在低溫技術(shù)領(lǐng)域，材料的選擇對(duì)實(shí)驗(yàn)和設(shè)備的性能至關(guān)重要。本文小編為您推薦由Apiezon?發(fā)布的白皮書(shū)《用于低溫環(huán)境的專用碳?xì)浠婵罩罚钊虢馕鎏細(xì)浠婵罩跇O端低溫環(huán)境下的表現(xiàn)。

低溫技術(shù)通常指在低于123K（即-150℃）的溫度下操作。在許多科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，需要在低溫環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行設(shè)備，溫度甚至低至幾開(kāi)爾文（Kelvin）。在這些溫度下，需要使用特殊材料來(lái)提供密封和熱傳導(dǎo)，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的熱沉化合物和密封配方可能會(huì)開(kāi)裂或失效，從而降低密封效率和熱導(dǎo)率。

目前市場(chǎng)上有多種真空脂可供選擇，例如基于全氟聚醚（PFPE）的產(chǎn)品，其標(biāo)稱工作溫度遠(yuǎn)低于0℃。然而，幾乎所有產(chǎn)品的標(biāo)稱工作溫度范圍都限制在-80℃。典型的熱沉化合物僅適用于低至-50℃的環(huán)境。僅有的例外是碳?xì)浠婵罩ê瑢Ｓ刑砑觿涔ぷ鳒囟瓤傻椭?269°C，即液氦的沸點(diǎn)溫度。

該白皮書(shū)探討低溫應(yīng)用和研究的需求，分析碳?xì)浠婵罩跓峤佑|和密封方面的性能表現(xiàn)。

低溫應(yīng)用示例

— 研究領(lǐng)域

在高校研究領(lǐng)域，許多實(shí)驗(yàn)需要將樣品冷卻到極低溫度。在這些實(shí)驗(yàn)中，通常需要在將樣品安裝在低溫恒溫器的冷指上，以實(shí)現(xiàn)極低溫度。實(shí)驗(yàn)完成后，需要將樣品移除。因此，用于安裝的真空脂需要在室溫下具有可塑性，但在低溫下硬化。此外，如果該真空脂可在實(shí)驗(yàn)完成后輕松去除和清潔，將非常有用。

— 超導(dǎo)體

超導(dǎo)體是低溫技術(shù)的另一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，極低溫度是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的必要條件。低溫超導(dǎo)體的典型工作低于30K，而所謂的高溫超導(dǎo)體則可以在高達(dá)138K的溫度下工作。盡管被稱為“高溫”，但這仍然屬于低溫范圍，需要使用能夠承受極低溫度且不失去任何性能的材料。超導(dǎo)體是制造高強(qiáng)度磁體的關(guān)鍵，這些磁體用于磁共振成像（MRI）掃描儀和磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)等設(shè)備。更小眾的應(yīng)用包括粒子加速器和聚變反應(yīng)堆，這些設(shè)備需要極高的磁場(chǎng)來(lái)提供必要的約束和加速力。在這些系統(tǒng)中，冷卻設(shè)備與超導(dǎo)材料之間需要良好的熱接觸，并且需要**的溫度測(cè)量。

溫度傳感器

對(duì)于溫度傳感器，保持良好的熱接觸以提供準(zhǔn)確的測(cè)量至關(guān)重要。通常使用熱電偶套管來(lái)直接測(cè)量液氮或液氦的溫度。熱電偶套管用于保護(hù)精密溫度傳感器免受損壞，并允許將溫度探頭放置在感興趣的區(qū)域，例如管道的中心。使用熱電偶套管的一個(gè)挑戰(zhàn)是需要在外壁和溫度傳感器之間建立良好的熱接觸。碳?xì)湔婵罩ǔＳ糜谔畛涞蜏卦O(shè)備中的熱電偶套管，以提供傳感器與被測(cè)介質(zhì)之間的必要接觸。在這種情況下，真空脂非常理想，因?yàn)樗子谕磕ㄔ跓犭娕蓟虿迦胩坠苤小Ｕ婵罩谑覝叵聲?huì)軟化，這意味著可以輕松將傳感器探頭從套管中取出進(jìn)行維護(hù)或更換，而使用環(huán)氧樹(shù)脂或類似的**性固定熱界面材料則無(wú)法做到這一點(diǎn)。探頭更換并冷卻后，真空脂再次硬化，提供與外殼表面的良好熱接觸。

低溫潤(rùn)滑

潤(rùn)滑脂無(wú)法提供解決方案的另一個(gè)領(lǐng)域是低溫潤(rùn)滑。無(wú)論基礎(chǔ)油是什么，潤(rùn)滑脂在低于約170K時(shí)都會(huì)固化，因此在操作過(guò)程中無(wú)法提供潤(rùn)滑。真空脂可以用作組裝潤(rùn)滑劑，幫助構(gòu)建低溫系統(tǒng)，例如允許軸通過(guò)O形圈插入而不會(huì)損壞彈性體。在這種情況下，能夠承受熱循環(huán)的真空脂非常有用，因?yàn)樗试S拆卸和更換軸以進(jìn)行維護(hù)。需要注意的是，在極低溫度下運(yùn)行的運(yùn)態(tài)系統(tǒng)需要使用固體潤(rùn)滑涂層。

熱傳遞性能

低溫技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是在冷卻設(shè)備和實(shí)驗(yàn)對(duì)象之間提供良好的熱傳遞。例如，將半導(dǎo)體芯片安裝到低溫恒溫器的冷指上，為了有效冷卻芯片，需要在兩個(gè)表面之間提供良好的熱接觸。在低溫下，熱傳遞主要通過(guò)直接傳導(dǎo)進(jìn)行，因?yàn)檩椛浜蛯?duì)流的影響可以忽略不計(jì)。在考慮熱傳導(dǎo)時(shí)，需要在材料之間建立良好的接觸。在宏觀層面上，兩個(gè)相鄰表面可能看起來(lái)是平的，但在微觀層面上，情況并非如此，其表面粗糙度可使得兩個(gè)材料之間的實(shí)際接觸面積非常中。事實(shí)上，由于微觀粗糙度，實(shí)際接觸面積可能僅為總面積的1-2%。在室溫下，這個(gè)問(wèn)題較小，因?yàn)閮蓚€(gè)材料之間的氣體分子運(yùn)動(dòng)有助于傳傳遞。然而，這個(gè)過(guò)程效率較低，一旦溫度接近**零度，氣體分子的運(yùn)動(dòng)減慢，熱傳遞主要由傳導(dǎo)主導(dǎo)。使用低溫導(dǎo)熱脂的原理很簡(jiǎn)單，導(dǎo)熱脂在兩個(gè)材料之間提供直接的熱傳導(dǎo)路徑，消除所有的自由空間并填充了峰谷。

有許多熱沉化合物經(jīng)配制可提供良好的熱導(dǎo)率，其中一些含有金屬顆粒以提高整體熱導(dǎo)率。這些材料在低溫使用中的一個(gè)主要缺點(diǎn)是顆粒的增加會(huì)增加接觸表面之間的空間，實(shí)際上可能對(duì)系統(tǒng)的熱傳遞特性產(chǎn)生不利影響。另外兩種被廣泛接受的低溫?zé)醾鲗?dǎo)方法是使用銦箔或特殊配方的碳?xì)涞蜏貙?dǎo)熱脂（Apiezon N Grease），后者含有添加劑以防止在極低溫度下開(kāi)裂或失效，銦箔在較高溫度下可提供更佳的熱導(dǎo)率，但當(dāng)溫度降至約40K以下時(shí)，Apiezon N Grease脂變得更有效，當(dāng)溫度進(jìn)一步降至1-6K范圍時(shí)，Apiezon N Grease的性能比銦箔好得多。使用碳?xì)湔婵罩牧硪粋€(gè)優(yōu)點(diǎn)是易于去除。這在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中尤其有用，因?yàn)闃悠沸枰R時(shí)安裝在低溫恒溫器中，如果使用銦箔，實(shí)驗(yàn)完成后很難去除箔片，而碳?xì)湔婵罩梢酝ㄟ^(guò)使用碳?xì)淙軇ㄈ缂妆交騞-檸檬烯）完全去除。

蒸氣壓和真空應(yīng)用

除了提供熱接觸外，碳?xì)湔婵罩€可以為需要在低溫下運(yùn)行的真空系統(tǒng)提供優(yōu)異的密封介質(zhì)。在這種應(yīng)用中，產(chǎn)品的關(guān)鍵特性是能夠在極低溫度下保持不開(kāi)裂，并具有低蒸氣壓，以防止不需要的材料釋放到真空環(huán)境中。

【結(jié)論】

對(duì)于低溫應(yīng)用，通常需要在兩個(gè)表面之間提供良好的熱導(dǎo)率。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要使用一種能夠在極低溫度下提供必要熱導(dǎo)率并承受熱循環(huán)的真空脂。碳?xì)湔婵罩ˋpiezon N Grease）已經(jīng)開(kāi)發(fā)并應(yīng)用多年，可以在液氦溫度下提供優(yōu)異的性能。除了提供良好的熱導(dǎo)率外，它還可以反復(fù)循環(huán)回室溫，以便拆卸和更換組件。并可通過(guò)使用常見(jiàn)的碳?xì)淙軇┩耆コ４送猓€可以用作真空密封劑，提供非常低的蒸氣壓，從而允許在極壓壓力下使用，進(jìn)入超高真空范圍。

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