Die Vorzüge von Glas und Keramik gegenüber Metallen im UHV- und UVC-Vakuum
Warum Glas und Keramik gegenüber Metallen im UHV- und UVC-Vakuum bevorzugen?
Glas und Keramik weisen, im Vergleich zu Metallen, aufgrund ihrer funktionellen Eigenschaften verschiedene Vor- und Nachteile auf. Beide Materialien werden im Ultrahochvakuum (UHV) und im Ultrareinvakuum (UCV) eingesetzt. Glas profitiert dabei von seinem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE), seiner Inertheit gegenüber rauen chemischen Umgebungen und seiner geringen thermischen und elektrischen Leitfähigkeit. Ein gutes Beispiel dafür ist die Verwendung von Glas als Isolator für Hochspannungsdurchführungen.
Beim UHV findet die Ausgasung eines jeden Baumaterials in irgendeiner Form bei Vakuumanwendungen statt. Zwei der wichtigsten Faktoren für die Ausgasung von Baumaterialien sind:
- Der Dampfdruck eines Stoffes
- Die spezifische Oberfläche
Der Dampfdruck ist sowohl bei Glas als auch bei Keramik äußerst niedrig, sodass sich beide Materialien hervorragend für Vakuumanwendungen eignen. Im Vergleich dazu haben Metalle auch einen niedrigen Dampfdruck, was jedoch bei einigen anspruchsvollen Anwendungen ein erhebliches Hindernis darstellen kann. Auf der anderen Seite hat Metall den Vorteil, dass es sich leicht in jede beliebige Form bringen lässt. Es kann beispielsweise mit anderen Oberflächen und Materialien durch herkömmliche Techniken wie Schweißen verbunden werden. Heutzutage bietet Glas aufgrund neuer Fertigungstechnologien jedoch mehr funktionale Möglichkeiten in Bezug auf die Gestaltungsfreiheit. Darüber hinaus ermöglicht es verschiedene Verbindungstechniken, wodurch die Einschränkungen für den Einsatz in Vakuumanwendungen entfallen. Ein gutes Beispiel für die Herstellung komplexer 3D-Strukturen in Glas ist das selektive laserinduzierte Ätzen (SLE).
Vor- und Nachteile von Glas und Keramik im Ultrarein- und Ultrahochvakuum:
Auch die spezifische Oberfläche von Glas ist im Vergleich zu anderen Materialien äußerst gering. Im Allgemeinen hat Glas eine glatte, feste und starre Oberfläche. Dies gilt auch für Keramik, mit dem Unterschied, dass es aufgrund der Porosität eine größere innere Oberfläche haben kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass sowohl Glas als auch Keramik bei hohen Temperaturen in verschiedenen nicht inerten Umgebungen gebrannt werden können, um die Gase und adsorbierten Stoffe zu entfernen. Dies ermöglicht eine gründliche Reinigung des Vakuumsystems, nachdem es durch externe Quellen verschmutzt wurde.
Ultrahoch- und Ultrareinvakuum bedeutet nichts anderes als die Aufrechterhaltung eines Volumens mit einer sehr geringen Menge an (unerwünschten) Molekülen. Diese Moleküle können aus verschiedenen Quellen stammen (siehe Abbildung):
- Gasmoleküle, die bereits von Anfang an im Vakuumbehälter vorhanden sind;
- Gasmoleküle, die aus dem Vakuumpumpsystem zurückströmen;
- Externe Gasmoleküle, die aufgrund von Leckagen aus der Umgebung in den Behälter gelangen;
- Gasmoleküle, die von den Oberflächen im Inneren des Behälters erzeugt oder adsorbiert werden;
- Gasmoleküle, die aus den im Behälter verwendeten Schüttgütern diffundieren.
Typische Prozesse im UHV-Vakuum, bei denen Glas und Keramik verwendet werden können:
- Lithografische Verfahren
- Messverfahren im Vakuum
Typische Anwendungen:
- Glasisolatoren – die Verwendung von Glas als Isolator in Hochvakuumdurchführungen ermöglicht eine vakuumdichte Isolierung zwischen der Vakuum- und der Luftseite. Im Gegensatz zu gelöteten oder geklebten Ausführungen wird Glas im Laufe der Zeit nicht beschädigt.
- Keramische Wärmeabschirmung – Gründlich gereinigtes Aluminiumoxid kann im Ultrahochvakuum zur Abschirmung von Wolframheizern verwendet werden.
- Keramische Steckerisolatoren – Keramik kann in Hochspannungsdurchführungen verwendet werden, um eine hohe Kriechstromfestigkeit zu erreichen.
Ist Glas eine bessere Alternative für Ihre UHV- und UCV-Anwendung?
Glas kann anstelle von Metall verwendet werden, wenn bestimmte funktionelle Eigenschaften von Bedeutung sind.
Es ermöglicht ein tieferes Vakuum, kann mit extremeren Umgebungsbedingungen umgehen und hat einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten. Durch die Wahl von Materialien, die eine geringe Ausgasung durch Diffusion und eine geringe Anzahl von Oberflächenmolekülen aufweisen, können Sie bessere Vakuumanforderungen erreichen.
Die Ingenieure von LouwersHanique verfügen über ein grenzenloses Know-how bei der Optimierung der passenden Materialien angesichts der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, Viskositäten und Verbindungstemperaturen.
Dabei kommen verschiedene Technologien zum Einsatz, wie beispielsweise das direkte Zusammenfügen, Löten und die Thermokompression.
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