消氣材料

在真空器件中通過物理和化學作用能有效地吸收活性氣體的功能材料，簡稱消氣劑，又稱吸氣劑或收氣劑。

基本介紹

• 中文名：消氣材料
• 外文名：getter materials
• 別稱：吸氣劑
• 類別：功能材料
• 分類：蒸散型消氣劑

簡介

在真空器件中，消氣劑能維持並提高真空度，使器件性能穩定,工作可靠，使用壽命延長在真空器件中通過物理和化學作用能有效地吸收活性氣體的功能材料，簡稱消氣劑，又稱吸氣劑或收氣劑。。19世紀末,磷首先作為消氣劑套用於白熾燈中。消氣劑隨著電真空器件的發展，逐步發展為蒸散型和非蒸散型兩類。蒸散型消氣劑主要靠金屬的蒸散和蒸散後形成的薄膜表面吸氣，以元素周期表中 ⅡA族金屬(鋇、鍶、鎂、鈣)及其合金為主。非蒸散型消氣劑主要靠表面吸著和體內擴散吸氣，以元素周期表中ⅣB族金屬（鈦、鋯、鉿）、釷、 稀土金屬及其合金為主。20世紀70年代，中國對這兩類消氣劑作廣泛的研究，並生產出多種產品。

分類

蒸散型

主要用於顯像管、接收放大管、示波管、功率管、攝像管等。早期使用的消氣劑材料有鋇鎂、鋇鉭、鋇釷、鋇鈦、鋇鋁等合金。鋇鋁消氣劑(BaAl4)容易獲得大面積吸氣薄膜,在20～200℃之間能有效吸收各種活性氣體,吸氣能力強，化學穩定性好,因而使用廣泛。鋇鋁合金屬於吸熱消氣劑，需要連續供給熱量（一般用高頻感應加熱到1100～1200℃）來維持合金中鋇的蒸散。隨後發展起來的放熱消氣劑,是在BaAl4合金粉中加入50%鎳粉製成的。加入鎳粉可使消氣劑蒸散時的加熱溫度下降到800～850℃。在顯像管中，為了改善鋇膜的分布，增大鋇膜的孔隙度和表面積，又發展出了摻氣消氣劑。在各種摻氣消氣劑中以摻氮消氣劑（在放熱消氣劑中加入 Fe4N、Ge3N4等放氮材料）效果較好。在彩色顯像管中還使用延遲摻氮消氣劑，陶瓷墊片消氣劑和鍶鋁、鈣鋁以及複合型消氣劑等。

非蒸散型

最常用的是鋯鋁合金消氣劑，標稱成分為Zr－16Al。鋯鋁合金中含有 Zr5Al3、、Zr3Al2、Zr2Al等多種金屬間化合物相。這些相的活性高,擴散活化能低，經表面吸著的氣體易於向體內擴散，因而具有較大的吸氣速率和吸氣容量。這種消氣劑的最佳吸氣溫度在400℃左右,能有效地吸收CO、N2、H2、O2、CO2和水蒸氣等氣體，但不吸收惰性氣體。合金吸氫是可逆的，即高溫下把氫再釋放出去。

非蒸散型消氣劑在製造、貯存和使用過程中，表面常形成一層鈍化膜，會影響材料的吸氣性能。為消除表面鈍化層的影響，消氣劑必須在真空或惰性氣氛中進行加熱激活。鋯鋁合金消氣劑常用的激活規範為：真空度高於3×10-5托，溫度850～900℃，時間15秒至1分鐘。 　鋯鋁合金消氣劑是由熔煉的鋯鋁合金鑄錠再加工成粉末、塗覆壓結帶或環型消氣劑器件等產品形式，套用於各類電子管、特種燈泡及其他真空器件。鋯鋁合金製成的消氣劑泵可獲得超高真空，用於超高真空爐、高能加速器、核聚變等裝置。鋯鋁合金製成的惰性氣體淨化器套用於雷射器、半導體的生產中。該合金還套用於電容器、鹼金屬釋放器等多種生產領域中。鋯石墨消氣劑為室溫條件下使用的非蒸散型體消氣劑，是由鋯粉和石墨粉混合在高真空中經高溫燒結製成的多孔燒結體。鋯石墨消氣劑的孔隙度高（50%左右），比表面大，結合強度好。在室溫下能有效吸收CO、N2、H2、O2、CO2、CH4、水蒸氣和金屬銫原子等，不吸收惰性氣體,吸氫是可逆的。這種消氣劑也必須激活使用,常用的激活規範為:真空度高於3×10-5托,溫度850～950℃，時間10分鐘。這種消氣劑可以多次激活使用。 　鋯石墨消氣劑可製成間接加熱的環型、柱型、片型和直接通電加熱的熱子型器件，套用於不能或不宜蒸散鋇膜的電子管及其他真空器件，特別適用於飛彈、衛星、雷達等控制系統中需要長期貯存的電真空器件。

消氣材料

釋汞消氣劑是用固態鈦汞齊 (Ti3Hg)和鋯鋁消氣劑複合製成的。主要用於螢光燈和充汞燈中。用這種材料取代傳統的充液汞方法，可以減少汞對人體的危害和對環境的污染，提高燈管質量和延長燈管壽命。釋汞消氣劑裝入燈管後用高頻感應加熱使鈦汞齊分解，產生汞蒸氣，同時消氣劑被激活而吸收管內殘餘氣體和釋汞中放出的氣體，維持管內潔淨氣氛。

鋯石墨

鋯石墨消氣劑為室溫條件下使用的非蒸散型體消氣劑，是由鋯粉和石墨粉混合在高真空中經高溫燒結製成的多孔燒結體。鋯石墨消氣劑的孔隙度高（50%左右），比表面大，結合強度好。在室溫下能有效吸收CO、N、H、O、CO、CH、水蒸氣和金屬銫原子等，不吸收惰性氣體,吸氫是可逆的。這種消氣劑也必須激活使用,常用的激活規範為:真空度高於3×10托,溫度850～950，時間10分鐘。這種消氣劑可以多次激活使用。
鋯石墨消氣劑可製成間接加熱的環型、柱型、片型和直接通電加熱的熱子型器件，套用於不能或不宜蒸散鋇膜的電子管及其他真空器件，特別適用於飛彈、衛星、雷達等控制系統中需要長期貯存的電真空器件。

釋汞

是用固態鈦汞齊 (TiHg)和鋯鋁消氣劑複合製成的。主要用於螢光燈和充汞燈中。用這種材料取代傳統的充液汞方法，可以減少汞對人體的危害和對環境的污染，提高燈管質量和延長燈管壽命。釋汞消氣劑裝入燈管後用高頻感應加熱使鈦汞齊分解，產生汞蒸氣，同時消氣劑被激活而吸收管內殘餘氣體和釋汞中放出的氣體，維持管內潔淨氣氛。

機理

蒸散型吸氣劑吸氣過程有三個主要作用因素：蒸散吸氣、表面吸附和內部擴散,三者之間的關係：首先是蒸散吸氣，表面吸附孕育著擴散因素，內部擴散必須以表面吸附為前提。非散型吸氣劑的吸所過程：表面吸附，內部擴散。

①蒸散吸氣：

在受熱蒸散時，飛濺出來的鋇原子與管內空間的氣體分子相碰撞，在碰撞過程中有的鋇原子僅僅改變其蒸散方向，有的則與氣體分子起化學作用，產生相應的化合物，並且沉積在管殼內表面上。結果管內空間的氣體濃度減少了，殘餘氣體大部分被吸收了。

②表面吸附：

當氣體分子碰撞固體表面時，它可能被彈回，也可能被吸附，被吸附的分子可能被吸附得很牢，也可能只被很微弱的力所束縛。

(1)范德華力：物理吸附

(2)剩餘價力：化學吸收

③內部擴散：

表面吸附的氣體，具有較大的表面遷移率，它可以迅速地在整個表面上擴散開來。隨著表面擴散的進行，在一定的條件下，表面吸附的氣體將進一步向吸氣金屬內部進行體擴散。體擴散的形式有：

(1)深入金屬表面凹陷或損傷部位;

(2)浸入晶界之間;

(3)擴散到結晶本身的缺陷之中;

(4)和金屬化合成金屬間化合物;

(5)和金屬形成固溶體。

激活

在溫度較低時，氣體向內擴散的速度很小，擴散速度曲線明顯左移；而在大氣壓力之下，表面吸附速度卻大為提高，擴散速度曲線明顯右移。這樣，吸氣劑明顯地處於擴散決定區，於是在吸氣劑表面形成很薄的氣體吸附層氣膜，它在常溫下來不及向體內擴散，從而這一層氣膜阻止了吸氣劑與氣體的進一步作用，所以說吸氣劑在這種情況下是十分穩定的。

在吸氣劑充分發揮其對流活性氣體的吸著作用之前，必須首先清除這一層氣膜。這一工藝過程稱為激活。吸氣劑的激活可以通過降低吸氣劑表面的氣體壓力P、提高吸氣劑的T並維持一定時間t來實現，P、T、t這三個因素的組合，稱為激活條件。

再生

吸氣劑一經激活，當它暴露在所要抽除的氣體之中時，即能產生抽氣作用。一般來說，氫氣是均勻地散布在整個吸氣劑體積中，其它的活性氣體集中於接近表面處，結果導致對氣體的吸著速度逐步下降。到吸氣劑表面出現了氣體分子的積累，受到了嚴重的污染，活性消失，吸氣劑的一次使用壽命終了。如果提高溫度，擴散速度重新提高，表面活性可得到部分的恢復，吸著速度重新提高。保持一些時間，使擴散速度大於表面吸附速度，則表面活性可得以恢復，這稱為吸氣劑的加溫再生法。同理，如果吸氣劑溫度保持不變，而是降低吸氣劑周圍的氣體壓力P，使恆定的表面吸附速度大大下降，也可以使吸氣劑表面活性恢復，吸著速度回升，這就稱為吸氣劑的降壓再生法。