Литературный обзор, Нераспыляемые газопоглотители - Создание порошкового активного материала, с пониженной температурой активирования, для изготовления газопоглотителей

История применения активных металлов для связывания газов внутри вакуумного прибора насчитывает более 100 лет. Для этой цели впервые был использован магний [2, 3].

В любом случае, металлы, пригодные для применения в качестве газопоглощающих средств, должны отвечать трем основным условиям:

    - Они должны быть сорбционно универсальны, т. е. активны одновременно ко всем газам (кроме инертных), которые присутствуют в атмосфере электровакуумного прибора, независимо от характера (окислительного или восстановительного) этих газов. - Материал газопоглотителя должен сочетать свойства инертности и активности. Будучи инертен на воздухе, он должен легко переводиться в активную форму посредством нагрева под откачкой в процессе изготовления прибора. - Упругость паров такого металла при его рабочей температуре должна быть очень мала [4].

С учетом этого, перечень геттерных материалов ограничивается двумя группами активных металлов, на основе каждой из которых возникло и получило развитие крупное направление в технике газопоглотителей.

Нераспыляемые газопоглотители

Этот класс газопоглотителей получил свое развитие на основе переходных металлов IV и V групп Периодической системы химических элементов, главным образом, титана, циркония и ванадия. Другое распространенное название этого класса - пористые газопоглотители.

Уже из самого названия очевидно, что главным отличительным признаком этих газопоглотителей является пористая структура. Поскольку процесс сорбции происходит на поверхности раздела сред (твердой и газообразной), то эффективность газопоглотителя напрямую зависит от площади, на которой идет реакция. Поэтому при изготовлении нераспыляемых газопоглотителей всегда стремятся к максимальной развитости поверхностного рельефа (пористости), которая ограничивается только прочностными соображениями.

Так, например, базовый газопоглотитель за счет высокопористой структуры имеет реальную площадь поверхности, на два порядка превосходящую геометрическую [5]. Естественно, что такая высокопористая структура может быть получена только с применением порошковых технологий.

Необходимо отметить еще одну важнейшую особенность переходных металлов IV и V групп Периодической системы химических элементов, на основе которых созданы все пористые газопоглотители.

Для них выполняется следующее условие:

VMe / VMeX < 1,

Иначе говоря, мольные объемы продуктов реакции этих металлов с основными компонентами газовой среды ЭВП превышают мольные объемы чистых металлов [3, 20]. Сказанное иллюстрируют данные, представленные в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Мольные объемы чистых металлов и продуктов взаимодействия их с газами для титана и циркония [3]

Вещество

Мольный объем, см3/моль

VMe / VMeX

Ti

10,6

-

TiH2

12,9

0,8

TiO

13,0

0,81

TiO2

18,7

0,57

TiC

12,2

0,86

Zr

14,0

-

ZrH2

17,1

0,82

ZrO2

21,9

0,64

Разумеется, что при VMe / VMeX < 1 на поверхности частиц газопоглотителя образуется сплошная пленка, представленная, главным образом оксидными соединениями. Эта пленка защищает геттерный материал от дальнейшего окисления, но при этом делает невозможной и сорбцию газов, поскольку активные центры на поверхности металла заняты кислородом, а поры структуры газопоглотителя также заполнены остаточными газами. Поэтому после монтажа газопоглотителя в прибор необходимо перевести его в активное состояние. С этой целью проводятся операции вакуумно-термической обработки - обезгаживание и активирование [3, 5].

Аппаратурно и технологически эти операции фактически идентичны - обе они заключаются в нагреве под откачкой установленного в прибор газопоглотителя до заданной температуры и выдержке при ней в течение определенного времени. Поэтому в повседневной приборостроительной практике эти термины часто смешивают, представляя активирование как конечное, более глубокое обезгаживание газопоглотителя. Однако они обозначают принципиально разные процессы, так как имеют в своей основе различные физические и физико-химические явления.

В ходе обезгаживания газопоглотителя молекулы физически адсорбированного газа приобретают кинетическую энергию, достаточную для разрыва ван-дер-ваальсовых связей с активными центрами на поверхности, поскольку температура есть мера средней кинетической энергии молекул (закон Стефана-Больцмана). В результате адсорбированный газ уходит с поверхности частиц и из пор прессованной структуры газопоглотителя в объем прибора. Естественно, при этом происходит падение вакуума, фиксируемое манометрическими датчиками. Таким образом, обезгаживание газопоглотителя есть процесс физический.

Активирование представляет собой процесс растворения поверхностной оксидной пленки и последующей диффузии кислорода под действием градиента концентрации вглубь активного материала. При этом освобождаются поверхностные активные центры. Нагрев газопоглотителя в ходе активирования служит для ускорения этого процесса, поскольку скорость диффузии есть функция температуры (закон Фика). Таким образом, активирование газопоглотителя есть процесс физико-химический. При этом в ходе его проведения существенного выделения газа в объем прибора, как правило, не происходит.

Похожие статьи




Литературный обзор, Нераспыляемые газопоглотители - Создание порошкового активного материала, с пониженной температурой активирования, для изготовления газопоглотителей

Предыдущая | Следующая