常见的几种超高真空密封技术

我们都知道，真空的获得与良好的密封是分不开的。真空密封技术是保证系统真空度的重要手段。常见的真空密封技术有橡胶密封、磁流体密封、粘胶剂密封和金属密封，等等。下面就让我们一起来了解一下这些密封手段及其特点。

真空橡胶密封

19世纪中期，出现了第一个O形圈。到今天，仅仅过了一百多年的时间，但是，O形圈结构简单、装卸方便、密封可靠、动摩擦阻力小、无需周期调整，所以得到了全面发展，广泛应用于各种真空系统的密封上。

应用于真空系统比较多的有两类橡胶：由天然乳胶制成的硫化橡胶、合成橡胶（包括丁基、氯基、丁晴橡胶），以及硅酮橡胶、氟橡胶等。

解决真空橡胶密封，除了要有正确的密封结构设计之外，合理选择密封材料也是关键。影响真空密封的几个主要因素有：橡胶的耐热性、耐压缩变形性、漏气率、气透性、出气率，以及升华（失重）等。

·耐热性。在真空系统中，常常要对系统或元件进行去气，一般通过烘烤来完成，这样对橡胶密封件要求有一定的耐热性，以保证烘烤去气的顺利进行。一般烘烤温度在120℃以下和10^-5Pa的真空度下，可以采用丁基或丁晴橡胶；如果要求更高的烘烤温度，并且在超高真空环境中工作，则需采用氟橡胶。

·耐压缩变形性。在真空系统中，大量的真空密封件，都处于压缩状态下工作。为了使密封件具备密封的可靠性，同时保持一定的密封寿命，真空密封橡胶应具有较小的压缩变形值（最好小于35%），同时要求具有比较缓慢的压缩应力松弛程度（即压缩应力松弛系数较大），这样才能保证真空密封件具有较高的工作寿命。

·漏气率。根据经验和计算，在真空系统中，当真空泵的抽气速率为8000L/s时，要维持5×10^-7Pa的真空度，橡胶的漏气率不得大于5.25×10^-3Pa·cm^3/s。下表1是各种橡胶的漏气率。

·气透性。不同橡胶在不同温度下，对空气的气透性不同，这是由它们的内部结构决定的。丁晴橡胶由于有甲基基团，所以气透性低；又由于丁晴橡胶有晴基的极性基团，所以它对非极性气体渗透性低。因此，丁晴橡胶的丙烯晴含量越高，其气透性越低。值得一提的是，温度对橡胶的气透性影响很大，温度越高，气透性越大。另外，不同气体在不同橡胶中的气透性也不一样。在同一气体中，气透性的大小顺序依次为：天然橡胶＞丁苯胶＞丁晴胶＞氯丁胶＞丁基胶。下表2是各种橡胶对不同气体的气透性。

·出气率。橡胶出气率的定义为：在一定温度下，单位时间内橡胶单位面积上的出气量。真空密封中一般要求在10^-4~10^-5Pa·L/s。根据实验数据，按照出气率的大小，可以对各种橡胶作如下排列：氯醇橡胶＞乙烯基硅橡胶＞天然橡胶＞丁晴橡胶＞氯丁橡胶＞氟橡胶。

·橡胶的升华（失重）。橡胶在一定的真空度和温度下的失重叫升华。在真空密封中，要求密封材料的升华值要小。为了使橡胶密封件在相应的真空系统中能有一个相对稳定的关系，以保证维持既定的真空度，一般要求升华值小于10%。按照真空升华值的大小，可以对各种橡胶作如下排列：天然橡胶＞丁晴橡胶＞氯丁橡胶＞氯醇橡胶＞乙烯硅橡胶＞氟橡胶。表3是各种橡胶在真空中的失重情况。

在高真空系统中，橡胶密封元件对真空系统极限压力的主要影响因素是材料的漏气率和出气率。

磁流体密封

磁流体是20世纪60年代问世的。磁流体密封是比较成熟的技术，在真空密封方面发挥着越来越大的作用。

从原理上来讲，磁性液体（有时也叫做磁性流体或铁磁性液体）是由磁性纳米颗粒，经过特殊处理，均匀分散到液体当中与其混合而成的一种固液相混的胶状液体。它既有液体的流动性，又具有磁性。磁性液体密封技术，就是利用磁性液体对磁场的响应特征而实现的。当我们把制作精良的磁性液体注入到由高性能的永久磁铁、导磁良好的极靴、轴构成的磁回路的间隙中，在磁场的作用下，磁液在间隙中会形成数个液体O形圈，其数量与设计的凸牙个数相等，当磁性液体受到压差作用时，它会在非均匀磁场中略微移动，产生对抗压差的磁力，从而达到新的平衡，起到了密封作用。

由于在密封件内部只有导磁体与液体的接触密封，所以磁流体密封具有以下优点：

·严密的密封性。酯基磁性液体能够对介质（大气或惰性气体）进行严密的、稳定的动密封和静密封。

·不可测量的泄漏率。基本上很难检出泄漏，所以人们通常称磁流体密封为“零泄漏”。

·可靠性高。磁流体密封件在正压情况下，产生瞬时过压击穿时，一旦压力降低到密封可以承受的程度，密封效果依然能保持，使用可靠性相当高。

·基本无污染。由于密封件本身不存在机械磨损，磁性液体饱和蒸气压极低，因而即使在高真空状态下使用，也不会产生污染。

·高速性能好。磁性液体在旋转状态下，内摩擦力极小，功率损耗小，因而具有高速运动的潜力。

·低摩擦、低磨损、低发热。在装有轴承的密封件中，除了轴承在旋转过程中的机械磨损小，内部磁芯组件和转轴不直接接触，所以摩擦低、磨损小、发热小，所需的运转动力小。

·良好的修复性。在使用当中，因为某些原因造成磁流体密封失效，只要内部元件功能正常，一般在现场用较短的时间，即可修复磁流体密封件。

·无方向性密封。如果需要改变承压方向，对于磁流体密封件来说，无需增加任何元件即能完成。

由于磁流体密封具有诸多优点，其应用的领域已经涉及到国产和进口的晶体生长设备、扩散炉、真空钎焊炉、真空热处理炉及镀膜机等真空设备。

粘胶剂密封

1985年，中科院化学所和中科院电子所研制了一种有机硅高真空微孔密封剂，并且转让给南昌静电复印厂试生产。这种密封剂是无色透明、低粘度的液体，对金属、陶瓷、玻璃和塑料都有很强的的浸润性，用它来密封高真空器件和高真空系统出现的微漏孔，效果很好，使用温度范围在350℃~-196℃。

现如今，密封胶也逐渐流行起来了。以安捷伦真空的Torr Seal密封胶为例，可能很多人都听过甚至用过这种真空胶。这种密封胶能粘合金属、陶瓷、玻璃等多种材料，密封性良好，，固化后的放气率极低，可以在1×10^-9mbar甚至更低压力的超高真空环境下使用，所以Torr Seal也被称作“超高真空密封胶”。

从原理上来讲，Torr Seal密封胶是一种环氧树脂胶，跟普通的AB胶很类似，含有两种组分，都是膏状，它们混合后就会开始缓慢固化，从而实现粘结或密封的效果。

从应用场景上来看，可以有如下几种：①在真空腔体内粘结固定各种零件；②真空密封或堵漏，这种真空胶固化后具有一定的强度，可以用于螺纹处的真空密封，玻璃、陶瓷与金属之间的链接和真空密封，馈通件/航空插头的电极与法兰之间的密封，X射线管、激光管等各种真空管的链接与真空密封，真空管与法兰的连接和密封；此外，它还能快速封堵各种真空系统或部件的漏孔，对于一般的真空泄漏，直接涂上就能堵漏，胶变硬后就能直接进行检漏工作或开始正常使用；③真空胶使用固化剂固化，没有刺激性气味和甲醛等挥发物，所以，它还可以用于对气味要求比较高的非真空应用。

可以说，对于一般的真空泄漏而言，粘胶剂密封法密封和堵漏显得非常方便，哪怕是超高真空也不怕，而且还能在有些部件之间起到连接的作用。

金属密封

金属密封的发展历史比较长，比橡胶密封出现得更早。相对而言，橡胶具有较大的出气率和渗透率，并且不能高温烘烤，又不耐辐射，应用受到一定限制。而金属密封则弥补了橡胶密封的以上缺点，因而广泛应用于超高真空环境。

从原理上来说，金属材料和橡胶一样，都具有一定的弹性和延展性。在金属密封圈受到外界压力而发生弹性变形时，在弹性恢复力的作用下，密封圈具有恢复原始形状的趋向，这种趋向填补了密封面的缝隙，从而起到密封作用。

下面介绍几种经常应用于超高真空的金属密封方法。

1金属铟丝密封

金属铟的莫氏硬度只有1.2，远小于金属铜2.5-3以及铝2-2.9的莫氏硬度，熔点为156.6℃。较好的延展性使其非常有利于真空密封连接，在密封时将一段适合长度的铟丝布在法兰表面，铟丝两端搭接即可，不需要事先加工成标准的密封圈。所以常应用于法兰尺寸较大，其它金属密封圈不易加工的场合。

法兰铟丝密封

根据法兰尺寸大小，铟丝直径可选取为1~2mm之间值。但因其熔点较低，烘烤温度不能高于150℃。并且金属铟具有很好的低温性能，铟丝密封常常应用于低温环境真空密封。但是铟丝被压后容易流动，所以法兰需要做成台阶或者凹槽型，如图2所示，防止铟丝流入真空室。

2全金属快卸密封

相对于常规螺栓紧固法兰需要多套螺栓，卡箍只有两个螺钉紧固，可以较快速地完成安装，所以称为快卸卡箍。全金属快卸式密封主要由快卸卡箍，平面法兰，密封圈组成密封系统，如下图所示。

全金属快卸式密封

快卸卡箍的轴向夹紧力较小，一般采用纯铝作为密封圈的材料，为降低卡箍的变形量，卡箍采用刚度较大的不锈钢材料。快卸卡箍由多瓣夹具组成，随着法兰口径增大，夹具数量随之增加。并且随着法兰口径增大，同样螺钉紧固力的情况下，卡箍作用于轴向的夹紧力变小。因此，对于标称口径小于φ160的法兰，全金属快卸密封的密封性能较好。

全金属快卸密封不需要轴向螺钉固定，所以大大节省了轴向空间，并且螺钉数量小，安装较快的特点，常应用于安装空间狭小，又需要快速安装的场合。例如高能加速器，在刚刚停机后存在一定剂量的辐射，为保护工作人员人身安全，需要快速完成安装。全金属快卸式密封在中国科学院高能物理研究所形成了所内的试用标准，已经较为广泛地应用于多台加速器的真空密封连接。

3全金属快卸与铟丝组合式密封

铟丝密封法兰为了在安装前能够更好地安装铟丝，常需要在法兰上做出一个肩环或凹槽，如上图所示。并且，由于铟丝较软，在安装时需要较大的操作空间，全金属快卸密封常常由于轴向夹紧力不足，导致容易出现小漏率的问题。

本节所讲的组合式密封，继承了铟丝较软以及全金属快卸密封可以应用于狭小空间安装的优点，在全金属密封圈的密封面外侧加装铟丝，可解决全金属快卸密封夹紧力不足而导致漏气的问题，其结构如下图所示。

全金属快卸与铟丝组合式密封

这种密封结构相当于延长了气体泄漏的路径，大大降低了泄漏通道流导。并且，铟丝处于金属密封圈外侧，这样可降低因高温导致铟丝熔化流入真空室的风险，提高系统可靠性。

4弹簧蓄能Helicoflex密封

弹簧蓄能密封圈（Spring Energized Seal）即Helicoflex，是一个由金属铝、铜、银、不锈钢或其他聚合材料夹套及蓄能弹簧组合而成的压力辅助密封装置，如下图所示。

弹簧蓄能密封图

当弹簧蓄能密封圈装在密封沟槽内弹簧受压，促使夹套密封面紧贴密封沟槽，由此形成密封。弹簧给密封夹套提供弹力，并弥补材料磨损及配合零件的偏移或偏心，系统压力也会辅助密封夹套蓄能，通过弹簧弹力和系统压力形成一个恒定持久的预紧力，从而实现有效密封。

弹簧蓄能密封圈用于密封应用于超高真空、核装置、航空航天、石油、低温、化工、冶金、动力机械、蒸汽容器等设备上