con baja afinidad por el agua, lo que descarta muchos plásticos). Puede producirse también sublimación en vacío (excluyendo algunos metales y sus aleaciones, sobre todo el cadmio y el zinc). También pueden liberarse gases procedentes de materiales porosos o de grietas y fisuras. Pueden aparecer restos de lubricantes y residuos del mecanizado en las superficies. Un riesgo específico es la desgasificación de los disolventes absorbidos en los plásticos después de la limpieza.

Los gases liberados por los materiales no sólo disminuyen la calidad del vacío, sino que también pueden ser reabsorbidos en otras superficies, creando depósitos y contaminando la cámara.

Otro problema es la difusión de gases a través de los materiales en sí. El helio atmosférico puede difundirse incluso a través del vidrio Pyrex, aunque lentamente; sin embargo, esto no suele suponer un problema. Algunos materiales también pueden expandirse o aumentar de tamaño causando problemas en equipos delicados.

Además de las problemáticas relacionadas con el gas, los materiales deben mantener una resistencia adecuada a lo largo de todo el rango de temperatura requerido (a veces alcanzando temperaturas criogénicas), mantener sus propiedades (elasticidad, plasticidad, conductividad eléctrica y térmica o su ausencia, etc.), ser mecanizables, y si es posible no ser demasiado caro. Otra preocupación es la concordancia del coeficiente de dilatación térmica de las partes adyacentes.

Materiales a evitar

Los materiales liberan gases por tres mecanismos: liberación de gases absorbidos, liberación de gases adsorbidos y evaporación del propio material. La primera puede ser reducida por un horneado, la segunda es una propiedad inherente al material. Algunos materiales desgasificados pueden depositarse en otras superficies, contaminar el sistema de vacío y son difíciles de eliminar.

Las fuentes más comunes de problemas (gasificación externa) en sistemas de vacío son:

• Cadmio, a menudo presente en forma de cadmio, o en algunas aleaciones para soldadura fuerte.

• Zinc, problemático para alto vacío y altas temperaturaa, presente en algunas aleaciones de construcción, por ejemplo latón y algunas aleaciones de soldadura fuerte. Tiende a envenenar cátodos calientes y formar depósitos conductores en las superficies. Se debe evitar cualquier material que haya sido galvanizado, o se debe eliminar primero el recubrimiento.
  Magnesio

• PVC, generalmente en forma de aislante de cable (fuente de fugas virtuales también)

• Pinturas

• Plomo y antimonio utilizados en algunas soldaduras blandas y desgasificación a temperaturas más altas
• Muchos plásticos, es decir, muchas cintas de plástico (debe prestarse especial atención a los adhesivos). Deben evitarse los compuestos de fibra de vidrio, por ejemplo Micarta (G-10) y G-30. Incluso el kapton y el teflón están desaconsejados a veces.

• Varios residuos, por ejemplo fundente de la soldadura y soldadura fuerte, y lubricantes del mecanizado. Es importante una limpieza minuciosa de las piezas. Eliminar los residuos desgasificables de grietas estrechas puede ser todo un reto; un buen diseño mecánico que evite estas características puede facilitarnos la vida.

Materiales para uso en vacío

Metales

• Los aceros inoxidables austeníticos son los más usados en sistemas de vacío alto y ultra-alto. No todas las aleaciones son adecuadas, por ejemplo el acero 303 sin mecanizado contiene azufre, que suele liberar gas. Generalmente se eligen aleaciones con buena solubilidad en atmósfera de argón.
  • El acero inoxidable 304 es una elección común de acero inoxidable.
  • El acero inoxidable 304L, una variante baja en carbono de acero 304, se utiliza para sistemas de vacío ultra alto.
  • El Acero inoxidable 316L tiene bajo contenido de carbono y bajo magnetismo, y se ha utilizado en aceleradores.
  • El acero inoxidable 347 no acepta un pulido extensivo.
  • El acero inoxidable 321 se elige cuando se necesita una permeabilidad magnética baja.
• El acero dulce se puede utilizar para vacíos moderados por encima de 10^-6 torr. El desgasificado se puede reducir con una bomba de gas adecuada (p. ej. níquel). Es muy permeable al hidrógeno y tiene tendencia a la oxidación. Debe ser desgasificado en vacío antes de su uso.
• El aluminio y sus aleaciones son otro tipo de materiales usados frecuentemente. Son mecanizables y presentan una baja emisión de gases, a no ser que las aleaciones contengan una mayor proporción de zinc. Las piezas no se deben anodizar, ya que la capa de óxido atrapa (y libera) vapor de agua. El aluminio y sus aleaciones son de baja resistencia a altas temperaturas, se deforman al soldarse y las que contienen cobre son muy poco soldables. Los anillos de cable de aluminio pueden utilizarse como juntas económicas de estanqueidad desmontables. El aluminio tiene una alta conductividad térmica, buena resistencia a la corrosión y una baja solubilidad de hidrógeno. La pérdida de resistencia a altas temperaturas limita su uso en aplicaciones de cocción, pero es ventajoso para los sistemas de gran tamaño debido a su menor peso y menor coste en comparación con el acero inoxidable. El uso del aluminio está limitado por sus dificultades de soldadura y soldadura fuerte. Puede utilizarse en ventanas de rayos X.
• El níquel es ampliamente utilizado en la tecnología de vacío, por ejemplo como componentes mecánicos para tubos de vacío. Es relativamente barato, se puede soldar por puntos, es fácil de mecanizar, tiene un punto de fusión alto y es resistente a muchos líquidos y atmósferas corrosivas. Su desventaja potencial es su ferromagnetismo, que restringe las aplicaciones que se verían influenciadas por los campos magnéticos.[1]

• Aleaciones de níquel, por ejemplo cuproníquel[2]

• El berilio se utiliza principalmente en ventanas de rayos X.
• El cobre sin oxígeno se utiliza ampliamente. Es fácil de mecanizar y tiene una buena resistencia a la corrosión. No es apto para envases de vacío horneables debido a su tendencia a oxidarse y crear incrustaciones. Los anillos de cobre se utilizan en juntas desmontables. El cobre normal no es adecuado para alto vacío, ya que dificulta la eliminación total de gases. El cobre es resistente e impermeable al hidrógeno y al helio, tiene baja sensibilidad al vapor de agua, pero es atacado por el mercurio. Su resistencia se sitúa muy por encima de los 200 °C. Su presión de vapor es significativa a más de 500 °C.[1]
• El latón es adecuado para algunas aplicaciones. Tiene buena resistencia a la corrosión. Su contenido en zinc puede causar problemas; la emisión de gases puede reducirse mediante un recubrimiento de níquel.
• El hilo de indio se utiliza como junta en los sellos desmontables.

• El alambre de indio se utiliza como junta en sellos desmontables.

• El alambre de oro se utiliza como junta en los sellos desmontables para el vacío ultra alto.

• El platino es un material químicamente inerte, caro y baja emisión de gases.

• El circonio es resistente a la corrosión. Presenta una baja emisión de electrones secundarios, por lo que se utiliza como recubrimiento de áreas donde su reducción es importante. Se utiliza para ventanas de neutrones. Es caro y escaso, por lo que sus usos son limitados. El circonio y el hidruro de circonio se utilizan para el engastado.
• El tungsteno se utiliza a menudo en aplicaciones de alta temperatura, así como para filamentos en óptica de iones y electrones. Se torna quebradizo a causa del trabajo de endurecimiento cuando se deforma mecánicamente o se somete a temperaturas muy altas.
• El molibdeno y el tántalo son útiles para aplicaciones de alta temperatura.[2]
• El titanio y el niobio son materiales adecuados.
• Las soldaduras a veces son inevitables para las juntas de soldadura blanda. Las soldaduras de estaño y 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 producir gases residuales). Una mejor elección para sistemas de vacío es el eutéctico estaño-plata, Sn95Ag5; su punto de fusión de 230 °C permite hornear hasta 200 °C. Una aleación similar de 95-5, Sn95Sb5, no es adecuada ya que el antimonio tiene una presión de vapor similar a la del plomo. Tenga cuidado para eliminar los residuos de fundente.
• Las aleaciones para soldadura fuerte se utilizan para unir materiales mediante soldadura fuerte. Hay que tener cuidado al seleccionar las aleaciones, ya que algunos elementos tienden a desgasificarse. El cadmio y el zinc son los peores enemigos habituales. La plata, un componente común de las aleaciones de soldadura fuerte, puede ser problemática a temperaturas elevadas y presiones inferiores. Un eutéctico de plata-cobre, denominado por ejemplo Cusil, es recomendable. Una mejor alternativa es una aleación de cobre-plata-estaño llamada Cusiltin. Aleaciones de cobre-plata-fósforo, por ejemplo Sil-Fos, son también aptas.[2]

Plásticos

•  Algunos polímeros fluorados, como por ejemplo fluoruro de polivinilideno, son adecuados para su uso en vacío. Tienen baja emisión de gases y resisten temperaturas más altas.
•  El politetrafluoroetileno (PTFE o Teflón) es comúnmente utilizado en los sistemas de vacío. Es autolubricante, buen aislante eléctrico, resistente a altas temperaturas y con baja emisión de gases. No es adecuado como barrera entre vacío y atmósfera, ya que es parcialmente permeable a los gases. Sin embargo, la cerámica es una excelente elección.[2]
• El polietileno se puede utilizar, pero requiere una desgasificación completa. El Nalgene se puede utilizar como una alternativa más barata para los frascos Bell.
• La poliimida de Vespel es muy cara, pero funciona bien, tiene buenas propiedades de aislantes y es compatible con un vacío ultra alto
• El PVC, a pesar de su alta velocidad de desgasificación, puede utilizarse en aplicaciones limitadas para líneas de vacío en bruto.
• El nylon es autolubricante, pero tiene una alta tasa de desgasificación y alta afinidad al agua.
• Los acrílicos tienen una alta tasa de desgasificación y una gran afinidad con el agua.
• Los policarbonatos y el poliestireno son buenos aislantes eléctricos con desgasificación moderada.
• El PEEK (polyethyl ether ketone) tiene valores relativamente bajos de emisión de gases (0.31% TML, 0.00% CVCM, 0.06% WVR).
• El Kapton es un tipo de película de poliimida, con muy baja emisión de gases. El Kapton está desaconsejado si se puede utilizar una alternativa cerámica.[2]
• Algunos elastómeros presentan propiedades de vacío suficientes para ser utilizados en juntas tóricas de vacío.
• NBRs (caucho nitrílico), se utilizan habitualmente en juntas de vacío desmontables (utilizables hasta 100 °C).
• Los FKMs (FPMs), (Viton) se utilizan para sellos de vacío desmontables. Se recomienda para presiones más bajas que el caucho de nitrilo y es químicamente más inerte. Se puede hornear a 200 °C.
• Los FFKMs (FFPMs) tienen una emisión de gases muy reducida similar al Teflón y soportan temperaturas de cocción de hasta 300 °C, mientras que químicamente es uno de los elastómeros de sellado más inertes.

Vidrios y cerámicas

• El vidrio borosilicatado se utiliza a menudo para montajes pequeños y para visores. Se puede mecanizar y ensamblar con facilidad. Los vidrios se pueden unir por medio de metales.
• Las cerámicas de porcelana y alúmina, cuando están totalmente vitrificadas y por lo tanto no-porosas, son excelentes aislantes que se pueden utilizar hasta 1500 °C. Algunas cerámicas pueden ser mecanizadas. La cerámica se puede ensamblar 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 sus dimensiones y tolerancias.
• Lubricantes
• La lubricación de las piezas móviles es un problema en el vacío. Muchos lubricantes tienen velocidades de desgasificación inadmisibles,[3] otros (ej. Grafito) pierden sus propiedades lubricantes.
• Las grasas de vacío tienen una baja emisión de gases.
• La grasa de Ramsay es una vieja composición de parafina, vaselina y caucho natural, que se puede utilizar hasta unos 25 °C, para vacíos de hasta 1 Pa.
• Krytox es una grasa al vacío a base de fluoruro de ácido fluorhídrico, útil desde -75 °C hasta más de 350 °C, no inflamable incluso en oxígeno líquido y altamente resistente a la radiación ionizante.
• Grasas de éter de polifenilo
• Torrlube, marca que engloba una gama de aceites lubricantes a base de perfluoropoliéteres.[4]
• Lubricantes en seco, se pueden incorporar en plásticos como rellenos, como componente de metales sinterizados, o depositados en superficies metálicas, cerámicas y plásticas.
• El disulfuro de molibdeno es un lubricante seco utilizable en vacío.
• El disulfuro de tungsteno es otro lubricante seco utilizable en vacío. Puede ser utilizado a temperaturas más altas que el MoS2. El disulfuro de tungsteno solía ser notablemente más caro, pero el aumento de los precios del disulfuro de molibdeno los llevó a un rango de precios similar.5] Puede utilizarse de -188 a +1316 °C en vacío, y de -273 a +650 °C en atmósfera normal.[6]
• El nitruro de boro hexagonal es un lubricante seco similar al grafito utilizado en vehículos espaciales.

Adhesivos

•     Torr-Seal, o su equivalente genérico Hysol-1C (marca comercial estadounidense) o Loctite 9492 (marca de la UE), es un epoxi con resina y endurecedor para su uso en ambientes de vacío. Comenzará a degradarse a altas temperaturas, pero por lo demás es muy estable con muy poca emisión de gases. Existen además otros resinas epoxi al vacío.

Referencias

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