Welches Material sollte nicht in einer Vakuumkammer verwendet werden? Vermeiden Sie Ausgasung und Kontamination

Grundsätzlich sollte jedes Material, das unter niedrigem Druck Gase oder Dämpfe freisetzt, nicht in einer Vakuumkammer verwendet werden. Die häufigsten Verursacher sind poröse Materialien wie Holz und Papier, viele Standardkunststoffe wie PVC und Acryl sowie flüchtige Substanzen wie Öle, Fette und die meisten Klebstoffe. Diese Materialien beeinträchtigen das Vakuumniveau und kontaminieren die Kammerumgebung durch einen Prozess, der als Ausgasung bekannt ist.

Der wichtigste Einzelfaktor bei der Materialauswahl für ein Vakuum ist seine Ausgasungsrate. Das Ziel ist es, Materialien auszuwählen, die die absolut minimale Menge an eingeschlossenem Gas und flüchtigen Verbindungen freisetzen, um sicherzustellen, dass Sie ein sauberes, tiefes Vakuum erreichen und aufrechterhalten können.

Das Kernproblem: Ausgasung

Die größte Herausforderung in einer Vakuumkammer ist nicht das, was Sie hineingeben, sondern das, was daraus austritt. Dieses Phänomen, bekannt als Ausgasung, ist der Feind jedes Vakuumsystems.

Was ist Ausgasung?

Ausgasung ist die langsame Freisetzung von Gas, das in einem Material gelöst, eingeschlossen oder absorbiert war. Wenn der Druck außerhalb des Materials sinkt, werden diese eingeschlossenen Gase und flüchtigen Moleküle nicht mehr festgehalten und entweichen in die Vakuumkammer. Wasserdampf ist bei weitem das häufigste ausgasende Molekül.

Warum Ausgasung wichtig ist

Unkontrollierte Ausgasung hat zwei kritische Folgen. Erstens begrenzt sie den erreichbaren Enddruck Ihrer Vakuumpumpe, da die Pumpe ständig arbeiten muss, um die freigesetzten Moleküle zu entfernen. Zweitens können diese freigesetzten Moleküle empfindliche Oberflächen in der Kammer kontaminieren, wie z. B. Optiken, Sensoren oder die Probe, an der Sie arbeiten.

Die Rolle des Dampfdrucks

Jedes Material hat einen Dampfdruck, also den Druck, bei dem es zu verdampfen oder zu sublimieren beginnt (direkt vom Feststoff zum Gas wird). Im Vakuum kann der Umgebungsdruck leicht unter den Dampfdruck eines Materials fallen, wodurch es sich aktiv zersetzt und zu einem Gas wird, was Ihr Vakuum ruiniert und alles in der Kammer beschichtet.

Eine Aufschlüsselung problematischer Materialien

Obwohl die Liste lang ist, fallen problematische Materialien im Allgemeinen in einige Schlüsselkategorien.

Kunststoffe und Polymere

Viele gängige Kunststoffe sind für das Vakuum ungeeignet. Sie enthalten oft flüchtige Weichmacher und absorbieren leicht Wasser aus der Atmosphäre.

• Zu vermeiden: PVC, Acryl (Plexiglas), Nylon und Vinyl.
• Problem: Sie gasen Wasserdampf und andere flüchtige organische Verbindungen aus. Nylon ist besonders hygroskopisch (wasserabsorbierend).
• Akzeptable Alternativen: Spezialpolymere wie PEEK, Vespel (Polyimid) und PTFE (Teflon) weisen sehr geringe Ausgasungsraten auf.

Porous und organische Materialien

Diese Materialien wirken wie Schwämme und speichern große Mengen an Luft und Wasserdampf in ihrer Struktur.

• Zu vermeiden: Holz, Papier, Pappe, Baumwolle (auch von Handschuhen) und unversiegelte Keramiken.
• Problem: Es ist nahezu unmöglich, das gesamte eingeschlossene Gas zu entfernen, was zu extrem langen Evakuierungszeiten und einem schlechten Endvakuum führt.

Klebstoffe, Klebebänder und Fette

Die meisten handelsüblichen Klebstoffe, Bänder und Schmiermittel sind nicht für das Vakuum ausgelegt und gasen stark aus.

• Zu vermeiden: Gummikleber, Sekundenkleber, Isolierband und kohlenwasserstoffbasierte Fette (wie Vaseline).
• Problem: Die Lösungsmittel und flüchtigen Bestandteile in diesen Produkten verdampfen schnell und kontaminieren das gesamte System.
• Akzeptable Alternativen: Verwenden Sie spezielle vakuumtaugliche Epoxidharze (wie Torr Seal), Kapton-Band und spezielle Vakuumfette (wie Apiezon oder Krytox).

Flüchtige Metalle

Sogar einige Metalle können problematisch sein, insbesondere in Hochvakuum- (HV) oder Ultrahochvakuum- (UHV) Systemen, bei denen Temperaturen beteiligt sein können.

• Zu vermeiden: Zink und Cadmium. Messing (eine Legierung aus Kupfer und Zink) kann ebenfalls problematisch sein.
• Problem: Diese Metalle haben einen relativ hohen Dampfdruck und können sublimieren, wodurch Oberflächen in der Kammer beschichtet werden. Deshalb werden Verbindungselemente oft aus Edelstahl oder versilbert statt verzinkt hergestellt.

Die Abwägungen verstehen

Die Auswahl eines vakuumkompatiblen Materials ist oft ein Balanceakt zwischen Leistung, Kosten und Praktikabilität.

Sauberkeit ist das Wichtigste

Die Vorgeschichte eines Materials ist wichtig. Ein ansonsten akzeptabler Edelstahl, der mit Schneidölen oder Fingerabdrücken kontaminiert ist, gast stark aus. Alle Komponenten müssen vor dem Einsetzen in die Kammer sorgfältig mit geeigneten Lösungsmitteln gereinigt werden.

Das Prinzip des „Gut Genug“

Das erreichbare Vakuum bestimmt Ihre Materialwahl. Für eine Anwendung mit grobem Vakuum haben Sie viel mehr Spielraum und eine gewisse Ausgasung kann akzeptabel sein. Für ein Ultrahochvakuum (UHV)-System ist die Materialauswahl nicht verhandelbar und erfordert die strikte Einhaltung von UHV-kompatiblen Materialien.

Die Kosten der Kompatibilität

Materialien, die für geringe Ausgasung konstruiert sind, wie PEEK, OFHC (sauerstofffreies hochleitfähiges) Kupfer sowie bearbeitetes Aluminium oder Edelstahl, sind erheblich teurer als ihre gewöhnlichen Gegenstücke. Die Kosten resultieren aus Reinheit und Leistung.

Das richtige Material für Ihr Ziel auswählen

Ihre Wahl hängt vollständig vom erforderlichen Vakuumgrad und der Empfindlichkeit Ihres Prozesses ab.

• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf Hochvakuum (HV) oder Ultrahochvakuum (UHV) liegt: Sie müssen Materialien verwenden, die speziell für diese Umgebung ausgelegt sind, wie Edelstahl, Aluminium, Keramik, PEEK, Vespel und Kapton.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf einem groben oder mittleren Vakuum liegt: Sie haben mehr Flexibilität, sollten aber dennoch stark poröse Materialien wie Holz und Papier vermeiden, um angemessene Evakuierungszeiten zu gewährleisten.
• Wenn Sie unbedingt ein fragwürdiges Material verwenden müssen: Ziehen Sie eine „Vakuum-Ausheize“ (Bake-out) in Betracht, bei der die Komponente separat unter Vakuum erhitzt wird, um die meisten ihrer flüchtigen Bestandteile auszustoßen, bevor sie verwendet wird.

Indem Sie von Anfang an Materialien mit geringer Ausgasung priorisieren, übernehmen Sie die Kontrolle über Ihre Vakuumumgebung und sichern die Integrität und den Erfolg Ihres Prozesses.

Zusammenfassungstabelle:

Materialkategorie	Zu vermeidende Beispiele	Hauptproblem	Akzeptable Alternativen
Kunststoffe & Polymere	PVC, Acryl, Nylon	Hohe Ausgasung von Wasserdampf und VOCs	PEEK, PTFE (Teflon), Vespel
Porous & Organische Materialien	Holz, Papier, Pappe, Baumwolle	Speichern große Mengen Luft und Feuchtigkeit	Versiegelte Keramiken, Metalle
Klebstoffe, Klebebänder & Fette	Gummikleber, Sekundenkleber, Isolierband	Lösungsmittel und flüchtige Stoffe verdampfen	Vakuumtaugliche Epoxidharze, Kapton-Band, Apiezon-Fett
Flüchtige Metalle	Zink, Cadmium, Messing	Hoher Dampfdruck, können sublimieren	Edelstahl, silberbeschichtete Komponenten

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