Glas en Keramische Materialen in Ultrahoog- en Ultrazuiver Vacuüm | UHV en UCV
Wanneer kiest u glas en keramiek verkiezen boven metalen in UHV en UVC?
Glas en keramiek hebben door hun functionele eigenschappen voor- en nadelen ten opzichte van metalen. Beide materialen worden gebruikt in ultrahoog vacuüm ofwel Ultra High Vacuum (UHV) en ultra schoon vacuüm ofwel Ultra Clean Vacuum (UCV). De voordelen van het gebruik van glas zijn o.a. de lage thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE), inertie tegen agressieve chemische omgevingen en de lage thermische en elektrische geleidbaarheid. Een goed voorbeeld hiervan is het gebruik van glas als isolator voor hoogspanningsdoorvoeren.
Met betrekking tot UHV zal uitgassing van elk materiaal in een of andere vorm plaatsvinden in vacuümtoepassingen. De twee belangrijkste oorzaken van uitgassing van materialen zijn:
- De dampspanning van een materiaal
- De specifieke oppervlakte
De dampspanning van zowel glas als keramiek is zeer laag, waardoor het zeer geschikt is voor vacuümtoepassingen. Metalen hebben eveneens een lage dampspanning, maar voor sommige veeleisende toepassingen kan dit een belangrijke belemmering worden. Het voordeel van metaal daarentegen is dat het gemakkelijk kan worden gevormd in ieder ontwerp. Ook kan het met conventionele technieken, zoals lassen, aan andere oppervlakken en materialen worden gelijmd. Dankzij nieuwe fabricagetechnologieën biedt glas tegenwoordig meer functionele mogelijkheden met betrekking tot de ontwerpvrijheid. Bovendien maakt het verschillende verlijmingstechnieken mogelijk, waardoor de beperkingen voor het gebruik in vacuümtoepassingen wegvallen. Een prachtig voorbeeld hiervan is de mogelijkheid om complexe 3D-structuren in glas te maken. Dit wordt gedaan door Selectief Laser Geïnduceerd etsen ofwel Selective-Laser-Induced etching (SLE) toe te passen.
Wat zijn de voor- en nadelen van Glas en Keramiek in UHV en UCV?
Het specifieke oppervlak van glas is eveneens zeer laag in vergelijking met andere materialen. Over het algemeen heeft glas een glad, sterk en onbuigzaam oppervlak. Voor keramiek geldt dit ook, behalve dat deze door porositeit ook een groter inwendig oppervlak kan hebben. Bijkomend voordeel is dat zowel glas als keramiek tot hoge temperaturen kunnen worden gebakken in verschillende niet-inerte omgevingen om de gassen en geadsorbeerde stoffen te elimineren. Daardoor kan het vacuümsysteem grondig worden gereinigd nadat het door externe bronnen is verontreinigd.
Ultrahoog en ultrazuiver vacuüm betekent eigenlijk niets anders dan het handhaven van een volume met een zeer laag gehalte aan (ongewenste) moleculen. Deze moleculen kunnen van verschillende bronnen afkomstig zijn (zie figuur):
- Bestaande gasmoleculen die al vanaf het begin in de vacuümkamer aanwezig zijn.
- Gasmoleculen die van het vacuümpompsysteem terugstromen.
- Externe gasmoleculen afkomstig uit de externe omgeving, die in het vat terechtkomen door lekken.
- Gasmoleculen die ontstaan of geadsorbeerd worden aan de oppervlakken binnenin het vat.
- Gasmoleculen die diffunderen uit de in het vat gebruikte bulkmaterialen.
Typische processen in UHV, waarin glas en keramiek kunnen worden gebruikt:
- Lithografieprocessen
- Meetprocessen in vacuüm
Typische toepassingen:
- Glasisolatoren - door glas te gebruiken als isolator in hoogvacuümdoorvoeren kan een vacuümdichte isolatie worden gecreëerd tussen het vacuüm en de luchtzijde. Glas is een duurzaam materiaal en zal over een lange periode niet degraderen, in tegenstelling tot gesoldeerde of gelijmde doorvoeringen.
- Keramische hitteschilden - Door en door gereinigd aluminiumoxide kan in ultrahoog vacuüm worden gebruikt voor de afscherming van wolfraamheaters.
- Keramische connectorisolatoren - Keramiek kan worden gebruikt in hoogspanningsdoorvoeren om een hoge kruipweerstand te creëren.
Is glas een beter alternatief voor uw UHV & UCV toepassing?
Glas kan worden gebruikt in plaats van metaal wanneer specifieke functionele eigenschappen belangrijk worden. Door het gebruik van glas is het mogelijk een dieper vacuum te creëren. Glas is bestand tegen extremere omgevingsomstandigheden en heeft een lagere uitzettingscoëfficiënt. Door materialen te kiezen met een lage uitgassing door diffusie en een lage hoeveelheid oppervlaktemoleculen, kunt u betere vacuümvereisten bereiken.
De ingenieurs van LouwersHanique hebben een enorme kennis opgebouwd met betrekking tot het optimaliseren van bijpassende materialen, de verschillende uitzettingscoëfficiënten, viscositeit en verbindingstemperaturen.
Diverse technologieën worden toegepast, zoals directe verbinding, solderen en thermo-compressie.
Wilt u meer weten over de voordelen van glas voor uw specifieke UHV & UCV toepassing?
Lees verder over onze doorvoeren of verbindingstechnieken.
Of neem direct contact met ons op zodat wij u kunnen helpen!
Auteur: Nadja Schuh
Nadja Schuh is onze R&D ingenieur en is de auteur van dit blogartikel. Zij heeft meer dan 15 jaar ervaring in materialen en reinheid binnen de high tech industrie. Nadja beschikt over een DfSS Black Belt en richt zich op het borgen van hoge kwaliteit en de constante verbetering van processen. Als ingenieur bij LouwersHanique is ze elke dag bezig met glas en keramiek in high tech toepassingen. Deze materialen vond ze buitengewoon interessant sinds ze er kennis mee maakte op een avondcursus gedurende haar studie chemische technologie.
