几种常见的橡胶超高真空密封技术

几种常见的橡胶超高真空密封技术

真空系统中使用最多的橡胶有两种：天然胶乳、合成橡胶（包括丁基、氯、丁腈橡胶）和硅橡胶、氟橡胶等制成的硫化橡胶。

解决真空橡胶密封，除了正确的密封结构设计外，密封材料的合理选择也是关键。影响真空密封的几个主要因素有：橡胶的耐热性、压缩变形阻力、漏气率、透气率、脱气率和升华（失重）。

· 耐热性。在真空系统中，通常需要对系统或组件进行脱气，这通常是通过烘烤来完成的。这样就要求橡胶密封件具有一定的耐热性，以保证烘烤和脱气的顺利进行。一般烘烤温度在120℃以下，真空度为10^-5Pa，但也可使用丁基或丁腈橡胶；如果需要较高的烘烤温度和在超高真空环境下工作，则需要使用氟橡胶。

·抗压缩变形能力。在真空系统中，大量的真空密封件在压缩下工作。为保证密封的可靠性，同时保持一定的密封寿命，真空密封胶应具有较小的压缩变形值（最好小于35%），压缩应力松弛比较慢（即压缩应力）较大的松弛系数），从而保证真空密封具有更高的工作寿命。

· 泄漏率。根据经验和计算，在真空系统中，当真空泵的抽气量为8000L/s时，应保持5×10^-7Pa的真空度，橡胶泄漏率不应大于5.25×10^ -3Pa·cm^3/s。

 各种橡胶漏气率

· 透气性。不同的橡胶在不同的温度下具有不同的透气性，这是由其内部结构决定的。丁腈橡胶由于其甲基，透气性低；并且由于丁腈橡胶具有丁腈的极性基团，因此对非极性气体的渗透性低。因此，丁腈橡胶的丙烯腈含量越高，其透气性越低。值得一提的是，温度对橡胶的透气性有很大影响。温度越高，透气性越大。此外，不同橡胶中不同气体的透气性也不同。在同一种气体中，透气性的顺序是：天然橡胶>丁苯橡胶>丁腈橡胶>氯丁橡胶>丁基橡胶。

各种橡胶对不同气体的透气性

·排气率。橡胶脱气率的定义是在一定温度下单位时间单位面积橡胶上的脱气量。在真空密封中，一般要求为10^-4~10^-5Pa·L/s。根据实验数据，根据放气率的大小，各种橡胶可排列如下：氯醇橡胶>乙烯基硅橡胶>天然橡胶>丁腈橡胶>氯丁橡胶>氟橡胶。

·橡胶的升华（失重）。橡胶在一定真空度和温度下的失重称为升华。在真空密封时，要求密封材料的升华值小。为了使橡胶密封圈在相应的真空系统中具有相对稳定的关系，以保证既定真空度的维持，升华值一般要求小于10%。根据真空升华值的大小，各种橡胶可排列如下：天然橡胶>丁腈橡胶>氯丁橡胶>氯醇橡胶>乙烯基硅橡胶>氟橡胶。表3显示了各种橡胶在真空中的重量损失。

各种橡胶在真空中的失重

在高真空系统中，橡胶密封件对真空系统极限压力的主要影响因素是材料的泄漏率和脱气率。

磁性流体密封

磁流体是在 1960 年代引入的。磁流体密封是一项相对成熟的技术，在真空密封中发挥着越来越重要的作用。

从原理上讲，磁性液体（有时也称为磁性流体或铁磁性液体）是经特殊处理后与磁性纳米粒子混合并均匀分散在液体中的固液胶体液体。它兼具液体的流动性和磁性。磁流体密封技术是利用磁流体对磁场的响应特性实现的。当我们将制作精良的磁液注入由高性能永磁体、具有良好导磁性能的极片和轴构成的磁路间隙中，在磁场的作用下橡胶空气弹簧 法兰式，磁液就会形成缝隙里有几种液体。环数等于设计的凸齿数。当磁性液体受到压力差时，它会在不均匀的磁场中轻微移动，产生对抗压差的磁力，从而达到新的平衡，起到密封作用。.

由于密封件内部只有导磁磁体与液体接触密封，磁流体密封具有以下优点：

·严密性。酯基磁性液体可对介质（大气或惰性气体）进行严密、稳定的动、静密封。

· 无法测量的泄漏率。泄漏基本上很难检测，所以人们通常称磁流体密封为“零泄漏”。

·高可靠性。在正压情况下，当磁流体密封产生瞬时超压击穿时，一旦压力降低到密封所能承受的程度，仍能保持密封效果，使用可靠性相当高。

·基本无污染。由于密封件本身没有机械磨损，磁性液体的饱和蒸气压极低，即使在高真空状态下使用，也不会造成污染。

·良好的高速性能。磁性流体在旋转时，内摩擦极小，功率损耗小，因此具有高速运动的潜力。

·低摩擦、低磨损、低发热。在装有轴承的密封件中，除了轴承在旋转时机械磨损小，内部磁芯组件与转轴不直接接触，所以摩擦小，磨损小，发热小，并且所需的操作功率小。

·良好的可修复性。在使用中，由于某些原因，磁流体密封失效。只要内部元件功能正常，磁流体密封就可以在短时间内进行现场维修。

· 无方向性密封。如果需要改变承压方向，对于磁流体密封，无需增加任何部件即可完成。

由于磁流体密封的诸多优点，其应用领域已涉及晶体生长设备、扩散炉、真空钎焊炉、真空热处理炉、镀膜机等国产和进口真空设备。

1985年，中科院化学所和中科院电子所研制的有机硅高真空微孔密封胶并转入试生产。这种密封胶是一种无色透明的低粘度液体，对金属、陶瓷、玻璃和塑料有很强的润湿性。用于密封高真空装置和高真空系统中的微泄漏。效果非常好。那么，工作温度范围是350℃~-196℃。

从应用场景来看，可以有以下几种： ①固定真空室中的各个部件；②真空密封或堵塞。这种真空胶固化后具有一定的强度，可用于螺纹处的真空密封。,玻璃、陶瓷和金属之间的连接和真空密封，馈通/航空插头的电极和法兰之间的密封，X射线管和激光管等各种真空管的连接和真空密封，真空管和法兰此外，它可以快速堵塞各种真空系统或部件的泄漏。对于一般的真空泄漏，您可以直接应用它们来阻止泄漏。胶水变硬后，可直接进行检漏或开始正常使用；③真空胶通过固化剂固化，

可以说，对于一般的真空泄漏来说，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，也可以起到连接一些零件的作用。

金属密封

金属密封件的发展历史比较长，比橡胶密封件出现得更早。相对而言，橡胶的脱气率和渗透性较大，不能高温烘烤，不耐辐射，因此其应用受到一定限制。金属密封弥补了橡胶密封的上述缺点，因此被广泛应用于超高真空环境。

原则上，金属材料，如橡胶，具有一定的弹性和延展性。当金属密封圈受外压发生弹性变形时，在弹性恢复力的作用下，密封圈有恢复原状的趋势。这种趋势填充密封面的间隙，从而起到密封作用。

下面介绍几种超高真空中常用的金属密封方式。

1 金属铟丝密封

金属铟的莫氏硬度仅为1.2，远小于金属铜2.5-3和铝的莫氏硬度2-2.9，熔点为156.6℃。良好的延展性使其非常有利于真空密封连接。封口时，在法兰表面放置合适长度的铟丝，使铟丝两端重叠。不需要预先加工成标准的密封圈。因此常用于法兰尺寸较大而其他金属密封圈不易加工的场合。

法兰铟丝密封

根据法兰的大小，铟丝的直径可以在1-2mm之间选择。但因其熔点低，烘烤温度不能高于150℃。此外，金属铟具有良好的低温性能，在低温环境下常采用铟丝密封进行真空密封。但是铟丝受压后容易流动，所以法兰需要做成阶梯式或凹槽式，如图2所示橡胶空气弹簧 法兰式 一篇文章了解几种常见的超高真空密封技术，以防止铟丝流入真空室。

2全金属快拆密封

与传统的螺栓法兰需要多套螺栓相比，卡箍只需两颗螺钉即可紧固，安装可以更快完成，故称为快拆卡箍。全金属快拆密封件主要由快拆卡箍、平法兰、密封圈组成密封系统，如下图所示。

全金属快拆密封

快拆卡箍轴向夹紧力小，一般采用纯铝作为密封圈的材料。为减少卡箍变形，卡箍采用刚性不锈钢材料。快拆夹具由多个夹具组成。随着法兰直径的增加，夹具的数量增加。并且随着法兰直径的增大，在相同的螺钉拧紧力下，作用在夹具轴向上的夹紧力变小。因此，对于公称直径小于φ160的法兰，全金属快拆密封具有更好的密封性能。

全金属快拆密封不需要轴向螺丝固定，大大节省轴向空间，螺丝数量少，安装快捷。常用于安装空间小，需要快速安装的场合。例如，高能加速器在刚关闭时就有一定剂量的辐射。为了保护工作人员的人身安全，安装需要快速完成。全金属快拆密封件已在中科院高能物理研究所形成试用标准，并已广泛应用于多台加速器的真空密封连接。

3全金属快拆与铟丝组合密封

在安装铟丝密封法兰之前，为了更好地安装铟丝，通常需要在法兰上制作肩环或凹槽橡胶空气弹簧 法兰式，如上图所示。另外，由于铟丝比较软，安装时需要较大的操作空间橡胶空气弹簧 法兰式 一篇文章了解几种常见的超高真空密封技术，全金属快拆密封往往由于轴向夹紧力不足，导致泄漏率小的问题。

本节介绍的组合密封件继承了软铟丝和全金属快拆密封件的优点，可用于狭小空间的安装。在全金属密封圈密封面外侧增加铟丝，可以解决全金属快拆问题。密封件夹紧力不足导致漏气问题。结构如下图所示。

全金属快拆与铟丝组合密封

这种密封结构相当于延长了气体泄漏路径，大大降低了泄漏通道的电导。此外，铟丝位于金属密封圈外，可降低铟丝因高温熔化流入真空室的风险，提高系统可靠性。

4 弹簧储能密封

弹簧储能密封件（Seal）是一种由金属铝、铜、银、不锈钢或其他高分子材料夹套和储能弹簧组成的压力辅助密封装置。

弹簧储能密封图

当弹簧储能密封圈安装在密封槽内时，弹簧受压，夹套的密封面压在密封槽上，从而形成密封。弹簧为密封套提供弹力并补偿材料磨损和配合部件的偏移或偏心。系统压力还将帮助密封夹套积聚能量。通过弹簧力和系统压力形成恒定持久的预紧力，达到有效密封。

弹簧储能密封圈用于超高真空、核设备、航空航天、石油、低温、化工、冶金、动力机械、蒸汽容器等设备所用设备的密封。