【康沃真空網(wǎng)】我們都知道，真空的獲得與良好的密封是分不開的。真空密封技術(shù)是保證系統(tǒng)真空度的重要手段。常見的真空密封技術(shù)有橡膠密封、磁流體密封、粘膠劑密封和金屬密封，等等。下面就讓我們一起來了解一下這些密封手段及其特點(diǎn)。
真空橡膠密封
19世紀(jì)中期，出現(xiàn)了第一個(gè)O形圈。到今天，僅僅過了一百多年的時(shí)間，但是，O形圈結(jié)構(gòu)簡單、裝卸方便、密封可靠、動摩擦阻力小、無需周期調(diào)整，所以得到了全面發(fā)展，廣泛應(yīng)用于各種真空系統(tǒng)的密封上。
應(yīng)用于真空系統(tǒng)比較多的有兩類橡膠：由天然乳膠制成的硫化橡膠、合成橡膠（包括丁基、氯基、丁晴橡膠），以及硅酮橡膠、氟橡膠等。
解決真空橡膠密封，除了要有正確的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之外，合理選擇密封材料也是關(guān)鍵。影響真空密封的幾個(gè)主要因素有：橡膠的耐熱性、耐壓縮變形性、漏氣率、氣透性、出氣率，以及升華（失重）等。
耐熱性。在真空系統(tǒng)中，常常要對系統(tǒng)或元件進(jìn)行去氣，一般通過烘烤來完成，這樣對橡膠密封件要求有一定的耐熱性，以保證烘烤去氣的順利進(jìn)行。一般烘烤溫度在120℃以下和10-5Pa的真空度下，可以采用丁基或丁晴橡膠；如果要求更高的烘烤溫度，并且在超高真空環(huán)境中工作，則需采用氟橡膠。
耐壓縮變形性。在真空系統(tǒng)中，大量的真空密封件，都處于壓縮狀態(tài)下工作。為了使密封件具備密封的可靠性，同時(shí)保持一定的密封壽命，真空密封橡膠應(yīng)具有較小的壓縮變形值（最好小于35%），同時(shí)要求具有比較緩慢的壓縮應(yīng)力松弛程度（即壓縮應(yīng)力松弛系數(shù)較大），這樣才能保證真空密封件具有較高的工作壽命。
漏氣率。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算，在真空系統(tǒng)中，當(dāng)真空泵的抽氣速率為8000L/s時(shí)，要維持5×10-7Pa的真空度，橡膠的漏氣率不得大于5.25×10-3Pa·cm3/s。下表1是各種橡膠的漏氣率。
表1 各種橡膠的漏氣率
氣透性。不同橡膠在不同溫度下，對空氣的氣透性不同，這是由它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。丁晴橡膠由于有甲基基團(tuán)，所以氣透性低；又由于丁晴橡膠有晴基的極性基團(tuán)，所以它對非極性氣體滲透性低。因此，丁晴橡膠的丙烯晴含量越高，其氣透性越低。值得一提的是，溫度對橡膠的氣透性影響很大，溫度越高，氣透性越大。另外，不同氣體在不同橡膠中的氣透性也不一樣。在同一氣體中，氣透性的大小順序依次為：天然橡膠＞丁苯膠＞丁晴膠＞氯丁膠＞丁基膠。下表2是各種橡膠對不同氣體的氣透性。
表2 各種橡膠對不同氣體的氣透性
出氣率。橡膠出氣率的定義為：在一定溫度下，單位時(shí)間內(nèi)橡膠單位面積上的出氣量。真空密封中一般要求在10-4~10-5Pa·L/s。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照出氣率的大小，可以對各種橡膠作如下排列：氯醇橡膠＞乙烯基硅橡膠＞天然橡膠＞丁晴橡膠＞氯丁橡膠＞氟橡膠。
橡膠的升華（失重）。橡膠在一定的真空度和溫度下的失重叫升華。在真空密封中，要求密封材料的升華值要小。為了使橡膠密封件在相應(yīng)的真空系統(tǒng)中能有一個(gè)相對穩(wěn)定的關(guān)系，以保證維持既定的真空度，一般要求升華值小于10%。按照真空升華值的大小，可以對各種橡膠作如下排列：天然橡膠＞丁晴橡膠＞氯丁橡膠＞氯醇橡膠＞乙烯硅橡膠＞氟橡膠。表3是各種橡膠在真空中的失重情況。
表3 各種橡膠在真空中的失重
在高真空系統(tǒng)中，橡膠密封元件對真空系統(tǒng)極限壓力的主要影響因素是材料的漏氣率和出氣率。
磁流體密封
磁流體是20世紀(jì)60年代問世的。磁流體密封是比較成熟的技術(shù)，在真空密封方面發(fā)揮著越來越大的作用。
從原理上來講，磁性液體（有時(shí)也叫做磁性流體或鐵磁性液體）是由磁性納米顆粒，經(jīng)過特殊處理，均勻分散到液體當(dāng)中與其混合而成的一種固液相混的膠狀液體。它既有液體的流動性，又具有磁性。磁性液體密封技術(shù)，就是利用磁性液體對磁場的響應(yīng)特征而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)我們把制作精良的磁性液體注入到由高性能的永久磁鐵、導(dǎo)磁良好的極靴、軸構(gòu)成的磁回路的間隙中，在磁場的作用下，磁液在間隙中會形成數(shù)個(gè)液體O形圈，其數(shù)量與設(shè)計(jì)的凸牙個(gè)數(shù)相等，當(dāng)磁性液體受到壓差作用時(shí)，它會在非均勻磁場中略微移動，產(chǎn)生對抗壓差的磁力，從而達(dá)到新的平衡，起到了密封作用。
由于在密封件內(nèi)部只有導(dǎo)磁體與液體的接觸密封，所以磁流體密封具有以下優(yōu)點(diǎn)：
嚴(yán)密的密封性。酯基磁性液體能夠?qū)橘|(zhì)（大氣或惰性氣體）進(jìn)行嚴(yán)密的、穩(wěn)定的動密封和靜密封。
不可測量的泄漏率?；旧虾茈y檢出泄漏，所以人們通常稱磁流體密封為“零泄漏”。
可靠性高。磁流體密封件在正壓情況下，產(chǎn)生瞬時(shí)過壓擊穿時(shí)，一旦壓力降低到密封可以承受的程度，密封效果依然能保持，使用可靠性相當(dāng)高。
基本無污染。由于密封件本身不存在機(jī)械磨損，磁性液體飽和蒸氣壓極低，因而即使在高真空狀態(tài)下使用，也不會產(chǎn)生污染。
高速性能好。磁性液體在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，內(nèi)摩擦力極小，功率損耗小，因而具有高速運(yùn)動的潛力。
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)過程中的機(jī)械磨損小，內(nèi)部磁芯組件和轉(zhuǎn)軸不直接接觸，所以摩擦低、磨損小、發(fā)熱小，所需的運(yùn)轉(zhuǎn)動力小。
良好的修復(fù)性。在使用當(dāng)中，因?yàn)槟承┰蛟斐纱帕黧w密封失效，只要內(nèi)部元件功能正常，一般在現(xiàn)場用較短的時(shí)間，即可修復(fù)磁流體密封件。
無方向性密封。如果需要改變承壓方向，對于磁流體密封件來說，無需增加任何元件即能完成。
由于磁流體密封具有諸多優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用的領(lǐng)域已經(jīng)涉及到國產(chǎn)和進(jìn)口的晶體生長設(shè)備、擴(kuò)散爐、真空釬焊爐、真空熱處理爐及鍍膜機(jī)等真空設(shè)備。
粘膠劑密封
1985年，中科院化學(xué)所和中科院電子所研制了一種有機(jī)硅高真空微孔密封劑，并且轉(zhuǎn)讓給南昌靜電復(fù)印廠試生產(chǎn)。這種密封劑是無色透明、低粘度的液體，對金屬、陶瓷、玻璃和塑料都有很強(qiáng)的的浸潤性，用它來密封高真空器件和高真空系統(tǒng)出現(xiàn)的微漏孔，效果很好，使用溫度范圍在350℃~-196℃。
現(xiàn)如今，密封膠也逐漸流行起來了。以安捷倫真空的Torr Seal密封膠為例，可能很多人都聽過甚至用過這種真空膠。這種密封膠能粘合金屬、陶瓷、玻璃等多種材料，密封性良好，，固化后的放氣率極低，可以在1×10-9mbar甚至更低壓力的超高真空環(huán)境下使用，所以Torr Seal也被稱作“超高真空密封膠”。
從原理上來講，Torr Seal密封膠是一種環(huán)氧樹脂膠，跟普通的AB膠很類似，含有兩種組分，都是膏狀，它們混合后就會開始緩慢固化，從而實(shí)現(xiàn)粘結(jié)或密封的效果。
從應(yīng)用場景上來看，可以有如下幾種：
在真空腔體內(nèi)粘結(jié)固定各種零件；
真空密封或堵漏，這種真空膠固化后具有一定的強(qiáng)度，可以用于螺紋處的真空密封，玻璃、陶瓷與金屬之間的鏈接和真空密封，饋通件/航空插頭的電極與法蘭之間的密封，X射線管、激光管等各種真空管的鏈接與真空密封，真空管與法蘭的連接和密封；此外，它還能快速封堵各種真空系統(tǒng)或部件的漏孔，對于一般的真空泄漏，直接涂上就能堵漏，膠變硬后就能直接進(jìn)行檢漏工作或開始正常使用；
真空膠使用固化劑固化，沒有刺激性氣味和甲醛等揮發(fā)物，所以，它還可以用于對氣味要求比較高的非真空應(yīng)用。
可以說，對于一般的真空泄漏而言，粘膠劑密封法密封和堵漏顯得非常方便，哪怕是超高真空也不怕，而且還能在有些部件之間起到連接的作用。
金屬密封
金屬密封的發(fā)展歷史比較長，比橡膠密封出現(xiàn)得更早。相對而言，橡膠具有較大的出氣率和滲透率，并且不能高溫烘烤，又不耐輻射，應(yīng)用受到一定限制。而金屬密封則彌補(bǔ)了橡膠密封的以上缺點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于超高真空環(huán)境。
從原理上來說，金屬材料和橡膠一樣，都具有一定的彈性和延展性。在金屬密封圈受到外界壓力而發(fā)生彈性變形時(shí)，在彈性恢復(fù)力的作用下，密封圈具有恢復(fù)原始形狀的趨向，這種趨向填補(bǔ)了密封面的縫隙，從而起到密封作用。
下面介紹幾種經(jīng)常應(yīng)用于超高真空的金屬密封方法。
1金屬銦絲密封
金屬銦的莫氏硬度只有1.2，遠(yuǎn)小于金屬銅2.5-3以及鋁2-2.9的莫氏硬度，熔點(diǎn)為156.6℃。較好的延展性使其非常有利于真空密封連接，在密封時(shí)將一段適合長度的銦絲布在法蘭表面，銦絲兩端搭接即可，不需要事先加工成標(biāo)準(zhǔn)的密封圈。所以常應(yīng)用于法蘭尺寸較大，其它金屬密封圈不易加工的場合。
法蘭銦絲密封
根據(jù)法蘭尺寸大小，銦絲直徑可選取為1~2mm之間值。但因其熔點(diǎn)較低，烘烤溫度不能高于150℃。并且金屬銦具有很好的低溫性能，銦絲密封常常應(yīng)用于低溫環(huán)境真空密封。但是銦絲被壓后容易流動，所以法蘭需要做成臺階或者凹槽型，如圖2所示，防止銦絲流入真空室。
2全金屬快卸密封
相對于常規(guī)螺栓緊固法蘭需要多套螺栓，卡箍只有兩個(gè)螺釘緊固，可以較快速地完成安裝，所以稱為快卸卡箍。全金屬快卸式密封主要由快卸卡箍，平面法蘭，密封圈組成密封系統(tǒng)，如下圖所示。
全金屬快卸式密封
快卸卡箍的軸向夾緊力較小，一般采用純鋁作為密封圈的材料，為降低卡箍的變形量，卡箍采用剛度較大的不銹鋼材料。快卸卡箍由多瓣夾具組成，隨著法蘭口徑增大，夾具數(shù)量隨之增加。并且隨著法蘭口徑增大，同樣螺釘緊固力的情況下，卡箍作用于軸向的夾緊力變小。因此，對于標(biāo)稱口徑小于φ160的法蘭，全金屬快卸密封的密封性能較好。
全金屬快卸密封不需要軸向螺釘固定，所以大大節(jié)省了軸向空間，并且螺釘數(shù)量小，安裝較快的特點(diǎn)，常應(yīng)用于安裝空間狹小，又需要快速安裝的場合。例如高能加速器，在剛剛停機(jī)后存在一定劑量的輻射，為保護(hù)工作人員人身安全，需要快速完成安裝。全金屬快卸式密封在中國科學(xué)院高能物理研究所形成了所內(nèi)的試用標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)較為廣泛地應(yīng)用于多臺加速器的真空密封連接。
3全金屬快卸與銦絲組合式密封
銦絲密封法蘭為了在安裝前能夠更好地安裝銦絲，常需要在法蘭上做出一個(gè)肩環(huán)或凹槽，如上圖所示。并且，由于銦絲較軟，在安裝時(shí)需要較大的操作空間，全金屬快卸密封常常由于軸向夾緊力不足，導(dǎo)致容易出現(xiàn)小漏率的問題。
本節(jié)所講的組合式密封，繼承了銦絲較軟以及全金屬快卸密封可以應(yīng)用于狹小空間安裝的優(yōu)點(diǎn)，在全金屬密封圈的密封面外側(cè)加裝銦絲，可解決全金屬快卸密封夾緊力不足而導(dǎo)致漏氣的問題，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。
全金屬快卸與銦絲組合式密封
這種密封結(jié)構(gòu)相當(dāng)于延長了氣體泄漏的路徑，大大降低了泄漏通道流導(dǎo)。并且，銦絲處于金屬密封圈外側(cè)，這樣可降低因高溫導(dǎo)致銦絲熔化流入真空室的風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)可靠性。
4彈簧蓄能Helicoflex密封
彈簧蓄能密封圈（SpringEnergized Seal）即Helicoflex，是一個(gè)由金屬鋁、銅、銀、不銹鋼或其他聚合材料夾套及蓄能彈簧組合而成的壓力輔助密封裝置，如下圖所示。
彈簧蓄能密封圖
當(dāng)彈簧蓄能密封圈裝在密封溝槽內(nèi)彈簧受壓，促使夾套密封面緊貼密封溝槽，由此形成密封。彈簧給密封夾套提供彈力，并彌補(bǔ)材料磨損及配合零件的偏移或偏心，系統(tǒng)壓力也會輔助密封夾套蓄能，通過彈簧彈力和系統(tǒng)壓力形成一個(gè)恒定持久的預(yù)緊力，從而實(shí)現(xiàn)有效密封。
彈簧蓄能密封圈用于密封應(yīng)用于超高真空、核裝置、航空航天、石油、低溫、化工、冶金、動力機(jī)械、蒸汽容器等設(shè)備上。
