Конструкционные материалы. Основные требования, предъявляемые к конструкционным материалам

Курс «Проектирование и конструирование технологических плазменных ускорителей и установок»

Лекция №4

КОНСТРУКЦИОННЫЕМАТЕРИАЛЫ

Основныетребования, предъявляемые кконструкционнымматериалам

Требования, которые предъявляются к конструкционным материалам, используемым в вакуумной технике, существенно отличаются от принятых в общем машиностроении и часто вообще не учитываются в иных областях техники.

Рассмотрим основные специфические требования, которым должны удовлетворять материалы, используемые в вакуумной технике:

- высокая вакуумная плотность при минимальной толщине материала;

- низкое давление насыщенных паров материала при рабочей температуре;

- наименьшее возможное газовыделение в вакууме и легкость обезгаживания.

Учитывая большое разнообразие конструкционных материалов, используемых в вакуумной технике, ограничимся рассмотрением лишь основных материалов.

Основные конструкционные материалы, применяемые в вакуумной технике по их строению и свойствам можно разделить на:

- металлы и сплавы;

- неметаллические материалы.

В свою очередь неметаллические (диэлектрические) материалы по химическому составу делятся на:

- неорганические диэлектрики:

- стекла;

- керамики;

- органические диэлектрики:

- резины;

- полимерные материалы.

МЕТАЛЛЫИИХСПЛАВЫ

Тугоплавкие металлы и сплавы

Тугоплавкие металлы, к которым относятся вольфрам (W), молибден (Mo), тантал (Ta), ниобий (Nb), рений (Re) и их сплавы, отличаются высокой температурой плавления (выше 2400 °С), низкой скоростью испарения, прочной, преимущественно объемно-центрированной кубической решеткой, химической стойкостью и другими свойствами.

Как видно из табл. 1, в которой представлены основные физические и механические свойства, тугоплавкие металлы обладают высоким значением механической прочности. Это качество обеспечивает тугоплавким металлам лучшую формоустойчивость при значительных тепловых нагрузках, благодаря чему они применяются для изготовления катодов прямого накала, подогревателей катодов косвенного накала, анодов и сеток электровакуумных приборов.

Таблица 1

Основные физические и механические свойства, тугоплавких металлов

Тугоплавкие металлы отличаются высоким значением удельного электрического сопротивления. Температурный коэффициент расширения указывает на возможность пайки многих из этих металлов со стеклом и керамикой. Тугоплавкие металлы являются антикоррозийными, так как они не окисляются при комнатной температуре на воздухе.

При нагреве тугоплавкие металлы образуют прочные соединения со многими элементами, в том числе с газами. Поэтому обезгаживание таких металлов должно производиться при более высоких температурах, чем металлов пониженной тугоплавкости.

Отличительным признаком большинства тугоплавких металлов является общность технологии их производства.

Вольфрам. Основные физические свойства вольфрама приведены в табл. 2. Вольфрам отличается от других тугоплавких металлов большой плотностью, самой высокой температурой плавления, малой скоростью испарения, сравнительно небольшим коэффициентом линейного расширения и значительной теплопроводностью. Максимальная рабочая температура вольфрама в вакууме 2560 °С.

Таблица 2

Основные физические свойства вольфрама

Примечание: В скобках указана температура (°С), при которой получено данное значение.

Применение чистого вольфрама в производстве электровакуумных приборов ограничено из-за сравнительно низкой температуры рекристаллизации (1000…1100 °С). Замедление этого процесса достигается путем введения в состав металла присадок в виде оксидов SiO₂, Аl₂O₃, ТhО₂ и других, которые значительно увеличивают температуру рекристаллизации (1400…1800 °С). Такие присадки, как оксиды кремния, алюминия или кальция, располагаясь между зернами, затрудняют образование новых кристаллов и рост существующих в процессе рекристаллизации.

Структура вольфрама марки ВА, содержащего вышеназванные присадки, представляет собой сильно вытянутые в продольном направлении кристаллы, обеспечивающие прочность и формоустойчивость изделий при рабочей температуре.

Присадки оксида тория в вольфраме марки ВТ не только повышают прочность и формоустойчивость металла, но также служат для уменьшения работы выхода (2,7 эВ против 4,5 эВ для чистого вольфрама).

Электрические свойства вольфрама характеризуются высокими значениями удельного электрического сопротивления и температурного коэффициента, что позволяет осуществлять быстрый нагрев вольфрама до высоких температур при сравнительно небольших затратах энергии.

Мощность излучаемой энергии вольфрама значительно увеличивается при нагревании его до температур свыше 2200 °С, что имеет большое значение при использовании его в качестве тела накала в осветительных лампах. При этой же температуре вольфрам обладает значительным током эмиссии, однако применение его в качестве катодного материала ограничивается, заметной скоростью испарения. В этом отношении преимущество имеет вольфрам марок ВТ-7, ВТ-10 и ВТ-15. Рабочая температура катодов из этого материала составляет 1650…1700 °С против 2100…2300 °С для катодов из чистого вольфрама.