费勉100问第六期 | 真空中的配件

16. 真空螺丝如何选用？

根据材质不同，一般有以下几种螺丝：
不锈钢螺丝，最为常见，但是因为很多有磁性，特别在低温下磁性会显著增强，影响测试实验，所以我们的低温产品不能使用这类螺丝。

Mo螺丝，Mo一般用作高温材料，也用于我们的样品架上，优点是没有磁性，并且Mo的导热系数高（138W/m•K）；缺点是Mo的材质较脆，容易断裂，另外Mo不适合氧化高温环境，500 ℃ 以上如果有O的话，Mo会氧化成氧化钼然后不断升华。

Ta螺丝，Ta一般用作高温材料，加工性能和不锈钢类似，耐腐蚀。缺点是较贵（高纯Ta的价格接近1万元一公斤），另外，导热不是很好（57.5 W/m•K）。

铜螺丝，注意这里绝对不是纯铜，因为螺丝材质的基本要求是硬度，所以无氧铜做螺丝没有可行性的，使用几次就坏了，纯铝没法做螺丝同理。
除此之外，我们碰到的螺丝还有：

PEEK螺丝，这个是用来绝缘的螺丝，强度比金属稍差，但是韧性上强于金属。

钛螺丝，这个也是常见的真空螺丝，但是Ti的导热是金属中最差的（21.9 W/m•K），如果用于低温环境的话，钛螺丝降温会比较慢，可能造成整体升降温有点迟滞。

此外，一般对于特殊场合，螺丝和螺母的材质最好有差别，因为我们的使用环境是真空，真空中因为界面很单纯，没有润滑，所以同种材料存在“冷焊”的可能性，就是同种材料会黏在一起，如果异种材料会好很多。
针对这个问题，我们必须清楚的是根据应用场合，螺丝的选择有限。如低温环境下，不能使用不锈钢螺丝，Ta/Ti、PEEK的热导不行可能会影响极低温指标，而如果是不可更换的螺丝，用Mo的话螺纹的脆性等不确定性都很大，所以目前铍铜或者磷青铜螺丝是最好的选择，如果要避免冷焊，可操作的就是在界面处增加固体润滑，比如MoS2，这样可以防止两个铜界面搭在一起。

17. 为什么盲孔上用的螺丝要打放气孔？

螺丝和盲孔底端之间会残留部分空气，在真空条件下，通过螺丝缝的放气速度很慢，如果不打放气孔，这些气体会较难排去，会影响系统真空。

18. 金属密封垫圈可以使用纯铝么？

事实上，纯铝的密封垫圈是存在而且被大量使用的（主要是在工业领域），请参见Lesker的网页：(https://www.lesker.com/newweb/flanges/hardware_cf_gaskets.cfm?pgid=aluminum)

在很多其他真空供应商的产品目录上，也都能看到Al Gasket产品。
作为密封材料，纯Al的硬度比无氧铜还要软一点，单纯从这一点上来说，纯铝是可以做为密封垫圈材料的。但是相对无氧铜垫圈，铝的缺点也很明显：
纯铝的清洁比无氧铜要麻烦，因为超声波清洗会在铝表面产生空洞，影响真空，所以纯铝的超声波清洗需要比无氧铜更复杂的工艺，这个限制了纯铝垫圈的使用。
铝的熔点在600℃左右，低于纯铜。而且随着温度的升高，铝的强度在显著下降，所以用铝垫圈的法兰一般明确要求烘烤温度不能超过200℃，而正常的CF法兰的最高烘烤温度会达到400℃，很多标准的真空部件（例如离子泵）正常烘烤温度都在200℃及以上，这个就限制了铝垫圈的使用范围。
此外，除了无氧铜，还有一些材质也是可以作为CF法兰的密封垫圈，例如铝， 如上面描述。
Viton（氟橡胶），一般用于高真空领域，但是氟橡胶的抗渗透性偏差，就造成了渗漏的比例会偏高，但是作为可重复利用的密封圈，氟橡胶垫圈在高真空领域有着非常大的用量。
Nickel，镍也可作为密封垫圈，Ni的硬度约为HV274，比铜和铝都要硬，但是低于304和316不锈钢。镍垫圈的使用范围主要是在腐蚀性的场合，因为镍的抗腐蚀性，所以可以作为腐蚀性环境的密封垫圈。