CN111705318A - 一种基于泡沫金属衬底的五元钛合金吸气剂 - Google Patents

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王盛
张静
高勇
胡耀程
许章炼
吴岳
周浩宇
范佳锟
游志明
王斌
聂昆仑
罗昊
杜鑫
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Abstract

本发明公开了一种基于泡沫金属衬底的五元钛合金吸气剂，包括泡沫金属衬底以及设置于泡沫金属衬底的吸气剂层，其中，吸气剂层为TiZrVHfY薄膜层或者TiZrVHfTa薄膜层，该吸气剂具有更好低的激活温度、更低的二次电子产额和轻便紧凑的特点。

Description

一种基于泡沫金属衬底的五元钛合金吸气剂
技术领域
本发明属于真空技术领域，具体涉及一种基于泡沫金属衬底的五元钛合金吸气剂。
背景技术
吸气剂作为获得高真空的重要手段之一，在高能粒子加速器、电真空器件、真空技术、高精密测试装置、高精密器件、原子能工业等科研与生产中都起着至关重要的作用。同时，真空材料表面二次电子的发射会影响电真空器件等的工作性能。目前的吸气剂激活温度一般在140℃以上，使用范围受到限制。比如当衬底为铝合金时，在140℃以上的高温下激活时易导致铝合金衬底产生形变，从而对系统整体的结构稳定性造成影响。因此，如何获得低二次电子产额和低激活温度的吸气剂材料成为一个关键问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于泡沫金属衬底的五元钛合金吸气剂，能够降低材料表面的二次电子产额，同时该吸气剂薄膜具有更低的激活温度。
为达到上述目的，本发明所述的基于泡沫金属衬底的五元钛合金吸气剂包括泡沫金属衬底以及设置于泡沫金属衬底的吸气剂层，其中，吸气剂层为TiZrVHfY薄膜层或者TiZrVHfTa薄膜层。
在真空状态下，吸气剂层在100℃的高温下持续加热2小时以上，吸气剂层表面的金属氧化物逐渐转化为金属态，实现吸气剂层的逐步激活，被激活的吸气剂层能够吸附真空室内的残余气体，提高真空室内的真空度，维持真空室内的超高真空状态。
吸气剂层中各元素的原子数之比在8-30％之间。
吸气剂层镀于泡沫金属衬底上。
吸气剂层表面的二次电子产额低于1.1。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于泡沫金属衬底的五元钛合金吸气剂在具体操作时，采用泡沫金属作为衬底，在该泡沫金属衬底上镀有数十纳米至数百微米量级的TiZrVHfY吸气剂薄膜层或者TiZrVHfTa吸气剂薄膜层，泡沫金属衬底具有密度低、孔隙率高、比表面积大、孔隙连通性好及结构均匀的特点，可以大幅提高单位面积上的吸气剂层的吸气能力。同时，泡沫金属衬底的微观结构类似于海绵状，且其金属晶向多元化，该多元化晶向的衬底有助于形成多晶向的吸气剂薄膜。与原有的技术相比，本发明具有在单位面积上的吸气性能优异、二次电子产额低、轻便紧凑等特点。
附图说明
图1a为镀膜前，泡沫金属铜衬底放大倍数600倍时的示意图；
图1b为镀膜后，泡沫金属铜衬底放大倍数600倍时的示意图；
图1c为镀膜前，泡沫金属铜衬底放大倍数30000倍时的示意图；
图1d为镀膜后，泡沫金属铜衬底放大倍数30000倍时的示意图；
图2a为V元素在激活前后的XPS示意图；
图2b为Ti元素在激活前后的XPS示意图；
图2c为Y元素在激活前后的XPS示意图；
图2d为Zr元素在激活前后的XPS示意图；
图2e为Hf元素在激活前后的XPS示意图；
图2f为Nb元素在激活前后的XPS示意图；
图3为泡沫金属铜衬底的结构示意图；
图4为镀膜后泡沫金属铜衬底的二次电子产额图；
图5为泡沫金属衬底的二次电子抑制机理示意图；
图6五元合金Ti-Zr-V-Hf-Nb吸气剂薄膜的XPS表面成分全谱图；
图7五元合金Ti-Zr-V-Hf-Y吸气剂薄膜的XPS表面成分全谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
以往的吸气剂一般通过物理气相沉积等方法将薄膜沉积在无氧铜或不锈钢等衬底片上。由于镀膜方法的局限性，薄膜的厚度是有限的，一般在数十纳米至数百微米量级。在薄膜厚度一定的情况下，提高单位面积上吸气剂的吸气性能成为提高有限空间内吸气剂总吸气量的关键，为解决该问题，本发明采用泡沫金属衬底作为衬底，在该泡沫金属衬底上镀有数十纳米至数微米量级的TiZrVHfY吸气剂薄膜或者TiZrVHfTa吸气剂薄膜。与原有的技术相比，本发明具有在单位面积上的吸气性能大幅提升、二次电子产额低、轻便紧凑等特点。
参考图3，多孔金属的主要特征是结缔组织孔，通过在开孔聚合物泡沫上沉积原子金属，然后消除聚合物和烧结，从而形成高金属沉积类型的多孔金属。多孔金属的主要特征包括有连通孔隙、高孔隙度和三维网状结构，具有密度低、孔隙率高、比表面积大、孔隙连通性好及结构均匀的特点，这是其他类型的多孔金属难以达到的。
现有吸气剂薄膜材料通常镀在无氧铜、铝合金等片状金属上，以铜片为例，泡沫金属铜的比表面积是铜片的数倍甚至数千倍，采用同样的镀膜参数，泡沫金属铜上所镀吸气剂薄膜的面积是铜片上薄膜的数倍以上。因此，可以大幅提升单位面积上吸气剂的吸气能力，薄膜的厚度在数十纳米到数百微米之间，另外，泡沫金属铜在镀膜前后的表面形貌如图1a至图1d所示，类似于蜂窝状，由于几何效应，二次电子在逃逸出泡沫金属表面之前会被周围的蜂窝状枝晶吸收掉，从而大大降低了泡沫金属表面的二次电子发射，因此，泡沫金属表面的二次电子产额要低于金属片表面的二次电子产额。
TiZrVHfY薄膜层或者TiZrVHfTa薄膜层中各元素的原子数之比在8-30％之间，薄膜的激活温度比现有吸气剂更低。以V元素为例，当激活温度为100℃，连续加热2小时后，V元素的结合能向低能段移动，这表明经过100℃加热后，钒的氧化物逐渐变为金属V，即V元素逐渐被激活。与V元素类似，Ti、Zr、Hf、Ta及Y元素在温度为100℃的条件下经过2小时加热后，亦可实现部分激活，一般经过24-48小时的加热后，Ti、Zr、Hf、Ta、Y及V元素即可被实现完全激活，如图2a、2b、2c、2d、2e、2f所示，经过加热激活后，金属元素的XPS图谱峰的位置向低结合能方向移动，说明金属元素逐渐被激活。
该多元合金薄膜体系中，各金属元素的浓度在8％到30％之间。其特点是具有高混合熵，根据Boltzmann假设，体系混合熵可以表示为:
△Sm＝ -R[C1lnC1+C2lnC2+﹒﹒﹒+CnlnCn] (1)
其中，R为理想气体常数，Cn为第n个元素的含量，由公式1可知，多元合金薄膜系统的混合熵由主元素的数量以及含量决定，多元合金薄膜系统中有较大熵值时，根据Gibbs自由能定律:
△Gm＝△Hm-T△Sm (2)
其中，△Hm为多元合金薄膜系统的混合焓，△Sm为多元合金薄膜系统的混合熵，T为热力学温度，△Gm为自由能。多元合金薄膜系统混合熵的提高会降低系统的自由能，吉布斯自由能是金属间化合物生成的驱动力，自由能的降低会抑制金属间化合物的生成。与单一金属元素薄膜相比，多元素合金薄膜在反复激活过程中，由于自由能较低，因此与真空室内残余的活性气体与多元合金薄膜相互作用时，更倾向与表层合金相互作用，而对于单一元素的合金薄膜而言，由于自由能比多元合金薄膜高，故其内部金属元素更容易与真空室内残余的活性气体相互作用。因此，在高温激活时，由于单一金属薄膜内部金属化合物中所含的O、C等元素距离薄膜表面更远，不容易从薄膜内部扩散至薄膜表面。而多元合金薄膜由于自由能较低，金属元素与活性气体元素如C、O等之间的反应多集中于薄膜样品近表面区。因此，与单一金属元素薄膜相比，多元合金薄膜更容易激活。此外，多元合金薄膜TiZrVHfY和TiZrVHfTa中的金属元素基本是同族或者临族元素，其化学结构和性质等比较类似。
参考图1a，泡沫金属铜衬底可以极大提高材料的比表面积，从而提高薄膜的表面积，继而提高单位面积上泡沫金属铜衬底上的薄膜面积，从而提高单位面积上的吸气剂薄膜的吸气能力。
以无氧铜片为例，无氧铜片的最大二次电子产额一般为1.60-1.80，镀有吸气剂薄膜的无氧铜片的最大二次电子产额一般为1.50-2.00，如图4所示，泡沫金属铜衬底在镀膜前后的最大二次电子产额可低于1.10，低于无氧铜片在镀膜前后的二次电子产额，泡沫金属铜镀膜前后二次电子产额的降低主要是由于几何效应引起的。
如图5所示，当入射电子打在泡沫金属衬底表面时，产生的二次电子部分会被内层的铜骨架吸收，因此，可以有效降低二次电子产额。
如图6的五元合金Ti-Zr-V-Hf-Nb吸气剂薄膜的XPS表面成分全谱图所示，Ti-Zr-V-Hf-Nb五种元素的比例是2.7:2.4:1.0:1.6:1.1。
如图7所示的五元合金Ti-Zr-V-Hf-Y吸气剂薄膜的XPS表面成分全谱图所示，Ti-Zr-V-Hf-Y五种元素的比例是1.5:3.0:1.0:2.0:1.5。

Claims (5)

1.一种基于泡沫金属衬底的五元钛合金吸气剂，其特征在于，包括泡沫金属衬底以及设置于泡沫金属衬底的吸气剂层，其中，吸气剂层为TiZrVHfY薄膜层或者TiZrVHfTa薄膜层。
2.根据权利要求1所述的基于泡沫金属衬底的五元钛合金吸气剂，其特征在于，在真空状态下，吸气剂层在100℃的高温下持续加热2小时以上，吸气剂层表面的金属氧化物逐渐转化为金属态，实现吸气剂层的逐步激活，被激活的吸气剂层能够吸附真空室内的残余气体，提高真空室内的真空度，维持真空室内的超高真空状态。
3.根据权利要求1所述的基于泡沫金属衬底的五元钛合金吸气剂，其特征在于，吸气剂层中各元素的原子数之比在8-30％之间。
4.根据权利要求1所述的基于泡沫金属衬底的五元钛合金吸气剂，其特征在于，吸气剂层镀于泡沫金属衬底上。
5.根据权利要求1所述的基于泡沫金属衬底的五元钛合金吸气剂，其特征在于，吸气剂层表面的二次电子产额低于1.1。
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