幾種常見的橡膠超高真空密封技術

幾種常見的橡膠超高真空密封技術

真空系統中使用最多的橡膠有兩種：天然膠乳、合成橡膠（包括丁基、氯、丁腈橡膠）和硅橡膠、氟橡膠等制成的硫化橡膠。

解決真空橡膠密封，除了正確的密封結構設計外，密封材料的合理選擇也是關鍵。影響真空密封的幾個主要因素有：橡膠的耐熱性、壓縮變形阻力、漏氣率、透氣率、脫氣率和升華（失重）。

· 耐熱性。在真空系統中，通常需要對系統或組件進行脫氣，這通常是通過烘烤來完成的。這樣就要求橡膠密封件具有一定的耐熱性，以保證烘烤和脫氣的順利進行。一般烘烤溫度在120℃以下，真空度為10^-5Pa，但也可使用丁基或丁腈橡膠；如果需要較高的烘烤溫度和在超高真空環境下工作，則需要使用氟橡膠。

·抗壓縮變形能力。在真空系統中，大量的真空密封件在壓縮下工作。為保證密封的可靠性，同時保持一定的密封壽命，真空密封膠應具有較小的壓縮變形值（最好小于35%），壓縮應力松弛比較慢（即壓縮應力）較大的松弛系數），從而保證真空密封具有更高的工作壽命。

· 泄漏率。根據經驗和計算，在真空系統中，當真空泵的抽氣量為8000L/s時，應保持5×10^-7Pa的真空度，橡膠泄漏率不應大于5.25×10^ -3Pa·cm^3/s。

 各種橡膠漏氣率

· 透氣性。不同的橡膠在不同的溫度下具有不同的透氣性，這是由其內部結構決定的。丁腈橡膠由于其甲基，透氣性低；并且由于丁腈橡膠具有丁腈的極性基團，因此對非極性氣體的滲透性低。因此，丁腈橡膠的丙烯腈含量越高，其透氣性越低。值得一提的是，溫度對橡膠的透氣性有很大影響。溫度越高，透氣性越大。此外，不同橡膠中不同氣體的透氣性也不同。在同一種氣體中，透氣性的順序是：天然橡膠>丁苯橡膠>丁腈橡膠>氯丁橡膠>丁基橡膠。

各種橡膠對不同氣體的透氣性

·排氣率。橡膠脫氣率的定義是在一定溫度下單位時間單位面積橡膠上的脫氣量。在真空密封中，一般要求為10^-4~10^-5Pa·L/s。根據實驗數據，根據放氣率的大小，各種橡膠可排列如下：氯醇橡膠>乙烯基硅橡膠>天然橡膠>丁腈橡膠>氯丁橡膠>氟橡膠。

·橡膠的升華（失重）。橡膠在一定真空度和溫度下的失重稱為升華。在真空密封時，要求密封材料的升華值小。為了使橡膠密封圈在相應的真空系統中具有相對穩定的關系，以保證既定真空度的維持，升華值一般要求小于10%。根據真空升華值的大小，各種橡膠可排列如下：天然橡膠>丁腈橡膠>氯丁橡膠>氯醇橡膠>乙烯基硅橡膠>氟橡膠。表3顯示了各種橡膠在真空中的重量損失。

各種橡膠在真空中的失重

在高真空系統中，橡膠密封件對真空系統極限壓力的主要影響因素是材料的泄漏率和脫氣率。

磁性流體密封

磁流體是在 1960 年代引入的。磁流體密封是一項相對成熟的技術，在真空密封中發揮著越來越重要的作用。

從原理上講，磁性液體（有時也稱為磁性流體或鐵磁性液體）是經特殊處理后與磁性納米粒子混合并均勻分散在液體中的固液膠體液體。它兼具液體的流動性和磁性。磁流體密封技術是利用磁流體對磁場的響應特性實現的。當我們將制作精良的磁液注入由高性能永磁體、具有良好導磁性能的極片和軸構成的磁路間隙中，在磁場的作用下橡膠空氣彈簧 法蘭式，磁液就會形成縫隙里有幾種液體。環數等于設計的凸齒數。當磁性液體受到壓力差時，它會在不均勻的磁場中輕微移動，產生對抗壓差的磁力，從而達到新的平衡，起到密封作用。.

由于密封件內部只有導磁磁體與液體接觸密封，磁流體密封具有以下優點：

·嚴密性。酯基磁性液體可對介質（大氣或惰性氣體）進行嚴密、穩定的動、靜密封。

· 無法測量的泄漏率。泄漏基本上很難檢測，所以人們通常稱磁流體密封為“零泄漏”。

·高可靠性。在正壓情況下，當磁流體密封產生瞬時超壓擊穿時，一旦壓力降低到密封所能承受的程度，仍能保持密封效果，使用可靠性相當高。

·基本無污染。由于密封件本身沒有機械磨損，磁性液體的飽和蒸氣壓極低，即使在高真空狀態下使用，也不會造成污染。

·良好的高速性能。磁性流體在旋轉時，內摩擦極小，功率損耗小，因此具有高速運動的潛力。

·低摩擦、低磨損、低發熱。在裝有軸承的密封件中，除了軸承在旋轉時機械磨損小，內部磁芯組件與轉軸不直接接觸，所以摩擦小，磨損小，發熱小，并且所需的操作功率小。

·良好的可修復性。在使用中，由于某些原因，磁流體密封失效。只要內部元件功能正常，磁流體密封就可以在短時間內進行現場維修。

· 無方向性密封。如果需要改變承壓方向，對于磁流體密封，無需增加任何部件即可完成。

由于磁流體密封的諸多優點，其應用領域已涉及晶體生長設備、擴散爐、真空釬焊爐、真空熱處理爐、鍍膜機等國產和進口真空設備。

1985年，中科院化學所和中科院電子所研制的有機硅高真空微孔密封膠并轉入試生產。這種密封膠是一種無色透明的低粘度液體，對金屬、陶瓷、玻璃和塑料有很強的潤濕性。用于密封高真空裝置和高真空系統中的微泄漏。效果非常好。那么，工作溫度范圍是350℃~-196℃。

從應用場景來看，可以有以下幾種： ①固定真空室中的各個部件；②真空密封或堵塞。這種真空膠固化后具有一定的強度，可用于螺紋處的真空密封。,玻璃、陶瓷和金屬之間的連接和真空密封，饋通/航空插頭的電極和法蘭之間的密封，X射線管和激光管等各種真空管的連接和真空密封，真空管和法蘭此外，它可以快速堵塞各種真空系統或部件的泄漏。對于一般的真空泄漏，您可以直接應用它們來阻止泄漏。膠水變硬后，可直接進行檢漏或開始正常使用；③真空膠通過固化劑固化，

可以說，對于一般的真空泄漏來說，粘接密封的方法非常方便的密封堵漏，即使是在超高真空下，也可以起到連接一些零件的作用。

金屬密封

金屬密封件的發展歷史比較長，比橡膠密封件出現得更早。相對而言，橡膠的脫氣率和滲透性較大，不能高溫烘烤，不耐輻射，因此其應用受到一定限制。金屬密封彌補了橡膠密封的上述缺點，因此被廣泛應用于超高真空環境。

原則上，金屬材料，如橡膠，具有一定的彈性和延展性。當金屬密封圈受外壓發生彈性變形時，在彈性恢復力的作用下，密封圈有恢復原狀的趨勢。這種趨勢填充密封面的間隙，從而起到密封作用。

下面介紹幾種超高真空中常用的金屬密封方式。

1 金屬銦絲密封

金屬銦的莫氏硬度僅為1.2，遠小于金屬銅2.5-3和鋁的莫氏硬度2-2.9，熔點為156.6℃。良好的延展性使其非常有利于真空密封連接。封口時，在法蘭表面放置合適長度的銦絲，使銦絲兩端重疊。不需要預先加工成標準的密封圈。因此常用于法蘭尺寸較大而其他金屬密封圈不易加工的場合。

法蘭銦絲密封

根據法蘭的大小，銦絲的直徑可以在1-2mm之間選擇。但因其熔點低，烘烤溫度不能高于150℃。此外，金屬銦具有良好的低溫性能，在低溫環境下常采用銦絲密封進行真空密封。但是銦絲受壓后容易流動，所以法蘭需要做成階梯式或凹槽式，如圖2所示橡膠空氣彈簧 法蘭式 一篇文章了解幾種常見的超高真空密封技術，以防止銦絲流入真空室。

2全金屬快拆密封

與傳統的螺栓法蘭需要多套螺栓相比，卡箍只需兩顆螺釘即可緊固，安裝可以更快完成，故稱為快拆卡箍。全金屬快拆密封件主要由快拆卡箍、平法蘭、密封圈組成密封系統，如下圖所示。

全金屬快拆密封

快拆卡箍軸向夾緊力小，一般采用純鋁作為密封圈的材料。為減少卡箍變形，卡箍采用剛性不銹鋼材料?？觳饖A具由多個夾具組成。隨著法蘭直徑的增加，夾具的數量增加。并且隨著法蘭直徑的增大，在相同的螺釘擰緊力下，作用在夾具軸向上的夾緊力變小。因此，對于公稱直徑小于φ160的法蘭，全金屬快拆密封具有更好的密封性能。

全金屬快拆密封不需要軸向螺絲固定，大大節省軸向空間，螺絲數量少，安裝快捷。常用于安裝空間小，需要快速安裝的場合。例如，高能加速器在剛關閉時就有一定劑量的輻射。為了保護工作人員的人身安全，安裝需要快速完成。全金屬快拆密封件已在中科院高能物理研究所形成試用標準，并已廣泛應用于多臺加速器的真空密封連接。

3全金屬快拆與銦絲組合密封

在安裝銦絲密封法蘭之前，為了更好地安裝銦絲，通常需要在法蘭上制作肩環或凹槽橡膠空氣彈簧 法蘭式，如上圖所示。另外，由于銦絲比較軟，安裝時需要較大的操作空間橡膠空氣彈簧 法蘭式 一篇文章了解幾種常見的超高真空密封技術，全金屬快拆密封往往由于軸向夾緊力不足，導致泄漏率小的問題。

本節介紹的組合密封件繼承了軟銦絲和全金屬快拆密封件的優點，可用于狹小空間的安裝。在全金屬密封圈密封面外側增加銦絲，可以解決全金屬快拆問題。密封件夾緊力不足導致漏氣問題。結構如下圖所示。

全金屬快拆與銦絲組合密封

這種密封結構相當于延長了氣體泄漏路徑，大大降低了泄漏通道的電導。此外，銦絲位于金屬密封圈外，可降低銦絲因高溫熔化流入真空室的風險，提高系統可靠性。

4 彈簧儲能密封

彈簧儲能密封件（Seal）是一種由金屬鋁、銅、銀、不銹鋼或其他高分子材料夾套和儲能彈簧組成的壓力輔助密封裝置。

彈簧儲能密封圖

當彈簧儲能密封圈安裝在密封槽內時，彈簧受壓，夾套的密封面壓在密封槽上，從而形成密封。彈簧為密封套提供彈力并補償材料磨損和配合部件的偏移或偏心。系統壓力還將幫助密封夾套積聚能量。通過彈簧力和系統壓力形成恒定持久的預緊力，達到有效密封。

彈簧儲能密封圈用于超高真空、核設備、航空航天、石油、低溫、化工、冶金、動力機械、蒸汽容器等設備所用設備的密封。