第十一讲：真空材料3

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第十一讲：真空材料
张以忱
+ R$ O8 V0 M. u8 c(东北大学，辽宁  沈阳  110006)
中图分类号：TB743；TB79
' o2 j* |- m0 A5 S" k文献标识码：E
文章编号：1002-0322(2002)05-0064-03
4.3  塑料
4.3.1  氟塑料(聚四氟乙烯)
/ {/ L  ^; q3 I- g% @' L- _& V, O        氟塑料(聚四氟乙烯)俗称塑料王，其商品名称是Teflon，是四氟乙烯的聚合物，为白色或灰白色的物质。它是在高压下由三氯甲烷与氢氟酸聚合制成四氟乙烯(粉末)，在370℃时，将得到的四氟乙烯粉末装模、烧结，产生一种坚韧的、非热塑性和非多孔性的树脂。聚四氟乙烯虽然大多是结晶体，但却没有熔点。它的塑性随温度升高而增加，而机械性能则急剧变坏。而且在高于327℃时，转变为非流动无定形的胶状物。在高于400℃时，聚四氟乙烯分解，放出有毒的挥发性氟化物气体。它的低温性能也很好，温度低于-80℃时仍能保持其韧性。
9 q) b6 ]! p/ V' }$ ]        表23给出了聚四氟乙烯的某些性质。
; q: ^: \% O6 `/ s        由于聚四氟乙烯的结构是致密的，因此它有优良的真空性能。它的渗透率很低，它在室温下的蒸气压和放气率都很低，比橡胶和其它塑料都要好。其25℃时的蒸气压为10-4Pa，350℃时为4×10-3Pa。
        聚四氟乙烯与其本身或与钢之间的摩擦系数很低，对钢的摩擦系数为0.02～0.1，可用作无油轴承材料，也可用于真空动密封，但必须保证有良好的导热性(或用改性氟塑料)，以避免因摩擦过热而损坏。
2 ~- q" H6 m: I$ n# _表23  聚四乙烯性质
9 _8 N, @; C* ~; E性  质
温度(℃)或成形
数  值
  a& F' I1 j* k1 o3 L单  位
结构
密度
1 K7 [9 y: u* \9 {" }2 a2 [工作温度
比热
( y! O, G* h# D) W- n. s; J热导率
线热膨胀系数
  U8 h3 C& D  w/ e$ l& D抗拉硬度
# t; d+ I0 d. E: Q! |2 P杨氏模量
电阻率
( o  T  [$ G9 j  Q/ {电击穿强度
电介质常数
- ]/ r" R1 v5 X, O永久变形
/ d% }- z# V' }  U用环作试验区
≤327℃
＞327℃
6 Q! a) s/ u' }- v＞400℃
90℃
60~108Hz
(55×75×2)
; s# F1 p- s4 {20℃
100℃
  ~! D: @+ ^. L9 M! R7 a结晶体
无定形胶状物
$ u! |' z& f- k; X4 U$ p分解
2.1~2.2
-80~250
2 P0 I/ [6 M$ G5 `8 e0.25
. W4 B. V; Y) ?4 n/ r6×10-4
1500×10-7
140~350
: e) q0 ?  {/ X1 Q# R+ F3 `4300~5200
＞1019
. \6 C" K- q, [  F' i2 G20
+ U2 Z9 }4 R, b* n- p- P5 O8 l& W2
用1.96×107Pa力
2
12
1 a# z2 s8 m; K) L* N  w9 qg·cm-3
# x! j% F: k# a℃
cal·g-1·℃-1
7 M2 d, _- g4 L: |cal·cm-1·s-1·℃-1
4 y7 Q0 z) b0 Q( `6 D& i℃-1
kg·mm-2
' e9 f! _+ u" p  }7 F# i. w( `kg·mm-2
) Z, V; p& L3 v- e6 LΩ·cm
' O+ s3 |8 b1 \持续24h
%
; a9 S1 q' I9 T$ r%
2 Q2 E" G2 e- ^5 b. w, S' N) \4 p        聚四氟乙烯的弹性和压缩性不如橡胶，而且在高负荷时趋于流动，甚至破裂。当加载高于3 MPa时，产生残余变形，加载到20 MPa左右时，会被压碎。因此聚四氟乙烯一般只用作带槽法兰的垫片材料，而且负荷不超过3.5 MPa。用于静密封的结构形式如图6所示。
        聚四氟乙烯具有良好的电绝缘性能。它的电阻率极高，电介质损耗很低，由于聚四氟乙烯不吸附和不吸收水蒸气(不吸水也不被水浸润)，因此即使在100％的相对湿度下，表面电阻率仍很高。这一特性及其抗飞弧性，使得聚四氟乙烯特别适用于各种需要绝缘的场合。
) p$ F9 P+ s8 F2 ?

- D/ f- v5 v4 w2 F$ {       聚四氟乙烯的化学性质十分稳定，这一点优于任何其它的弹性塑料材料。它与所有已知的酸和碱(包括三大强酸和氢氟酸)都不发生反应。聚四氟乙烯不会受潮，也不溶解于任何已知的溶剂(但能溶解于熔融的碱金属)。聚四氟乙烯不可燃、无毒，只有当加热温度高于400℃时能放出有毒气体。由于聚四氟乙烯的性质不活泼，因此只能采用特殊的方法对它粘接。在粘接时应注意粘接剂的最高工作温度。
/ J  [. d: B; o. ^        聚四氟乙烯能用普通的刀具进行高速切削加工。在聚四氟乙烯烧结成形时加入不同的添料(如石墨、玻璃纤维、铜粉等)，可得到改性聚四氟乙烯，主要是改善其机械性能和热学性能。
+ @" }1 t) S6 H, {/ r5 h        在真空技术中，聚四氟乙烯可用作密封垫片、永久或移动的引入装置的密封、绝缘元件和低摩擦的运动元件等。聚四氟乙烯的应用温度范围为-50～200℃，其最高工作温度可达到250℃。
4.3.2  聚乙烯和聚丙烯
" D* F7 {6 t8 q4 `2 w8 w3 Q        聚乙烯和聚丙烯分别是乙烯和丙烯的热塑高分子聚合物．它们的特点是：性能稳定，在室温下几乎不受化学腐蚀。只是在温度较高时，才会受到气体或酸的氧化。但是在紫外线的照射下会增加这种氧化效应。卤素或有机酸能够扩散透过这些热塑材料或者被它们吸收，而且一些碳氢化合物(如四氯化碳和三氯乙烯)能够引起它们鼓胀。所以，尽管聚乙烯和聚丙烯的蒸气压在10-7Pa范围内，但是由于它们的强度和工作温度的限制，使得这些材料在真空技术中的应用受到很大的限制。
4.3.3  尼龙
        尼龙是一种热塑性聚合物．尼龙的转化点很明显(大约230℃)。当温度高于转化点时，尼龙失去刚性，能象油一样地流动。因此尼龙应在低于100℃以下使用。在这个范围内，尼龙具有良好的机械加工性能、良好的强度和韧性、较低的蒸气压、很强的耐酸、油、大多数溶剂以及其它化学物品的能力。
' A& A6 t4 \2 c, F4.3.4  酚醛塑料
! h' Q, Z, d) n+ y9 @        是一种热固性塑料。由于其蒸气压很高，一般只能在粗真空和低真空范围内使用。
/ ~4 G6 p7 R7 c9 v$ L4.3.5  有机玻璃
        有机玻璃的成分为丙烯酸。它是一种重量轻、透明、易于机械加工和模铸的热塑性塑料。有机玻璃吸水少、电介质强度高、绝缘、不发生化学反应。经适当烘烤之后，它的蒸气压可达到5×l0-5Pa。
4.4  碳(石墨)及碳纤维制品4.4.1  碳(石墨)
+ F# \+ L. T! N6 Z  H! t        真空技术中常用的碳是人工石墨。表24给出了碳的某些性质。碳的熔点高、蒸气压低、热导率高、导电性好、电子发射的逸出功高、热发射率高、化学性质稳定、刚度大、吸气性好和价格便宜。因而石墨可用作真空炉的加热器、镀膜及熔炼用的坩埚(缺点是熔融物会产生碳污染)、金属镀膜中的热屏蔽罩以及电弧焊(炉)中的电极。碳还可以用于提高热发射率，同时抑制了二次电子的发射，如镍涂覆碳。碳的主要缺点是强度低、含气量大，去气困难、机械加工性差、焊接困难。
. P' p; P) h& D7 N6 g  y* V表24  碳(石墨)的性质
% N! y" F7 i. g! }性  质
温度(℃)或成形
  Y& Y5 F: y4 E! U: K# t+ Z数   值
单  位
5 `6 \& ?  A0 V+ w* e* |  R  s5 k原子序数
  b8 e, z% L7 K" y% F7 q- M原子量
密度
( f& Y# q/ E/ R! z; H; {6 J熔点
比热
线热膨胀系数
6 e0 X6 @$ g4 l布氏硬度
2 M: G9 Q9 h6 \2 x4 |% Q抗拉强度
杨氏模量
电阻率
" K$ I$ A" Q( H( D. Z! ~电子逸出功
8 b5 c" j# z2 ]5 a1 L真实值
表面值
20~300
9 u8 K% s  G' j6 _$ y% ]! i2 u20~1500
20~100
20
2000
: @) K( U/ a7 @6
0 p) [) S& [) r  M6 a" o12.016
* \! a* r: l4 Q& F, J9 ]* t2.21~2.25
1.5~1.75
4 t, j" o4 |# h' r/ ~3700±100
0.20
0.40
  g" |( @+ ^, h& O* w纵向11~22×10-7
1 O( }' }# I" j6 U! v横向22~46×10-7
≥3
0.2~0.6
600~80
达1000
600~1100
4.0~4.8
' i+ B" i+ ]. M& H2 Yg·cm-3
℃
cal·g-1·℃-1
8 A+ z2 m+ ?/ m* |* J4 Y℃-1
kg·mm-2
9 T& W( I1 G# Y6 D" t8 _$ R$ `5 Q9 nkg·mm-2
kg·mm-2
µΩ·cm
eV
9 h) V- s$ Q. ?4.4.2  碳(石墨)纤维
& U7 W7 v" C3 h        碳纤维是60年代以来迅速发展的一种新材料。在真空技术中，它主要用于加热装置的电热体、绝热层和防腐耐热的环境中。它有着优异的电学、热学和力学性质。其纤维是一种比蜘蛛丝还细、比铝还轻、比不锈钢还耐腐蚀(耐大多数化学试剂腐蚀，仅对强氧化剂，例如铬酸盐等在高温下能起反应)、比耐热钢还耐高温，又能像铜那样导电的新材料。
7 V; H) Q  _( @, v* }' x$ X        碳纤维的工作温度可达-180～3300℃。即使从3000℃冷却到室温也不炸裂。其织品是真空电炉中颇具优势的好材料。
7 a- p3 V) x, U3 z" A        若将碳纤维加热到2000～3000℃，并让其受张力作用，即可成为含碳量大于99％的石墨纤维。其性能比碳纤维更佳。根据需要可织成布、带、管、绳等，与钨、钼、碳棒相比，辐射率高，发射率为钨的2倍。辐射面积大，热惯性小，导电率高，密度小(重量轻)，在高温下不变形、熔点极高，易成形。其另一特点是受热时，在轴向是冷胀热缩，而且其热膨胀系数很低，比普通钢小几十倍，实际上近乎为零。
1 Y( h7 V! U9 {: S: `9 p0 _        石墨纤维用于真空加热材料时，其一些性能与难熔金属之间的比较见表25。
# H* l/ j; m# _9 F1 X表25  石墨纤维与难熔金属性能比较
  u0 W  C" q7 e性  能
材    料
# ~% j$ h: \8 P钨
钼
钽
2 {7 p% _* R  k2 U# ~* |石墨带
注
: Q. r) K2 |  q5 W+ C$ M2 H熔点(℃)
比重(g/cm3)
1 n: ?0 I1 @6 s+ ]# w  J5 S使用温度(℃)
蒸汽压(Pa)
黑度(ε)
- X% S- g8 ^" l  Y升温强度变化
承受表面功率
/ X; y$ r( c: |( K2 E* E4 a6 C: B(W/cm2)
5 Y' d; _- \' F$ j( }3400
19.6
) g" u4 f( `1 J  {$ @2750
6 y+ s8 R$ N& ]. D' \1.3×10-3
0.03~0.3
# I- b3 e7 e- P9 g) m; X下降
/ m; D3 y9 }5 P# m0 Q. F' z2 h9 d) x. n. |40
. q, s2 U, M% v3 A& |& s30
# c1 c& p& {9 @& I& ^2600
10.2
2100
9 f6 }" p; f4 g; _4×10-1
+ ?1 b7 g; u& V' r* T( N% ^* `0.1~0.3
% z6 w' \1 Z( Z下降
; r' J' n. W2 \30
, i+ s  h9 D2 b15
0 j/ k: z- |& a# r$ D' p3000
% b: y3 c! W# D16.6
% g) h& D* Y8 O% F/ q2000
6.6×10-6
6 j: u8 m8 Q+ v7 p5 l- D$ l. |$ d7 x0.2~0.3
下降
4 r, }: v$ M7 u* I$ ?9 u4 z—
8 }7 ?- l- K( |1 I7 v—
3800
: k$ J$ f, U  W" I! @9 X7 S2.24
3300
4×10-4
4 I7 S/ r" M& R0.95
提高
1 V; t! b- Q8 a: L* K5 e40
30
2000℃
1000℃
% p) q& T( |* p) M: T( [, _2 J1400℃
2 b7 b7 J  [) K# f1 w% v# J9 A4.4.3  碳纤维—树脂复合材料(碳纤维增强塑料)
, h2 y8 `+ A  d2 ?        碳纤维—树脂基复合材料(碳纤维增强塑料)，是以树脂为基体，用碳纤维增强的一种新型复合材料。作为基体材料的树脂，目前以环氧树脂、酚醛树脂和聚四氟乙烯树脂应用最广。作为增强材料，与玻璃纤维等增强材料相比，碳纤维具有高强度、高模量、断裂伸长小等特点，高强度碳纤维拉伸强度可达3500 MPa，而断裂仲长率为1％，并在2000℃以上高温，其强度和弹性模量保持不变，这是难得的优良性质。
        碳纤维增强塑料还具有很高的比强度、比模量、耐疲劳、吸振、抗蠕变、线胀系数小、热导率大和耐水性好等特点。碳纤维增强塑料在真空工程中可用于制做轴承、密封圈、垫、齿轮等零件，具有耐磨、耐腐蚀、耐热、无需润滑等特点。
6 c9 a6 Z/ ?, I* Y# \        目前应用的碳纤维增强塑料产品有以下几种。
        ①T300／5208增强复合塑料：基体为美国Narmco公司生产的5208树脂，增强材料为美国UCC公司生产的碳纤维。其成品为板材。其于180℃以下使用时，具有较好的综合性能。
4 K9 Y* k) ^. z        ②T300／914增强复合塑料：这是一种在欧洲各国广泛使用的复合材料。914是一种适中熔融粘度的改性环氧树脂，T300／914是由914树脂作基体，碳纤维300增强的复合材料，具有较高的断裂强度，但耐热性较低，适合在-60℃～180℃范围内工作。
$ F/ q, ~6 {; K0 g/ H- T% d        ③Rigidite5245碳纤维增强材料：这种增强复合材料是美国Narmco公司研制的一种高应变、抗冲击的树脂系统。这种材料具有极好的抗冲击韧性，并在130～150℃有良好的湿热强度保持率，同时有较好的操作工艺性。
( N+ j2 O/ Y/ r3 u' ?+ @& p7 O# j        ④4211／T30、5221／T30复合材料：该材料为北京航空材料研究所研制并生产。分别是以4211、5221环氧树脂体系浸渍高强型碳纤维制成的单向预浸料，具有耐高温、耐湿热、力学性能好等特点，分别适用于120℃和130℃下使用。
        ⑤HD01C碳／环氧复合材料：是由西安飞机制造公司研制并生产。它以HD01树脂为基体，以HS-3高强碳纤维为增强体制成。材料的力学性能、耐热性能良好，可于120℃下使用。