В последние годы многие синтетические материалы — пластмассы, эластомеры, эпоксидные смолы и т. д. — стали широко применяться в технике высокого вакуума. Для всех этих материалов характерны высокие скорости выделения абсорбированных газов; кроме того, они до некоторой степени проницаемы для любых газов. Величины скоростей выделения и проникновения газов для этих материалов значительно выше, чем для металлов, стекла и керамики.

Несмотря на то, что скорость выделения газа может быть уменьшена при продолжительном откачивании или, в некоторых случаях, при нагревании до невысоких температур, синтетические материалы вновь быстро сорбируют газ (в особенности водяные пары) при выдерживании их на воздухе. В связи с этим для синтетических материалов не могут быть достигнуты величины скорости газовыделения, сравнимые со скоростями в прогреваемых металлических или стеклянных системах. Таким образом, эти материалы, вообще говоря, не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к системам сверхвысокого вакуума. Однако, поск ольку они довольно дешевы и в то же время обладают необходимыми химическими и физическими свойствами, например достаточной способностью к упругой деформации, разработаны соответствующие методы их использования, позволяющие достичь минимального натекания газа в непрерывно откачиваемых системах, особенно в системах с остаточным давлением >10^-6 Па.

Обезгаживание и газопроницаемость различных пластмасс и эластомеров, выпускаемых промышленностью, изучены довольно подробно. В табл. 2.7 приведены некоторые (взятые в основном из работы [33]) типичные значения скоростей газовыделения при комнатной температуре для материалов, представляющих наибольший интерес в технике высокого вакуума. Эти данные иллюстрируют также влияние нагрева и выдержки на воздухе на скорость обезгаживания.

 Видно, что начальная скорость газовыделения для всех изученных материалов значительная и составляет от 10^-3 до 10^-4 Па-м3-с-1 м-2 и даже после откачивания в течение 50 ч не становится существенно ниже 10^-5 Па*м3-с^-1-м^-2. Исключением является политетрафторэтилен (ПТФЭ), или тефлон, скорость газовыделения для которого составляет около 10^-7 Па*м3-с^-1-м^-2. Эти данные отличаются от результатов работы, в которой обнаружено, что после откачивания в течение 300—400 ч скорость газовыделения уменьшается только на порядок.

Газ, выделяемый синтетическими материалами, в основном состоит из паров воды. Нагрев этих материалов до максимально допустимой температуры, ограниченной началом пластической деформации или химического разложения, позволяет уменьшить скорость газовыделения по меньшей мере на порядок. Самые низкие скорости газовыделения достигаются для материалов, которые могут быть нагреты до самых высоких температур. Вот почему ПТФЭ, витон-А, микалекс и полиимид нашли широкое применение в вакуумных системах, откачиваемых до остаточных давлений ниже 10^-6 Па. Два материала, разработанные сравнительно недавно фирмой «Дюпон» — колрец и витон-ЕбОС, — обладают повышенной -способностью к обезгаживанию, но пока еще широко не используются.

представляет собой довольно твердый материал, обладающий исключительной стойкостью по отношению к химически активным реагентам и относительно высокой термостойкостью (около 300°С). Этот материал характеризуется очень низким коэффициентом трения, что позволяет его использовать для подшипников скольжения, не нуждающихся в смазке. В вакуумной технике ПТФЭ применяется главным образом именно в этих целях.

Поскольку для изготовления подшипников требуются относительно малые количества ПТФЭ, небольшим натеканием газа от ПТФЭ можно пренебречь, особенно при давлениях выше 10^-6 Па. ПТФЭ может также использоваться для покрытия металлических прокладок, применяемых в разъемных вакуумных соединениях2' (см. разд. 6.2). Витон-А представляет собой фторуглеродный эластомер, используемый для изготовления кольцевых уплотняющих прокладок, которые можно нагревать до 200°С. Этот материал заменил неопрен в высоковакуумных системах с предельным остаточным давлением 10^-7 Па. Микалекс не является истинным пластик ом, а представляет собой синтетический материал, получаемый из слюды со стекловидным связующим. Он удобен в механической обработке и является предшественником стеклокерамики макор.

Полиимид, вероятно, наиболее привлекательный для вакуумной техники материал, поскольку он обладает самой низкой для большинства синтетических материалов скоростью газовыделения после нагрева до 300 0C Однако химический состав полиимида аналогичен найлону, и поэтому он до некоторой степени гигроскопичен. Вследствие этого полиимид при выдерживании на воздухе легко поглощает пары воды и имеет довольно высокую скорость газовыделения (без нагрева). Полиимид— довольно упругий эластичный материал, обладающий высоким коэффициентом термического расширения; однако при степени сжатия >20% он приобретает остаточные деформации, вследствие чего приходится с осторожностью использовать полиимид при конструировании вакуумных соединений.

Весьма эффективны полиимидные кольцевые уплотняющие прокладки; полиимид также можно использовать для устранения небольших течей в вакуумной системе. Для этого полиимид сначала смешивается с каким-либо растворителем, образуя вязкий раствор, который затем наносится на место течи.

Другими материалами, широко используемыми для устранения небольших течей в высоковакуумных установках, являются аральдит, силиконовые смолы и анаэробные полимеры (полимеризующиеся материалы). Анаэробные полимеры представляют собой растворы диметакрилового эфира, которые полимеризуются в отсутствие кислорода, т. е. в условиях вакуума [38]. «Колрец» — торговая марка перфторатного эластомера, который обладает термостойкостью до 300 °С и используется в качестве материала кольцевых уплотняющих прокладок. В ряде работ установлено, что  скорость газовыделения для этого материала после нагрева примерно такая же, как и для полиимида. Витон-ЕбОС представляет собой модификацию фторэластомеров типа витона с вакуумными свойствами, примерно соответствующими колрецу, хотя скорость газовыделения у него при повышенных температурах все же высока.

В табл. 2.8 приведены постоянные газопроницаемости для некоторых синтетических материалов, используемых в вакуумной технике, по отношению к водороду, гелию, кислороду и азоту [39—41]. Эти данные согласуются с результатами, полученными другими авторами, хотя можно было бы ожидать небольших отклонений для материалов, выпускаемых разными фирмами.

Поскольку газ диффундирует сквозь поры в микроструктуре материала, скорость его проникновения пропорциональна перепаду давления, поэтому величины скоростей проникновения табл. 2.8 могут непосредственно сравниваться с соответствующими величинами для стекла или кварца.

Проникновение гелия сквозь синтетические материалы, по крайней мере, на порядок выше, чем для плавленого кварца, примерно такие же скорости проникновения характерны для водорода. Действительно, для синтетических материалов не существует заметного влияния диаметра молекулы проникающего газа, обнаруженного для стекла, поэтому проникновение азота из воздуха так же существенно, как и гелия. Высокий уровень газопроницаемости для ПТФЭ обусловлен трудностью производства этого материала с более высокой плотностью (меньшей пористостью). Что касается колреца и витона-Е20С, то данные по газопроницаемости этих материалов в литературе отсутствуют, и только для полиимида есть указания в работе [20] на данные работы

Пластмассы используются в условиях высокого и сверхвысокого вакуума главным образом в виде различных уплотняющих прокладок в разъемных соединениях или клапанах. При таком использовании в контакте с вакуумом находится минимальная поверхность пластика, поэтому диффузия газов сквозь него затруднена. Весьма полезна обзорная работа [42], в которой дается сравнительный анализ применимости различных эластомеров для уплотнений.

В заключение следует упомянуть о слюде, широко используемой в электровакуумных приборах. Слюда является природным минералом, она встречается в виде прозрачных пластин и представляет собой К-А-силикат либо двойной K-Mg-Al-силикат. Ее можно также получать искусственным путем в промышленных масштабах. Одним из наиболее примечательных свойств слюды являются ее изоляционные свойства. Удельное сопротивление слюды составляет 10—1015 Ом*м при высоких значениях диэлектрической проницаемости.

Специфической особенностью слюды является ее способность легко расщепляться на пластинки толщиной менее 10 мкм, из которых можно получать относительно сложные по форме детали методом штамповки. Поэтому слюда особенно удобна для изготовления изоляторов радиоламп. Штампованные внутриламповые изоляторы используются для центрирования системы электродов.

К сожалению, слоистая структура слюды способствует адсорбции газа, который весьма трудно удаляется. Нагревание до слишком высокой температуры приводит к удалению кристаллизационной воды, слюда кальцинируется, становится хрупкой, расслаивается и теряет механическую прочность. Единственным приемлемым методом обезгаживания слюды является ее длительное нагревание до сравнительно невысоких температур (200—300⁰C).

В этом отношении синтетическая слюда обладает преимуществом по сравнению с природной. В целом же слюда не удовлетворяет высоким требованиям, предъявляемым к материалам, используемым в условиях сверхвысокого вакуума.

Проницаемость газа в направлении, перпендикулярном плоскости слойности, довольно низкая; так, при 4000C проницаемость слюды для гелия меньше 10^-7 м2-с-1, т. е. меньше, чем для лучших стекол. Это свойство слюды, наряду с относительно высокой ее прочностью в том же направлении, позволяет применять слюду в качестве материала оптических окошек. Толщина таких окошек может быть достаточно малой, поэтому они пропускают большую часть падающего излучения.

Коэффициент термического расширения слюды вдоль плоскости слойности составляет (80-130)*10^-7 К^-1, а перпендикулярно ей— (160-250)*10^-7 К^-1 Поэтому слюда хорошо соответствует легкоплавким стеклам и сплавам, таким, как никель — железо или хром — железо.