第十一講:真空材料（3）
第十一講：真空材料
張以忱(東北大學，遼寧沈陽110006) 中圖分類號：TB743；TB79 文獻標識碼：E 文章編號：1002-0322(2002)05-0064-03
4.3塑料
4.3.1氟塑料(聚四氟乙烯) 氟塑料(聚四氟乙烯)俗稱塑料王，其商品名稱是Teflon，是四氟乙烯的聚合物，為白色或灰白色的物質(zhì)。它是在高壓下由三氯甲烷與氫氟酸聚合制成四氟乙烯(粉末)，在370℃時，將得到的四氟乙烯粉末裝模、燒結，產(chǎn)生一種堅韌的、非熱塑性和非多孔性的樹脂。聚四氟乙烯雖然大多是結晶體，但卻沒有熔點。它的塑性隨溫度升高而增加，而機械性能則急劇變壞。而且在高于327℃時，轉(zhuǎn)變?yōu)榉橇鲃訜o定形的膠狀物。在高于400℃時，聚四氟乙烯分解，放出有毒的揮發(fā)性氟化物氣體。它的低溫性能也很好，溫度低于-80℃時仍能保持其韌性。 表23給出了聚四氟乙烯的某些性質(zhì)。 由于聚四氟乙烯的結構是致密的，因此它有優(yōu)良的真空性能。它的滲透率很低，它在室溫下的蒸氣壓和放氣率都很低，比橡膠和其它塑料都要好。其25℃時的蒸氣壓為10-4Pa，350℃時為4×10-3Pa。 聚四氟乙烯與其本身或與鋼之間的摩擦系數(shù)很低，對鋼的摩擦系數(shù)為0.02～0.1，可用作無油軸承材料，也可用于真空動密封，但必須保證有良好的導熱性(或用改性氟塑料)，以避免因摩擦過熱而損壞。
表23聚四乙烯性質(zhì) 性質(zhì) 溫度(℃)或成形 數(shù)值 單位 結構密度工作溫度比熱熱導率線熱膨脹系數(shù)抗拉硬度楊氏模量電阻率電擊穿強度電介質(zhì)常數(shù)永久變形用環(huán)作試驗區(qū) ≤327℃＞327℃＞400℃90℃60~108Hz(55×75×2)20℃100℃ 結晶體無定形膠狀物分解2.1~2.2-80~2500.256×10-41500×10-7140~3504300~5200＞1019202用1.96×107Pa力212 g·cm-3℃cal·g-1·℃-1cal·cm-1·s-1·℃-1℃-1kg·mm-2kg·mm-2Ω·cm持續(xù)24h%% 聚四氟乙烯的彈性和壓縮性不如橡膠，而且在高負荷時趨于流動，甚至破裂。當加載高于3 MPa時，產(chǎn)生殘余變形，加載到20 MPa左右時，會被壓碎。因此聚四氟乙烯一般只用作帶槽法蘭的墊片材料，而且負荷不超過3.5 MPa。用于靜密封的結構形式如圖6所示。 聚四氟乙烯具有良好的電絕緣性能。它的電阻率極高，電介質(zhì)損耗很低，由于聚四氟乙烯不吸附和不吸收水蒸氣(不吸水也不被水浸潤)，因此即使在100％的相對濕度下，表面電阻率仍很高。這一特性及其抗飛弧性，使得聚四氟乙烯特別適用于各種需要絕緣的場合。 聚四氟乙烯的化學性質(zhì)十分穩(wěn)定，這一點優(yōu)于任何其它的彈性塑料材料。它與所有已知的酸和堿(包括三大強酸和氫氟酸)都不發(fā)生反應。聚四氟乙烯不會受潮，也不溶解于任何已知的溶劑(但能溶解于熔融的堿金屬)。聚四氟乙烯不可燃、無毒，只有當加熱溫度高于400℃時能放出有毒氣體。由于聚四氟乙烯的性質(zhì)不活潑，因此只能采用特殊的方法對它粘接。在粘接時應注意粘接劑的z*高工作溫度。 聚四氟乙烯能用普通的刀具進行高速切削加工。在聚四氟乙烯燒結成形時加入不同的添料(如石墨、玻璃纖維、銅粉等)，可得到改性聚四氟乙烯，主要是改善其機械性能和熱學性能。 在真空技術中，聚四氟乙烯可用作密封墊片、永久或移動的引入裝置的密封、絕緣元件和低摩擦的運動元件等。聚四氟乙烯的應用溫度范圍為-50～200℃，其z*高工作溫度可達到250℃。
4.3.2聚乙烯和聚丙烯 聚乙烯和聚丙烯分別是乙烯和丙烯的熱塑高分子聚合物．它們的特點是：性能穩(wěn)定，在室溫下幾乎不受化學腐蝕。只是在溫度較高時，才會受到氣體或酸的氧化。但是在紫外線的照射下會增加這種氧化效應。鹵素或有機酸能夠擴散透過這些熱塑材料或者被它們吸收，而且一些碳氫化合物(如四氯化碳和三氯乙烯)能夠引起它們鼓脹。所以，盡管聚乙烯和聚丙烯的蒸氣壓在10-7Pa范圍內(nèi)，但是由于它們的強度和工作溫度的限制，使得這些材料在真空技術中的應用受到很大的限制。
4.3.3尼龍 尼龍是一種熱塑性聚合物．尼龍的轉(zhuǎn)化點很明顯(大約230℃)。當溫度高于轉(zhuǎn)化點時，尼龍失去剛性，能象油一樣地流動。因此尼龍應在低于100℃以下使用。在這個范圍內(nèi)，尼龍具有良好的機械加工性能、良好的強度和韌性、較低的蒸氣壓、很強的耐酸、油、大多數(shù)溶劑以及其它化學物品的能力。4.3.4酚醛塑料 是一種熱固性塑料。由于其蒸氣壓很高，一般只能在粗真空和低真空范圍內(nèi)使用。4.3.5有機玻璃 有機玻璃的成分為丙烯酸。它是一種重量輕、透明、易于機械加工和模鑄的熱塑性塑料。有機玻璃吸水少、電介質(zhì)強度高、絕緣、不發(fā)生化學反應。經(jīng)適當烘烤之后，它的蒸氣壓可達到5×l0-5Pa。
4.4碳(石墨)及碳纖維制品
4.4.1碳(石墨) 真空技術中常用的碳是人工石墨。表24給出了碳的某些性質(zhì)。碳的熔點高、蒸氣壓低、熱導率高、導電性好、電子發(fā)射的逸出功高、熱發(fā)射率高、化學性質(zhì)穩(wěn)定、剛度大、吸氣性好和價格便宜。因而石墨可用作真空爐的加熱器、鍍膜及熔煉用的坩堝(缺點是熔融物會產(chǎn)生碳污染)、金屬鍍膜中的熱屏蔽罩以及電弧焊(爐)中的電極。碳還可以用于提高熱發(fā)射率，同時抑制了二次電子的發(fā)射，如鎳涂覆碳。碳的主要缺點是強度低、含氣量大，去氣困難、機械加工性差、焊接困難。
4.3塑料
4.3.1氟塑料(聚四氟乙烯) 氟塑料(聚四氟乙烯)俗稱塑料王，其商品名稱是Teflon，是四氟乙烯的聚合物，為白色或灰白色的物質(zhì)。它是在高壓下由三氯甲烷與氫氟酸聚合制成四氟乙烯(粉末)，在370℃時，將得到的四氟乙烯粉末裝模、燒結，產(chǎn)生一種堅韌的、非熱塑性和非多孔性的樹脂。聚四氟乙烯雖然大多是結晶體，但卻沒有熔點。它的塑性隨溫度升高而增加，而機械性能則急劇變壞。而且在高于327℃時，轉(zhuǎn)變?yōu)榉橇鲃訜o定形的膠狀物。在高于400℃時，聚四氟乙烯分解，放出有毒的揮發(fā)性氟化物氣體。它的低溫性能也很好，溫度低于-80℃時仍能保持其韌性。 表23給出了聚四氟乙烯的某些性質(zhì)。 由于聚四氟乙烯的結構是致密的，因此它有優(yōu)良的真空性能。它的滲透率很低，它在室溫下的蒸氣壓和放氣率都很低，比橡膠和其它塑料都要好。其25℃時的蒸氣壓為10-4Pa，350℃時為4×10-3Pa。 聚四氟乙烯與其本身或與鋼之間的摩擦系數(shù)很低，對鋼的摩擦系數(shù)為0.02～0.1，可用作無油軸承材料，也可用于真空動密封，但必須保證有良好的導熱性(或用改性氟塑料)，以避免因摩擦過熱而損壞。
表23聚四乙烯性質(zhì) 性質(zhì) 溫度(℃)或成形 數(shù)值 單位 結構密度工作溫度比熱熱導率線熱膨脹系數(shù)抗拉硬度楊氏模量電阻率電擊穿強度電介質(zhì)常數(shù)永久變形用環(huán)作試驗區(qū) ≤327℃＞327℃＞400℃90℃60~108Hz(55×75×2)20℃100℃ 結晶體無定形膠狀物分解2.1~2.2-80~2500.256×10-41500×10-7140~3504300~5200＞1019202用1.96×107Pa力212 g·cm-3℃cal·g-1·℃-1cal·cm-1·s-1·℃-1℃-1kg·mm-2kg·mm-2Ω·cm持續(xù)24h%% 聚四氟乙烯的彈性和壓縮性不如橡膠，而且在高負荷時趨于流動，甚至破裂。當加載高于3 MPa時，產(chǎn)生殘余變形，加載到20 MPa左右時，會被壓碎。因此聚四氟乙烯一般只用作帶槽法蘭的墊片材料，而且負荷不超過3.5 MPa。用于靜密封的結構形式如圖6所示。 聚四氟乙烯具有良好的電絕緣性能。它的電阻率極高，電介質(zhì)損耗很低，由于聚四氟乙烯不吸附和不吸收水蒸氣(不吸水也不被水浸潤)，因此即使在100％的相對濕度下，表面電阻率仍很高。這一特性及其抗飛弧性，使得聚四氟乙烯特別適用于各種需要絕緣的場合。 聚四氟乙烯的化學性質(zhì)十分穩(wěn)定，這一點優(yōu)于任何其它的彈性塑料材料。它與所有已知的酸和堿(包括三大強酸和氫氟酸)都不發(fā)生反應。聚四氟乙烯不會受潮，也不溶解于任何已知的溶劑(但能溶解于熔融的堿金屬)。聚四氟乙烯不可燃、無毒，只有當加熱溫度高于400℃時能放出有毒氣體。由于聚四氟乙烯的性質(zhì)不活潑，因此只能采用特殊的方法對它粘接。在粘接時應注意粘接劑的z*高工作溫度。 聚四氟乙烯能用普通的刀具進行高速切削加工。在聚四氟乙烯燒結成形時加入不同的添料(如石墨、玻璃纖維、銅粉等)，可得到改性聚四氟乙烯，主要是改善其機械性能和熱學性能。 在真空技術中，聚四氟乙烯可用作密封墊片、永久或移動的引入裝置的密封、絕緣元件和低摩擦的運動元件等。聚四氟乙烯的應用溫度范圍為-50～200℃，其z*高工作溫度可達到250℃。
4.3.2聚乙烯和聚丙烯 聚乙烯和聚丙烯分別是乙烯和丙烯的熱塑高分子聚合物．它們的特點是：性能穩(wěn)定，在室溫下幾乎不受化學腐蝕。只是在溫度較高時，才會受到氣體或酸的氧化。但是在紫外線的照射下會增加這種氧化效應。鹵素或有機酸能夠擴散透過這些熱塑材料或者被它們吸收，而且一些碳氫化合物(如四氯化碳和三氯乙烯)能夠引起它們鼓脹。所以，盡管聚乙烯和聚丙烯的蒸氣壓在10-7Pa范圍內(nèi)，但是由于它們的強度和工作溫度的限制，使得這些材料在真空技術中的應用受到很大的限制。
4.3.3尼龍 尼龍是一種熱塑性聚合物．尼龍的轉(zhuǎn)化點很明顯(大約230℃)。當溫度高于轉(zhuǎn)化點時，尼龍失去剛性，能象油一樣地流動。因此尼龍應在低于100℃以下使用。在這個范圍內(nèi)，尼龍具有良好的機械加工性能、良好的強度和韌性、較低的蒸氣壓、很強的耐酸、油、大多數(shù)溶劑以及其它化學物品的能力。4.3.4酚醛塑料 是一種熱固性塑料。由于其蒸氣壓很高，一般只能在粗真空和低真空范圍內(nèi)使用。4.3.5有機玻璃 有機玻璃的成分為丙烯酸。它是一種重量輕、透明、易于機械加工和模鑄的熱塑性塑料。有機玻璃吸水少、電介質(zhì)強度高、絕緣、不發(fā)生化學反應。經(jīng)適當烘烤之后，它的蒸氣壓可達到5×l0-5Pa。
4.4碳(石墨)及碳纖維制品
4.4.1碳(石墨) 真空技術中常用的碳是人工石墨。表24給出了碳的某些性質(zhì)。碳的熔點高、蒸氣壓低、熱導率高、導電性好、電子發(fā)射的逸出功高、熱發(fā)射率高、化學性質(zhì)穩(wěn)定、剛度大、吸氣性好和價格便宜。因而石墨可用作真空爐的加熱器、鍍膜及熔煉用的坩堝(缺點是熔融物會產(chǎn)生碳污染)、金屬鍍膜中的熱屏蔽罩以及電弧焊(爐)中的電極。碳還可以用于提高熱發(fā)射率，同時抑制了二次電子的發(fā)射，如鎳涂覆碳。碳的主要缺點是強度低、含氣量大，去氣困難、機械加工性差、焊接困難。
表24碳(石墨)的性質(zhì) 性質(zhì) 溫度(℃)或成形 數(shù)值 單位 原子序數(shù)原子量密度熔點比熱線熱膨脹系數(shù)布氏硬度抗拉強度楊氏模量電阻率電子逸出功 真實值表面值20~30020~150020~100202000 612.0162.21~2.251.5~1.753700±1000.200.40縱向11~22×10-7橫向22~46×10-7≥30.2~0.6600~80達1000600~11004.0~4.8 g·cm-3℃cal·g-1·℃-1℃-1kg·mm-2kg·mm-2kg·mm-2µΩ·cmeV
4.4.2碳(石墨)纖維 碳纖維是60年代以來迅速發(fā)展的一種新材料。在真空技術中，它主要用于加熱裝置的電熱體、絕熱層和防腐耐熱的環(huán)境中。它有著優(yōu)異的電學、熱學和力學性質(zhì)。其纖維是一種比蜘蛛絲還細、比鋁還輕、比不銹鋼還耐腐蝕(耐大多數(shù)化學試劑腐蝕，僅對強氧化劑，例如鉻酸鹽等在高溫下能起反應)、比耐熱鋼還耐高溫，又能像銅那樣導電的新材料。 碳纖維的工作溫度可達-180～3300℃。即使從3000℃冷卻到室溫也不炸裂。其織品是真空電爐中頗具優(yōu)勢的好材料。 若將碳纖維加熱到2000～3000℃，并讓其受張力作用，即可成為含碳量大于99％的石墨纖維。其性能比碳纖維更佳。根據(jù)需要可織成布、帶、管、繩等，與鎢、鉬、碳棒相比，輻射率高，發(fā)射率為鎢的2倍。輻射面積大，熱慣性小，導電率高，密度小(重量輕)，在高溫下不變形、熔點極高，易成形。其另一特點是受熱時，在軸向是冷脹熱縮，而且其熱膨脹系數(shù)很低，比普通鋼小幾十倍，實際上近乎為零。 石墨纖維用于真空加熱材料時，其一些性能與難熔金屬之間的比較見表25。
4.4.2碳(石墨)纖維 碳纖維是60年代以來迅速發(fā)展的一種新材料。在真空技術中，它主要用于加熱裝置的電熱體、絕熱層和防腐耐熱的環(huán)境中。它有著優(yōu)異的電學、熱學和力學性質(zhì)。其纖維是一種比蜘蛛絲還細、比鋁還輕、比不銹鋼還耐腐蝕(耐大多數(shù)化學試劑腐蝕，僅對強氧化劑，例如鉻酸鹽等在高溫下能起反應)、比耐熱鋼還耐高溫，又能像銅那樣導電的新材料。 碳纖維的工作溫度可達-180～3300℃。即使從3000℃冷卻到室溫也不炸裂。其織品是真空電爐中頗具優(yōu)勢的好材料。 若將碳纖維加熱到2000～3000℃，并讓其受張力作用，即可成為含碳量大于99％的石墨纖維。其性能比碳纖維更佳。根據(jù)需要可織成布、帶、管、繩等，與鎢、鉬、碳棒相比，輻射率高，發(fā)射率為鎢的2倍。輻射面積大，熱慣性小，導電率高，密度小(重量輕)，在高溫下不變形、熔點極高，易成形。其另一特點是受熱時，在軸向是冷脹熱縮，而且其熱膨脹系數(shù)很低，比普通鋼小幾十倍，實際上近乎為零。 石墨纖維用于真空加熱材料時，其一些性能與難熔金屬之間的比較見表25。
表25石墨纖維與難熔金屬性能比較 性能 材料 鎢 鉬 鉭 石墨帶 注 熔點(℃)比重(g/cm3)使用溫度(℃)蒸汽壓(Pa)黑度(ε)升溫強度變化承受表面功率(W/cm2) 340019.627501.3×10-30.03~0.3下降4030 260010.221004×10-10.1~0.3 下降3015 300016.620006.6×10-60.2~0.3下降—— 38002.2433004×10-40.95提高4030 2000℃1000℃1400℃
4.4.3碳纖維—樹脂復合材料(碳纖維增強塑料) 碳纖維—樹脂基復合材料(碳纖維增強塑料)，是以樹脂為基體，用碳纖維增強的一種新型復合材料。作為基體材料的樹脂，目前以環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚四氟乙烯樹脂應用z*廣。作為增強材料，與玻璃纖維等增強材料相比，碳纖維具有高強度、高模量、斷裂伸長小等特點，高強度碳纖維拉伸強度可達3500 MPa，而斷裂仲長率為1％，并在2000℃以上高溫，其強度和彈性模量保持不變，這是難得的優(yōu)良性質(zhì)。 碳纖維增強塑料還具有很高的比強度、比模量、耐疲勞、吸振、抗蠕變、線脹系數(shù)小、熱導率大和耐水性好等特點。碳纖維增強塑料在真空工程中可用于制做軸承、密封圈、墊、齒輪等零件，具有耐磨、耐腐蝕、耐熱、無需潤滑等特點。 目前應用的碳纖維增強塑料產(chǎn)品有以下幾種。
①T300／5208增強復合塑料：基體為美國Narmco公司生產(chǎn)的5208樹脂，增強材料為美國UCC公司生產(chǎn)的碳纖維。其成品為板材。其于180℃以下使用時，具有較好的綜合性能。
②T300／914增強復合塑料：這是一種在歐洲各國廣泛使用的復合材料。914是一種適中熔融粘度的改性環(huán)氧樹脂，T300／914是由914樹脂作基體，碳纖維300增強的復合材料，具有較高的斷裂強度，但耐熱性較低，適合在-60℃～180℃范圍內(nèi)工作。
③Rigidite5245碳纖維增強材料：這種增強復合材料是美國Narmco公司研制的一種高應變、抗沖擊的樹脂系統(tǒng)。這種材料具有極好的抗沖擊韌性，并在130～150℃有良好的濕熱強度保持率，同時有較好的操作工藝性。
④4211／T30、5221／T30復合材料：該材料為北京航空材料研究所研制并生產(chǎn)。分別是以4211、5221環(huán)氧樹脂體系浸漬高強型碳纖維制成的單向預浸料，具有耐高溫、耐濕熱、力學性能好等特點，分別適用于120℃和130℃下使用。
⑤HD01C碳／環(huán)氧復合材料：是由西安飛機制造公司研制并生產(chǎn)。它以HD01樹脂為基體，以HS-3高強碳纖維為增強體制成。材料的力學性能、耐熱性能良好，可于120℃下使用。 (未完待續(xù))
4.4.3碳纖維—樹脂復合材料(碳纖維增強塑料) 碳纖維—樹脂基復合材料(碳纖維增強塑料)，是以樹脂為基體，用碳纖維增強的一種新型復合材料。作為基體材料的樹脂，目前以環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚四氟乙烯樹脂應用z*廣。作為增強材料，與玻璃纖維等增強材料相比，碳纖維具有高強度、高模量、斷裂伸長小等特點，高強度碳纖維拉伸強度可達3500 MPa，而斷裂仲長率為1％，并在2000℃以上高溫，其強度和彈性模量保持不變，這是難得的優(yōu)良性質(zhì)。 碳纖維增強塑料還具有很高的比強度、比模量、耐疲勞、吸振、抗蠕變、線脹系數(shù)小、熱導率大和耐水性好等特點。碳纖維增強塑料在真空工程中可用于制做軸承、密封圈、墊、齒輪等零件，具有耐磨、耐腐蝕、耐熱、無需潤滑等特點。 目前應用的碳纖維增強塑料產(chǎn)品有以下幾種。
①T300／5208增強復合塑料：基體為美國Narmco公司生產(chǎn)的5208樹脂，增強材料為美國UCC公司生產(chǎn)的碳纖維。其成品為板材。其于180℃以下使用時，具有較好的綜合性能。
②T300／914增強復合塑料：這是一種在歐洲各國廣泛使用的復合材料。914是一種適中熔融粘度的改性環(huán)氧樹脂，T300／914是由914樹脂作基體，碳纖維300增強的復合材料，具有較高的斷裂強度，但耐熱性較低，適合在-60℃～180℃范圍內(nèi)工作。
③Rigidite5245碳纖維增強材料：這種增強復合材料是美國Narmco公司研制的一種高應變、抗沖擊的樹脂系統(tǒng)。這種材料具有極好的抗沖擊韌性，并在130～150℃有良好的濕熱強度保持率，同時有較好的操作工藝性。
④4211／T30、5221／T30復合材料：該材料為北京航空材料研究所研制并生產(chǎn)。分別是以4211、5221環(huán)氧樹脂體系浸漬高強型碳纖維制成的單向預浸料，具有耐高溫、耐濕熱、力學性能好等特點，分別適用于120℃和130℃下使用。
⑤HD01C碳／環(huán)氧復合材料：是由西安飛機制造公司研制并生產(chǎn)。它以HD01樹脂為基體，以HS-3高強碳纖維為增強體制成。材料的力學性能、耐熱性能良好，可于120℃下使用。 (未完待續(xù))
