Valg og anvendelse af tætningsringe i miljøer med høj temperatur, højt vakuum og stærke magnetfelter

Under krævende driftsforhold, der kræver temperaturer fra stuetemperatur op til 250 °C, tilstedeværelsen af ​​et magnetisk miljø og et ultrahøjt vakuum (typisk defineret som tryk under 10⁻⁷ Pa), er valget af passende tætningsringe altafgørende. Sådanne forhold findes almindeligvis i avancerede videnskabelige forskningsinstallationer (f.eks. partikelacceleratorer, fusionseksperimentelle enheder), udstyr til fremstilling af halvledere (f.eks. ætsemaskiner, ionimplanter) og fremdriftssystemer til luftfart.

Kerneudfordringer og forseglingskrav

For at opnå effektiv forsegling skal følgende kritiske krav samtidig opfyldes:

1. ​Højtemperaturmodstand:Materialet skal kunne modstå langvarig drift ved 250 °C og bevare elasticitet og tætningsevne uden nedbrydning eller blødgøring.
2. ​Lav udgasningshastighed:I miljøer med ultrahøjt vakuum skal materialets samlede udgasningshastighed være ekstremt lav (typisk <1×10⁻⁸ Pa・m³/s) for at undgå frigivelse af flygtige stoffer, der kan forurene vakuummet.
3. ​Magnetisk interferensmodstand/kompatibilitet:I magnetiske miljøer skal selve tætningsringens materiale være ikke-magnetisk eller ikke forstyrre magnetfeltet, hvilket normalt kræver brug af ikke-ferromagnetiske materialer.
4. ​Strålingsmodstand (hvis relevant):Hvis der er ioniserende stråling til stede (f.eks. i nogle forsøgsopstillinger), skal materialet modstå strålingsskader.
5. ​Mekaniske egenskaber:Tilstrækkelig elastisk genvindingsgrad (typisk kræver over 80%) og modstand mod kompressionsdeformation er afgørende for at håndtere systemtryksudsving og termiske cyklusser.

Egnede tætningsringstyper og materialer

Baseret på søgeresultaterne er følgende tætningsringstyper og -materialer foretrukne løsninger til disse forhold:

1. Metalforseglinger

Metaltætninger betragtes som guldstandarden for ultrahøjvakuummiljøer og opfylder perfekt kravene til lav afgasning, højtemperaturresistens og magnetisk kompatibilitet.

• ​Materialevalg:​
  • ​Iltfri kobber:Dette er det mest almindelige valg. Det udviser fremragende plastisk deformationsevne og opnår tætning ved plastisk at flyde under kompression for at udfylde mindre ufuldkommenheder på flangeoverflader. Det er ikke-magnetisk, tilbyder overlegen højtemperaturresistens og kan modstå højtemperaturbagning (ofte langt over 250 °C) for at accelerere udgasning og opnå højere vakuumniveauer, hvilket gør det til det primære valg til udbredt anvendelse.
  • ​Ren aluminium:Også ikke-magnetisk og relativt billig. Det er blødere og lettere at forme og forsegle, men dets mekaniske styrke ved højere temperaturer kan være ringere end iltfrit kobber.
  • ​Sølv / Guld:Disse metaller tilbyder enestående ydeevne og ekstremt lave afgasningsrater. Deres meget høje pris begrænser dog typisk deres anvendelse til særlige eller ekstreme forskningsanvendelser.
• ​Almindelige konfigurationer:​
  • ​Konflatflange (CF) tætning:Anvender en iltfri kobberpakning parret med en knivsægflange af rustfrit stål. Under boltforspænding deformeres kobberpakningen plastisk og bider sig fast i knivsæggen, hvilket danner en statisk tætning med ekstremt høj integritet. Dette er en standardkonfiguration i ultrahøjvakuumsystemer.
  • ​Fjederaktiverede tætninger (f.eks. Helicoflex):Består af en metalkappe (f.eks. iltfri kobber, sølv, rustfrit stål) og en indvendig fjeder. Fjederen yder en kontinuerlig kompenserende kraft, der muliggør tilpasning til termisk udvidelse/kontraktion og mindre deformationer i systemet, hvilket resulterer i meget høj tætningspålidelighed. De er særligt velegnede til applikationer med temperaturcyklusser eller vibrationer.

2. Perfluorelastomer (FFKM)

Hvis systemdesignet er mere egnet til elastomere tætninger eller kræver større installationskomfort, repræsenterer perfluorelastomer (FFKM) det bedste valg blandt polymermaterialer, omend til en meget høj pris.

• ​Karakteristika:Det kan betragtes som den ultimative version af fluorcarbongummi. Da næsten alle hydrogenatomer i molekylet er erstattet af fluoratomer, har FFKM fremragende højtemperaturresistens (kan modstå over 300 °C) og en forbløffende kemisk resistens, der er i stand til at modstå de fleste barske kemiske medier og plasma.
• ​Vakuumydelse:FFKM-tætningsringe, der er fremstillet gennem en speciel formulering og rene processer, udviser ekstremt lave afgasningshastigheder og ekstraherbart indhold og opfylder de strenge krav til halvleder- og ultrahøjvakuumudstyr.
• ​Magnetiske egenskaber:Elastomere materialer er generelt ikke-magnetiske og vil ikke forstyrre magnetfelter.
• ​Anvendelser:Almindeligt anvendt i vakuumkamre og ætsende gastilførselssystemer i halvlederlitografi- og ætsemaskiner, samt til oxidationsforsegling i luftfartsmotorer.

3. Fluorcarbongummi (FKM/Viton)

Fluorcarbongummi er et almindeligt anvendt elastomert tætningsmateriale til vakuummiljøer med høj temperatur, hvilket repræsenterer en balance mellem ydeevne og pris.

• ​Karakteristika:Den tilbyder god modstandsdygtighed over for høje temperaturer (typisk -20~250 °C), oliebestandighed og modstandsdygtighed over for de fleste kemikalier.
• ​Vakuumydelse:Udgasningshastigheden for standard FKM er højere end for metaller og FFKM. Det er generelt egnet til miljøer med højt vakuum (10⁻⁴ ~ 10⁻⁷ Pa). Til applikationer med ultrahøjt vakuum skal der vælges produkter med en formulering med lav udgasningshastighed, og højtemperaturbagning til afgasning kan være nødvendig (der skal være opmærksom på den maksimale bagetemperaturgrænse).
• ​Magnetiske egenskaber:Ikke-magnetisk.
• ​Bemærk:Den er ikke modstandsdygtig over for stærke alkalier, ketoner og visse esteropløsningsmidler.

​Sammenligning af nøgleegenskaber:De primære tætningsmuligheder, der diskuteres – iltfri kobbermetalpakninger, perfluorelastomer (FFKM) og fluorcarbongummi (FKM) – adskiller sig betydeligt i deres vigtigste egenskaber. Iltfri kobberpakninger modstår temperaturer over 400 °C og udviser ekstremt lav afgasning, hvilket gør dem ideelle til ultrahøjvakuumapplikationer (<10⁻⁷ Pa). De er ikke-magnetiske og tilbyder god strålingsmodstand, men deres elasticitet og kompensation er afhængig af plastisk deformation eller interne fjedre. Deres relative pris er høj. Perfluorelastomer (FFKM) pakninger kan fungere op til ca. 320 °C. Med ekstremt lav afgasning (kræver rene versioner) er de også velegnede til ultrahøjvakuum (<10⁻⁷ Pa), er ikke-magnetiske, tilbyder god strålingsmodstand og har fremragende iboende elasticitet og kompensationsevne. Deres relative pris er dog meget høj og potentielt overstiger ti gange så høj som FKM. Fluorocarbongummi (FKM) pakninger har en lavere maksimal driftstemperatur på omkring 250 °C. De udviser en middel udgasningshastighed (hvilket kræver formuleringer med lav udgasningshastighed) og er egnede til højvakuum (~10⁻⁴ – 10⁻⁷ Pa). Selvom de også er ikke-magnetiske og tilbyder forholdsvis god strålingsmodstand, er deres elasticitet god, og de repræsenterer en mellemprismulighed.

Anbefalinger til udvælgelse og brug

1. ​Prioritetsvalg:​
   • Til rene, yderst krævende ultrahøjvakuumsystemer (f.eks. partikelacceleratorer, rummiljøsimuleringskamre),metalpakninger (iltfri kobber)er deforetrukne og mest pålideligeløsning.
   • Til ultrahøjvakuummiljøer, der også involvererætsende medier(f.eks. halvlederætsningsgasser) eller kræverbedre elasticitet og nemmere installation, ​Perfluorelastomer (FFKM)er det højtydende elastomere valg, men det skal bekræftes som etultrahøj støvsugerkvalitetprodukt.
   • Hvis vakuumkravet er en smule lavere (f.eks. højvakuum), og temperaturområdet er inden for 250°C,Fluorcarbongummi (FKM)er enøkonomisk og praktiskvalg.
2. ​Design og installationsnøglepunkter:​
   • ​Overfladekvalitet:Denoverfladeruhed (Ra)Tætningsoverfladen er afgørende. For metaltætninger kræves typisk en Ra ≤ 0,8 μm eller endnu lavere. For elastomere tætninger hjælper en højere finish (Ra ≤ 0,4 μm) med at reducere slid og potentielle lækagepunkter.
   • ​Kompressionsforholdskontrol:DenkompressionsforholdTætningsringens tykkelse skal kontrolleres nøje under installationen. Overkomprimering kan forårsage permanent deformation eller skade, mens utilstrækkelig komprimering fører til lækage.
   • ​Ensartet stramning:Ansæt ensymmetrisk, flerbolts tilspændingssekvensfor at sikre jævn kraftfordeling på flangen og forhindre vridning eller deformation af tætningsfladen.
   • ​Bagning:Ultrahøjvakuumsystemer kræver ofte bagning. Bekræft altid, at det valgte tætningsringsmateriale kanmodstå systemets bagetemperatur.

Oversigt

Under betingelserne forstuetemperatur til 250°C, tilstedeværelse af et magnetfelt og krav om ultrahøjt vakuum, ​iltfri kobbermetalpakninger(især i Conflat-flange- eller fjederaktiverede konfigurationer) betragtes typisk som den mest pålidelige og primære tekniske løsning på grund af deresekstremt lav udgasningshastighed, fremragende højtemperaturresistens og ikke-magnetiske egenskaberHvis elastomerer er nødvendige på grund af systemdesign eller behovet for at håndtere korrosive medier, såPerfluorelastomer (FFKM)er det eneste elastomere materiale, der samtidig kan opfylde disse ekstreme krav, men man skal være forberedt på dets høje omkostninger.

Det endelige valg bør baseres på en omfattende afvejning, der tager højde forspecifikke vakuumniveauindikatorer, budget, systemstruktur og krav til vedligeholdelse og pålidelighedI alle tilfælde bør teknisk rådgivning og support fra professionelle leverandører af tætningskomponenter prioriteres.