APÉNDICE B
Es importante para la tecnología el desarrollo y estudio de materiales que puedan ser utilizados a presiones menores que la presión atmosférica. Cada material tiene características propias, y algo fundamental de éstas es que varían según las condiciones ambientales a las que se encuentra expuesto. Los materiales utilizados en los sistemas de vacío se seleccionan cuidadosamente, considerando de antemano sus propiedades. Los siguientes son algunos parámetros que se toman en cuenta:
Degasamiento. Este término indica la evolución natural de gases absorbidos (moléculas de gas dentro de un material) o absorbidos (adhesión de moléculas de gas a la superficie del material) en vacío, y puede provenir de tres fuentes diferentes: evaporación (o descomposición química), desorción de superficies, y difusión fuera del material. Todos estos pasos elementales forman una reacción química sobre una superficie. El degasamiento es, en este caso, una de las interacciones entre una superficie y un gas (Figura B.1).
![[FNT 44]](../img/131_79.gif)
Figura B.1. Esquema de procesos elementales durante las interacciones gas-superficie.
Se pueden calcular las proporciones de evaporación (cambio de fase de sólido o líquido a vapor) y equilibrio de la presión de vapor de los metales elementales a partir de relaciones termodinámicas.
Las proporciones de evaporación para aleaciones no son predecibles como en el caso de los elementos simples, aunque las proporciones de evaporación de los metales que componen la aleación nos dan una base de estimación. En la fabricación de equipo para alto vacío se usan metales que tienen una baja presión de vapor; los más utilizados son el acero inoxidable, el cobre, el bronce, el acero y el aluminio.
El proceso de desorción de la superficie es la expulsión de una molécula adsorbida en la superficie, con lo cual se propicia el degasamiento del material.
La difusión fuera del material es la emigración de átomos o moléculas adsorbidas a lo largo de una superficie hasta que abandonan dicho material.
Permeabilidad. La permeabilidad de un material es una medida de la cantidad de gas (a una temperatura dada) que podrá difundirse a través de él por unidad de tiempo. Hasta hoy, no es posible obtener un valor absoluto de permeabilidad para cada material, ya que es afectada por las diferencias de presión, temperatura, pureza y las condiciones de superficie del material. Para determinar la permeabilidad en los materiales se hacen exámenes en condiciones ambientales controladas.
Propiedades de adhesión (pegamento). Para unir las componentes y formar un sistema de vacío, es necesario considerar el tipo de materiales que nos pueden servir para soldar, fundir o enlazar de manera que no tengamos una reacción química desfavorable en nuestro sistema. En general, para obtener un vacío óptimo lo que se pretende es no tener fugas (entradas de aire).
Economía. Los costos son un factor fundamental al considerar los materiales con los que fabricaremos un sistema de vacío, ya que existen materiales de bajo costo inicial, pero de alto costo al procesarlos, lo que los hace totalmente incosteables.
Los materiales usados con más frecuencia en las técnicas de vacío se presentan en la siguiente clasificación:
1) Acero. El acero templado es un acero sin tratamientos térmicos y de bajas concentraciones de carbón. Estos tipos de acero templado con bajo contenido de azufre son usados con frecuencia en sistemas de vacío. Se encuentran disponibles en diferentes formas y pueden ser unidos, fundidos o soldados. Se utilizan en los sistemas de vacío por su baja presión de vapor y como recubrimiento en las bombas de mercurio, ya que no es afectado por el vapor de Hg. Sin embargo puede ser afectado por la corrosión debido a la adsorción de vapor de agua.
2) Acero inoxidable. Es más resistente a la corrosión que el acero. Es una aleación de cromo y acero y se emplea en forma de tubos, platos, cámaras y extensiones. Para trabajos de vacío no es recomendable el acero inoxidable de la serie 303 ya que contiene azufre. Por otra parte, la serie 300 es muy utilizada en sistemas de ultra alto vacío; su conductividad térmica y eléctrica es baja, no es magnético, y las temperaturas a que se exponen los sistemas de este tipo no deben de exceder los 1 000°C, porque el cromo se comienza a evaporar a los 1 200°C.
3) Aluminio. Es de poco peso, fuerte, resistente a la corrosión con una baja presión de vapor, barato, fácil de trabajar, y fácilmente obtenible en las formas más comunes, como tubos, hojas, barras, etcétera.
4) Bronce. Es esencialmente una aleación de cobre y estaño. Es fácil de trabajar y con él se construyen algunas válvulas.
5) Cobre. Ocasionalmente se usa para electrodos no magnéticos, sirve también para sellos anulares de vidrios y bridas. Tiene una densidad de 8.8 a 8.9 g/cm. Su punto de fusión es de 1083°C.
6) Vidrio. El vidrio más comúnmente usado en los laboratorios de sistemas de vacío es un borosilicato conocido como Pyrex. Se construyen envases, cámaras, ventanas; etcétera.
Metales especialmente refractarios
1) Molibdeno. Tiene un punto de fusión alto (2 620°C), por ello se usa con frecuencia para filamentos, botes, y depósitos en los cuales el material será evaporado al vacío. Otro uso es para bombear metal activo a muy bajas presiones. El molibdeno se oxida con rapidez cuando se calienta en el aire.
2) Tungsteno. Su punto de fusión está catalogado como el más alto de cualquier metal (3 382°C). Es difícil de trabajar, pero se encuentra disponible en hojas y alambres que pueden ser procesados en frío para tiras de calentadores y filamentos. El tungsteno se oxida rápidamente cuando es calentado en la atmósfera, y emite electrones a temperaturas superiores a los 2 000°C. Se usa con frecuencia como filamento en los medidores de presión por ionización, electrodos y anticátodos para tubos de rayos X. Tiene una densidad de 19-19.4 g/cm.
3) Tántalo. Es más dúctil que el molibdeno y el tungsteno pero más costoso. Resiste el ataque de ácidos y se utiliza en la construcción de botes, chalupas y filamentos para depósito de películas delgadas en vacío, además de calentador de elementos en vacío y actúa como colector de los 600 a los 1 000°C. Tiene un punto de fusión de 2 996°C.
Las cerámicas son usadas como aislantes térmicos o eléctricos en altas temperaturas. Se emplean para sostener piezas que van a calentarse en la construcción de cámaras para alto vacío. También son aislantes en las tapas de acero de las cámaras, donde se colocan las barras de metal que atraviesan la cámara conectando el interior de la misma con el exterior.
Los tipos de cerámica más usados en sistemas de vacío son: alúmina, porcelana, lava y zafiro. A continuación se da una descripción breve de estos tipos de cerámica.
1) Zafiro. Es la presentación más pura del óxido de aluminio. Se puede obtener en forma transparente para usarse como ventanas en sistemas de vacío, las cuales se pueden exponer a temperaturas de 1 900°C. La transmisión infrarroja del zafiro es mejor que la de otros materiales. El zafiro es producido en forma de monocristales y puede ser sellador de vidrio.
2) Porcelana. Contiene tres ingredientes principales: arcilla, pedernal y feldespato; variando las proporciones de estos materiales, cambian ciertas propiedades de la cerámica, como su resistencia a choques térmicos, resistencia dieléctrica o mecánica. La porcelana se encuentra disponible en diámetros y longitudes estándar con roscas de tornillo en las puntas. La temperatura máxima a la cual opera la porcelana es cercana a los 1 000°C.
3) Lava. Cerámica hecha de talco natural, puede operar a temperaturas entre los 1 000 y 1 200°C.
Otro tipo de materiales importantes en la tecnología de vacío son los plásticos y los cauchos. Para los plásticos se consideran las condiciones a las que serán expuestos, la cantidad de uso ha de dárseles, cómo y dónde se emplearán, la temperatura a la que estarán expuestos y si formarán una parte permanente o temporal en el sistema. Algunos plásticos especiales que tienen una alta presión de vapor son los acrílicos y los fluorocarbonos.
Los cauchos se dividen en caucho natural y caucho sintético. Algunos de los cauchos sintéticos son: nitrilo, neopreno, butil y GR-S.
