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真空材料表面常见的污染与净化

材料表面常见的污染形式

保留于大气中的材料表面普遍会受到污染,表面上任何一种无用的物质或能量都是污染物。最常见的有害污染物是尘埃、碳氢化物、氯化物、硫化物和氟化物。表面污染从物理状态来看是气体,也可以是液体或固体,它们以膜或散粒形式存在。从化学特征来看,它可以处于离子态或工价态,可以是无机物或有机物。污染的来源有多种,最初的污染常常是表面本身形成过程中的一部分,吸附现象、化学反应、浸析和干燥过程、机械处理以及扩散和离析过程都会使各种成分的表面污染物增加。

常见的真空材料表面上的污染物有以下几种类型:

环境空气中的尘埃和抛光残渣及其它有机物等

空气中悬浮的尘埃粒子的含量与尘埃粒子在材料表面上的凝聚速率成正比关系。普通实验室和真空生产车间采用一般净化环境,对室内空气的含尘浓度没有具体要求,或只要求对送入房间的空气进行一般粗过滤净化处理,此时主要滤掉了大于1~5μm的粗粒,更小的尘粒仍能大量存在,成为污染源。悬浮在空气中的微尘作不停的布朗运动并通过如下两种途径沾污到零部器件表面上:一种是高气压下的辐射计效应,如:在H2炉中烧氢时或清洗后对材料表面用大功率红外灯进行干燥处理时,辐射计力的作用将尘埃由高温区推向温度较低的零部件表面上。另一种是零部件附件的气流扰动,使夹杂的尘埃由于惯性作用而碰撞粘附在零部件表面上。

尘埃对器件和真空系统的危害有:增加出气;使器件或真空系统的性能变坏,如:碳化颗粒的沉积可引起高真空镀膜设备中小间隙的极间短路或跳火等。

水基类:操作时的手汗、吹气时的水汽、唾液等

操作人员手上的汗液是真空材料表面的碳氢化物和氯化氢的重要来源。汗液的主要成分是水(98~99%),其中主要溶解物是氯化钠、氯化钙、硫酸盐、碳酸盐、尿素、氨基酸和其它有机物。氯化物与金属发生置换反应。可形成该金属的氯化物。氯化物的其它来源还有:零件吸附空气中的氯;清洗液三氯乙烯;水、酒精及玻壳中常包含的少量氯化物杂质等。

表面形成的化合物

材料长期放置在空气中或放置在潮湿空气中可形成表面氧化物。如有的金属零件直接选用板材或管材制成。材料表面要受到轧制、延压、焊接温度的影响,使表面形成氧化层、氮化层。这种氧化物、氮化物材质疏松,并有龟裂,再加之存在缺陷,很容易吸附大量气体、水汽、以及隐藏污染物。这种表面暴露在真空中后,吸附的气体便会缓慢地释放出来,使之成为获得极限真空度的限制因素。即便是清洗的十分干净的碳钢表面,在空气中停留十分钟后,也会形成20×10-4μm氧化层。它的真实表面比几何表面大1000倍,这就意味着吸附的气体量大了1000倍。

很多金属氯化物的蒸气压高,热稳定性差,在高温或电子轰击下易蒸发、分解而迁移。氯化物的最大危害是使真空发射阴极中毒,因为它熔点低,容易使阴极氧化物层烧结或发灰而降低发射率。电真空器件中氯化物的迁移方向一般是从受电子轰击或加热的部位迁移到冷的部位上。含氯的玻壳在高温烘烤除气时,也会把氯迁移到阴极上。由于氯化物的高挥发性,所以很容易在加热时去除。如果在排气过程中,所有的部位均能加热,就可将氯化物有效地排除。

像氯一样,硫也极易与几乎所有的金属结合而形成硫酸盐和硫化物。零部件表面在与清洗液、润滑油和乳胶等物质的接触中会被这些化合物污染。工业城市的空气中含有0.08~0.20 mg/m3的SO2,它能被零件表面所吸附。

各种金属的硫酸盐和硫化物的化学稳定性相差很大。不稳定的硫化物在较低温度下就能升华或分解,这对真空器件很有害,尤其是其中的黑色硫化物,化学稳定性较差,会使电真空器件的阴极发灰。对器件危害最大的是硫的气态化合物或蒸气。因为硫是氧族元素,它们能与氧化物阴极中的盈余Ba发生反应,其毒害作用与O2类似。

氟和氯同属卤族元素,性质相似。因此,当电真空器件内存在氟污染或含氟的材料时,就有可能使阴极中毒。

酸、碱、盐类物质:清洗时的残余物质、手汗、水中的矿物质等

 油脂:加工、装配、操作时沾染上的润滑剂、切削液、真空油脂等

● 在真空设备的使用过程中,造成的真空系统再污染

如扩散泵油、机械泵油、润滑脂等返流进到真空室中,在室壁形成油膜,污染真空室。又如真空蒸发镀铝时,会在真空室内壁上形成氧化铝层,这些都需要定期清洗,否则系统的真空度会抽不上去。即使是真空室壁上镀上了质密的氮化钛膜,若时间长了不清除也会影响系统的真空度。

真空泵返流后形成的碳氢化物也是电真空器件的重要的污染源,它在热表面(如电极)上分解后,碳残留物会使材料表面发灰。当电子轰击碳氢化物污染层时,复杂的碳氢化物分子被裂解成若干种小的气体分子,于是气相中的离子猛增,造成过量的离子轰击阴极和其它低电位电极,加速了物质迁移过程。

碳氢化物在表面上的吸附强度,一般取决于它的化学成分和吸附剂的表面状态。如果碳氢化物与金属反应生成对表面有弱吸附键的化合物,则迁移速率将显著增加。

材料表面净化

表面净化定义在真空工艺进行前,先从工件或系统材料表面清除所不期望的物质的过程。真空零部件的表面净化处理是很必要的,因为由污染物所造成的气体、蒸气源会使真空系统不能获得所要求的真空度。此外,由于污染物的存在,还会影响真空部件连接处的强度和密封性能。

净化处理的目的是为了改进真空系统中所有器壁和其它组件表面在各种工作条件下的工作稳定性。这些工作条件包括:高温、低温。以及电子、离子、光子或重粒子的发射和轰击。

净化处理后要求得到的表面可分为两大类:原子级清洁表面和工艺技术上的清洁表面。

原子级清洁表面仅能在超高真空下实现。它需要在严格控制的环境条件下进行,一般通过较长的时间过程。在实际应用中一般并不要求获得原子级清洁表面,仅要求工艺技术上的清洁或较好的表面质量,即保证所有的表面尽可能没有微观结构物质,并且使净化处理后表面的各种分子约束得更紧密,在基体相上没有明显的化学物质。

一般情况下,在一切需要使用溶剂的清洗净化工作都不能在真空中进行。如果在真空中进行净化处理(通常采用加热、轰击等手段),那么净化处理通常是在真空工艺系统内部进行的(如镀膜室、分析室等)。

                                                                                                                                                                                                                                                              

来源: iVacuum真空聚焦




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