幾種常見的橡膠超高真空密封技術(shù)

真空系統(tǒng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，密封材料的合理選擇也是關(guān)鍵。影響真空密封的幾個(gè)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(tǒng)中，通常需要對(duì)系統(tǒng)或組件進(jìn)行脫氣，這通常是通過(guò)烘烤來(lái)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(jìn)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(huán)境下工作，則需要使用氟橡膠。

·抗壓縮變形能力。在真空系統(tǒng)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(shí)保持一定的密封壽命，真空密封膠應(yīng)具有較小的壓縮變形值（最好小于35%），壓縮應(yīng)力松弛比較慢（即壓縮應(yīng)力）較大的松弛系數(shù)），從而保證真空密封具有更高的工作壽命。

· 泄漏率。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算，在真空系統(tǒng)中，當(dāng)真空泵的抽氣量為8000L/s時(shí)，應(yīng)保持5×10^-7Pa的真空度，橡膠泄漏率不應(yīng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(tuán)，因此對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)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(shí)，要求密封材料的升華值小。為了使橡膠密封圈在相應(yīng)的真空系統(tǒng)中具有相對(duì)穩(wěn)定的關(guān)系，以保證既定真空度的維持，升華值一般要求小于10%。根據(jù)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(tǒng)中，橡膠密封件對(duì)真空系統(tǒng)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(xiàng)相對(duì)成熟的技術(shù)，在真空密封中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

從原理上講，磁性液體（有時(shí)也稱為磁性流體或鐵磁性液體）是經(jīng)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(dòng)性和磁性。磁流體密封技術(shù)是利用磁流體對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)特性實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)我們將制作精良的磁液注入由高性能永磁體、具有良好導(dǎo)磁性能的極片和軸構(gòu)成的磁路間隙中，在磁場(chǎng)的作用下橡膠空氣彈簧 法蘭式，磁液就會(huì)形成縫隙里有幾種液體。環(huán)數(shù)等于設(shè)計(jì)的凸齒數(shù)。當(dāng)磁性液體受到壓力差時(shí)，它會(huì)在不均勻的磁場(chǎng)中輕微移動(dòng)，產(chǎn)生對(duì)抗壓差的磁力，從而達(dá)到新的平衡，起到密封作用。.

由于密封件內(nèi)部只有導(dǎo)磁磁體與液體接觸密封，磁流體密封具有以下優(yōu)點(diǎn)：

·嚴(yán)密性。酯基磁性液體可對(duì)介質(zhì)（大氣或惰性氣體）進(jìn)行嚴(yán)密、穩(wěn)定的動(dòng)、靜密封。

· 無(wú)法測(cè)量的泄漏率。泄漏基本上很難檢測(cè)，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(dāng)磁流體密封產(chǎn)生瞬時(shí)超壓擊穿時(shí)，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(dāng)高。

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

·良好的高速性能。磁性流體在旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)摩擦極小，功率損耗小，因此具有高速運(yùn)動(dòng)的潛力。

·低摩擦、低磨損、低發(fā)熱。在裝有軸承的密封件中，除了軸承在旋轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)械磨損小，內(nèi)部磁芯組件與轉(zhuǎn)軸不直接接觸，所以摩擦小，磨損小，發(fā)熱小，并且所需的操作功率小。

·良好的可修復(fù)性。在使用中，由于某些原因，磁流體密封失效。只要內(nèi)部元件功能正常，磁流體密封就可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修。

· 無(wú)方向性密封。如果需要改變承壓方向，對(duì)于磁流體密封，無(wú)需增加任何部件即可完成。

由于磁流體密封的諸多優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域已涉及晶體生長(zhǎng)設(shè)備、擴(kuò)散爐、真空釬焊爐、真空熱處理爐、鍍膜機(jī)等國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口真空設(shè)備。

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

從應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，可以有以下幾種： ①固定真空室中的各個(gè)部件；②真空密封或堵塞。這種真空膠固化后具有一定的強(qiáng)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(tǒng)或部件的泄漏。對(duì)于一般的真空泄漏，您可以直接應(yīng)用它們來(lái)阻止泄漏。膠水變硬后，可直接進(jìn)行檢漏或開始正常使用；③真空膠通過(guò)固化劑固化，

可以說(shuō)，對(duì)于一般的真空泄漏來(lái)說(shuō)，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(fā)展歷史比較長(zhǎng)，比橡膠密封件出現(xiàn)得更早。相對(duì)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(yīng)用受到一定限制。金屬密封彌補(bǔ)了橡膠密封的上述缺點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于超高真空環(huán)境。

原則上，金屬材料，如橡膠，具有一定的彈性和延展性。當(dāng)金屬密封圈受外壓發(fā)生彈性變形時(shí)，在彈性恢復(fù)力的作用下，密封圈有恢復(fù)原狀的趨勢(shì)。這種趨勢(shì)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(yuǎn)小于金屬銅2.5-3和鋁的莫氏硬度2-2.9，熔點(diǎn)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(shí)，在法蘭表面放置合適長(zhǎng)度的銦絲，使銦絲兩端重疊。不需要預(yù)先加工成標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)合。

法蘭銦絲密封

根據(jù)法蘭的大小，銦絲的直徑可以在1-2mm之間選擇。但因其熔點(diǎn)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(huán)境下常采用銦絲密封進(jìn)行真空密封。但是銦絲受壓后容易流動(dòng)，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(shù)，以防止銦絲流入真空室。

2全金屬快拆密封

與傳統(tǒng)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(tǒng)，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(gè)夾具組成。隨著法蘭直徑的增加，夾具的數(shù)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(duì)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(jié)省軸向空間，螺絲數(shù)量少，安裝快捷。常用于安裝空間小，需要快速安裝的場(chǎng)合。例如，高能加速器在剛關(guān)閉時(shí)就有一定劑量的輻射。為了保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)，并已廣泛應(yīng)用于多臺(tái)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(huán)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(shí)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(shù)，全金屬快拆密封往往由于軸向夾緊力不足，導(dǎo)致泄漏率小的問(wèn)題。

本節(jié)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(yōu)點(diǎn)，可用于狹小空間的安裝。在全金屬密封圈密封面外側(cè)增加銦絲，可以解決全金屬快拆問(wèn)題。密封件夾緊力不足導(dǎo)致漏氣問(wèn)題。結(jié)構(gòu)如下圖所示。

全金屬快拆與銦絲組合密封

這種密封結(jié)構(gòu)相當(dāng)于延長(zhǎng)了氣體泄漏路徑，大大降低了泄漏通道的電導(dǎo)。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(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)可靠性。

4 彈簧儲(chǔ)能密封

彈簧儲(chǔ)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(chǔ)能彈簧組成的壓力輔助密封裝置。

彈簧儲(chǔ)能密封圖

當(dāng)彈簧儲(chǔ)能密封圈安裝在密封槽內(nèi)時(shí)，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(bǔ)償材料磨損和配合部件的偏移或偏心。系統(tǒng)壓力還將幫助密封夾套積聚能量。通過(guò)彈簧力和系統(tǒng)壓力形成恒定持久的預(yù)緊力，達(dá)到有效密封。

彈簧儲(chǔ)能密封圈用于超高真空、核設(shè)備、航空航天、石油、低溫、化工、冶金、動(dòng)力機(jī)械、蒸汽容器等設(shè)備所用設(shè)備的密封。