真空で使用する材料

真空で使用する材料は、真空中でのガス放出率が非常に低く、該当する場合はベークアウト温度に耐えられる材料です。真空チャンバー内で達成すべき真空度の要件はますます厳しくなります。材料は、いくつかのメカニズムでガスを発生します。ガス分子と水は材料表面に吸着されます (したがって、水との親和性が低い材料を選択する必要があり、多くのプラスチックは除外されます)。材料は真空中で昇華する場合があります (これには一部の金属とその合金が含まれ、最も顕著なのはカドミウムと亜鉛です)。または、多孔質材料や亀裂や割れ目からガスが放出されることもあります。潤滑剤の痕跡や機械加工の残留物が表面に存在する場合があります。特定のリスクは、洗浄後にプラスチックに吸収された溶剤のガス放出です。

材料から放出されたガスは真空の質を低下させるだけでなく、他の表面に再吸収されて堆積物を形成し、チャンバーを汚染する可能性もあります。

さらに別の問題は、材料自体を通じたガスの拡散です。大気中のヘリウムは、たとえゆっくりではあっても、パイレックスガラスを透過して拡散します（通常は室温以上の高温が必要です）^[1]。ただし、これは通常問題にはなりません。材料によっては、膨張したりサイズが大きくなったりして、繊細な機器で問題を引き起こすこともあります。

ガス関連の問題に加えて、材料は必要な温度範囲全体にわたって十分な強度を維持し (極低温に達することもあります)、特性 (弾性、可塑性、電気伝導性、熱伝導性の有無など) を維持し、機械加工可能で、可能であれば高価すぎないものでなければなりません。さらに、隣接する部品の 熱膨張係数の一致も懸念事項です。

材料は、吸収ガスの放出（材料の大部分からの脱着）、吸着ガスの放出（表面からの脱着のみ）、材料自体の蒸発という3つのメカニズムによってガスを放出します。前者はベークアウトによって減少させることができますが、後者は材料の固有の特性です。^[2]ガスを放出した材料の中には、他の表面に堆積したり、真空システムを汚染したり、除去が困難なものもあります。

真空システムにおける最も一般的なトラブル（ガス放出）の原因は次のとおりです。

• カドミウムは、カドミウムめっきの形で、または一部のはんだ付けおよびろう付け合金の形で存在することが多い。
• 亜鉛は、高真空や高温で問題となるが、真鍮や一部のろう付け合金などの一部の建築用合金に含まれており、熱陰極を汚染し、表面に導電性堆積物を形成する傾向がある。 ^[3]亜鉛メッキによって亜鉛コーティングされた材料は避けるか、または最初にコーティングを除去する必要がある。
• マグネシウム
• 塗料
• 高温でガスを放出するため、一部の軟質はんだには鉛とアンチモンが使用されています。 ^[3]
• 多くのプラスチック、特に多くのプラスチックテープ（接着剤には特に注意が必要です）。ミカルタ（G-10）やG-30などのグラスファイバー複合材は避けてください。カプトンやテフロンでさえも、推奨されない場合があります。プラスチックに関する詳細については以下を参照してください。^[3]
  • PVC 、通常は電線絶縁材として使用される（漏れの原因にもなる）
• はんだ付けやろう付けからのフラックス、機械加工からの潤滑剤など、さまざまな残留物があるため、徹底した洗浄が不可欠です。狭い隙間からガス放出性の残留物を除去するのは難しい場合があります。このような特徴を回避する優れた機械設計が役立ちます。

真空には、錫や亜鉛などの材料からのウィスカーの成長など、物理的な問題や電気的なショートを引き起こす可能性のある追加の物理的な問題も伴います^[4]

• オーステナイト系ステンレス鋼は、高真空および超高真空システムで最も一般的な選択肢です。すべての合金が適しているわけではありません。たとえば、快削性の 303 鋼には硫黄が含まれており、ガスを放出する傾向があります。通常は、アルゴンアーク溶接で良好な溶接性を持つ合金が選択されます。
  • 304 ステンレス鋼はステンレス鋼の一般的な選択肢です。
  • 304L ステンレス鋼は、304 鋼の低炭素変種であり、超高真空システムに使用されます。
  • 316L ステンレス鋼は、加速器技術で使用される低炭素、低磁性のステンレス鋼です。
  • 347 ステンレス鋼は高光沢仕上げには対応していません。
  • 低い透磁率が必要な場合は、 321 ステンレス鋼が選択されます。
• 軟鋼は、 1 × 10 ⁻⁶ torrs (1.3 × 10 ⁻⁷ kPa)を超える中程度の真空で使用できます。適切な (ニッケルなど)メッキ によりガス放出を抑えることができます。軟鋼は水素透過性が高く、錆びやすい性質があります。使用前に真空中で徹底的にガス抜きする必要があります。
• アルミニウムとアルミニウム合金は、よく使用される別のクラスの材料です。合金に亜鉛が多く含まれていない限り、機械加工が容易で、ガス放出も少ないです。部品は陽極酸化処理してはいけません。酸化物層が水蒸気を閉じ込め (そしてガス放出する) ためです。また、陽極酸化処理により表面が非導電性になるため、静電システムでは表面が帯電します。最良の処理はアロクロム処理で、これにより表面が密封され、硬く導電性になります。ガス放出率は未処理のアルミニウムよりも大幅に少なくなります。アルミニウムとその合金は高温での強度が低く、溶接時に変形し、銅を含むものは溶接性が悪いです。アルミニウムのワイヤーリングは、取り外し可能なシールの安価なガスケットとして使用できます。アルミニウムは熱伝導率が高く、耐腐食性が良好で、水素の溶解度が低いです。高温で強度が低下するため、焼成用途ではアルミニウムの使用が制限されますが、アルミニウムはステンレス鋼よりも軽量で低コストであるため、大型システムには有利です。アルミニウムの使用は、溶接やろう付けの難しさによって制限されます。X線窓には使用できます。^[2]
• アルミニウム青銅は、外観も加工性も真鍮に似た素材です。かじりにくいため、ステンレス鋼との摺動部に適しています。
• ニッケルは真空技術で広く使用されており、例えば真空管の機械部品として使用されています。ニッケルは比較的安価で、スポット溶接が可能で、機械加工が容易で、融点が高く、多くの腐食性流体や雰囲気に対して耐性があります。潜在的な欠点は強磁性であり、磁場の影響を受ける用途が制限されます。^[2]
• ニッケル合金、例えば白銅^[3]
• ベリリウムは主にX線窓に使用されます。
• 無酸素銅は広く使用されている。機械加工が容易で、耐腐食性に優れている。酸化してスケールを形成しやすいため、ベーキング可能な真空容器には適していない。銅リングは取り外し可能なシールに使用されている。通常の銅は、完全にガスを放出することが難しいため、高真空には適していない。銅は水素に鈍感で、水素とヘリウムを透過せず、水蒸気に対する感受性は低いが、水銀には侵される。銅の強度は200℃（392℉）を超えると急激に低下する。蒸気圧は500℃（932℉）を超えると顕著になる。^[2]
• 真鍮は、いくつかの用途に適しています。耐腐食性に優れています。亜鉛の含有量が問題を引き起こす可能性がありますが、ニッケルメッキにより亜鉛のガス放出を減らすことができます。
• インジウム線は取り外し可能なシールのガスケットとして使用されます。
• 金線は、超高真空用の取り外し可能なシールのガスケットとして、また電気接続を行うための鉛スズはんだの代替品として使用されます。
• プラチナは化学的に非常に不活性な材料であり、コストが高く、ガス放出が少ないです。
• ジルコニウムは耐腐食性があります。二次電子の生成が少ないため、二次電子の生成を抑えることが重要となる部分のコーティングとして使用されます。中性子窓に使用されます。高価で希少であるため、用途が限られています。ジルコニウムと水素化ジルコニウムはゲッタリングに使用されます。
• タングステンは、高温用途や電子/イオン光学のフィラメントによく使用されます。機械的な変形や非常に高い温度にさらされると、加工硬化により脆くなります。
• モリブデンとタンタルは高温用途に有用である。^[3]
• チタンとニオブは良い材料です。
• 軟質はんだ接合部には、はんだの使用が避けられない場合があります。錫鉛はんだ(Sn50Pb50、Sn60Pb40、Sn63Pb37) は、装置をベーキングせず、動作温度が上昇しない (鉛はガスを放出する傾向がある) 場合に条件付きで使用できます。真空システムには、錫銀共晶 Sn95Ag5 (Sn-Ag 共晶は実際には 96.5-3.5) が適しています。その融点は 230 °C (446 °F) で、200 °C (392 °F) までのベーキングが可能です。同様の 95-5 合金 Sn95Sb5 は、アンチモンの蒸気圧が鉛と同等であるため不適切です。フラックスの残留物を除去するように注意してください。
• ろう付け合金はろう付けによる材料の接合に使用されます。一部の元素はガスを放出する傾向があるため、合金の選択には注意が必要です。カドミウムと亜鉛は最もよく発生する元素です。ろう付け合金の一般的な成分である銀は、高温および低圧では問題となる場合があります。Cusil などと呼ばれる銀銅共晶が推奨されます。より優れた代替品は Cusiltin と呼ばれる銅銀スズ合金です。Sil-Fos など銅銀リン合金も適しています。^[3]

• ポリフッ化ビニリデンなどの一部のフッ素ポリマーは真空中での使用に適しています。これらのフッ素ポリマーはガス放出が少なく、高温にも耐えられます。
  • ポリテトラフルオロエチレン（PTFEまたはテフロン）は、真空システムの内部でよく使用されます。自己潤滑性があり、優れた電気絶縁体で、かなり高い温度に耐え、ガス放出が少ないです。ガスをある程度透過するため、真空と大気の間のバリアには適していません。ただし、セラミックの方が優れた選択肢です。^[3]
• ポリエチレンは使用可能ですが、徹底したガス抜きが必要です。ベルジャーのより安価な代替品としてナルゲンを使用できます。
• ベスペル ポリイミドは非常に高価ですが、機械加工性に優れ、電気絶縁性に優れ、超高真空にも対応しています。
• PVC はガス放出率が高いにもかかわらず、粗い真空ラインの限られた用途に使用できます。
• ナイロンは自己潤滑性がありますが、ガス放出率が高く、水との親和性も高いです。
• アクリルはガス放出率が高く、水との親和性も高いです。
• ポリカーボネートとポリスチレンは、適度なガス放出を伴う優れた電気絶縁体です。
• PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）は、ガス放出値が比較的低いです（総質量損失（TML）0.31%、収集された揮発性凝縮性物質（CVCM）0.00%、回収された水蒸気（WVR）0.06%）。
• カプトンはポリイミドフィルムの一種で、ガス放出が非常に少ない。セラミック代替品が使用できる場合はカプトンの使用は推奨されない。^[3]
• 一部のエラストマーは、真空 O リングに使用できるほど十分な真空特性を備えています。
  • NBR（ニトリルゴム）は、取り外し可能な真空シール（100℃までしか焼成できない）によく使用されます。
  • FKM (FPM)、( Viton ) は取り外し可能な真空シールに使用されます。ニトリルゴムよりも低圧に適しており、化学的に非常に不活性です。200 °C まで焼成可能です。
  • FFKM ( FFPM ) は、PTFE と同様にガス放出が非常に少なく、300 °C までの焼成温度に耐える一方、化学的に最も不活性なシーリングエラストマーの 1 つです。

• ホウケイ酸ガラスは、小型のアセンブリやビューポートによく使用されます。機械加工や接合も容易です。ガラスは金属と接合できます。
• 磁器やアルミナセラミックは、完全にガラス化されて非多孔性になると、1500 °C まで使用できる優れた絶縁体になります。一部のセラミックは機械加工が可能です。セラミックは金属と接合できます。
• Macorは機械加工可能なセラミックであり、アルミナの焼成プロセスによって寸法や許容範囲が変化する可能性があるため、アルミナの優れた代替品となります。

真空では可動部品の潤滑が問題となる。多くの潤滑剤はガス放出率が許容範囲を超えており、^[5]他の潤滑剤（例：グラファイト）は潤滑特性を失っている。

• 真空グリースはガス放出が少ない グリースです。
  • ラムゼーグリースは、パラフィンワックス、ワセリン、天然ゴムの古い組成物で、約 25 °C まで使用でき、約 1 Pa までの低真空で使用できます。
  • Krytox は、-75 ℃ から 350 ℃ を超える温度で使用できるフッ素エーテルベースの真空グリースで、液体酸素中でも不燃性であり、電離放射線に対して高い耐性があります。
  • ポリフェニルエーテルグリース
  • Torrlubeは、パーフルオロポリエーテルをベースとした潤滑油のブランドです。^[6]
• 乾式潤滑剤は、充填剤としてプラスチックに組み込んだり、焼結金属の成分として組み込んだり、金属、セラミック、プラスチックの表面に塗布したりすることができます。
  • 二硫化モリブデンは真空中でも使用できる乾式潤滑剤です。
  • 二硫化タングステンは真空中で使用できるもう一つの乾式潤滑剤です。MoS ₂よりも高温で使用できます。二硫化タングステンは以前はかなり高価でしたが、二硫化モリブデンの価格は同等の範囲まで上昇しました。^[7]真空中では-188～+1316℃、通常の大気中では-273～+650℃で使用できます。^[8]
  • 六方晶窒化ホウ素は、宇宙船に使用されるグラファイトのような乾式潤滑剤です。

• Torr-Seal、またはそのジェネリック同等品である Hysol-1C (米国ブランド名) または Loctite 9492 (EU ブランド名) は、真空環境で使用するための樹脂と硬化剤を含むエポキシです。高温になると劣化し始めますが、それ以外は非常に安定しており、ガス放出はほとんどありません。その他の真空定格エポキシも利用できます。薄い金属箔、グリッド、またはストレスを受けることが想定されないその他の小さな部品を取り付けたり結合したりするには、銀または金ペーストを接着剤として使用できます。銀ペーストで材料を固定した後、真空に挿入する前に部品を空気中で 24 時間以上焼成 (>200 °C) して揮発性物質を除去する必要があります。
• ファラデーワックスはおそらく Torr-Seal のより安価な代替品ですが、効果は同じです。実際、その物理的特性のいくつかはエポキシよりも優れています。ファラデーワックスは、融点の低い可鍛性の暗赤色の固体です。ファラデーワックスを使用した接合は、接合する 2 つの表面を加熱し、はんだ付けと同様にワックスを加熱した表面に押し付けることによって行うことができます。これらの接合は 10 ⁻⁷  mbar ^{[9]まで適しており、ガラスと金属の間で行うことができます。これは、}マイケル ファラデーが1827 年に「化学操作」で初めて説明しました。^[10]重量比:
  • 蜜蝋1部
  • 5 部のロジン
  • ベネチアンレッド1 部
• 高真空での使用を目的とした最新のワックスはアピエゾンワックスWです。^[11]

上記の懸念事項に加えて、宇宙船用途に使用される材料は、放射線による損傷や高強度の紫外線、太陽放射による熱負荷、他方向への宇宙船の放射冷却、宇宙船システム内で発生する熱に対処する必要があります。地球に近い軌道の場合のもう1つの懸念事項は、原子状酸素の存在で、露出面の腐食につながります。アルミニウムは特に腐食に敏感な材料です^[要出典]。表面に堆積する相互接続によく使用される銀は、銀酸化物の層を形成し、これが剥がれ落ちて完全に破損することもあります。

腐食に敏感な表面は、適切なメッキ（最も一般的には金メッキ）で保護できます。シリカ層も可能です。ただし、コーティング層は微小隕石による侵食を受けます。

• 真空工学