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1 吸氣劑
吸氣劑是指能有效地吸著某些（種）氣體分子的制劑或裝置的通稱，用來獲得或維持真空以及純化氣體等。吸氣劑有粉狀、碟狀、帶狀、管狀、環狀、杯狀等多種形式
2 吸氣劑作用
吸氣材料可以吸收電真空器件中的活性氣體，提供器件封離后所需的真空度，而且可以對真空度進行長時間的維持，保證器件的壽命及穩定性和可靠性。
3 吸氣材料分類
吸氣材料可分為蒸散型吸氣材料和非蒸散型吸氣材料
吸氣劑SEM圖
3.1蒸散型吸氣材料
是通過加熱蒸散后形成膜進行吸氣。非蒸散型吸氣材料是激活后形狀不變，常溫下即可與活性氣體形成穩定化合物進行吸氣。蒸散型吸氣材料工作時會帶來蒸散的金屬原子，造成極間漏電等影響電真空器件的正常工作。使其在某些電真空器件 中的應用受到了限制。
3.1.1? 鋇鋁吸氣劑
鋇鋁吸氣劑BaAl4 是20世紀50年代國內外普遍使用的蒸散重復性好的吸氣劑,并且適合于大批量工業生產。這種吸氣劑在空氣中比較穩定, 在真空中高溫蒸發得鋇, 以鋇來吸收氣體,在室溫到 200 ℃的范圍內, 能有效地吸收 N2 、H2 、O2 、CO2 、H2O 等氣體, 并且吸氣能力強,容易獲得大面積的吸氣膜
3.1.2 摻氮鋇基吸氣劑
摻氮鋇基吸氣劑是在鋇鋁吸氣劑的基礎上, 為了滿足黑 白及彩色顯像管的應用需求而研制的。它需要用高頻感應器加熱,使吸氣金屬鋇從吸氣劑中蒸散出來,在管子玻殼內壁上形成吸氣薄膜—鋇膜。摻氮鋇基吸氣劑的應用, 使蒸散過程中無序的金屬鋇原子按較為理想的途徑進行分布,鋇的蒸散量(得鋇量) 越多, 吸氣性能就越好;生成鋇膜的結構越疏松多孔, 吸氣表面積就越大 、吸附的氣體就越容易向其內部擴散, 因而其吸氣能力就越強, 吸氣速率大為提高, 特別有利于活性較小氣體的吸著。與鋇鋁吸氣劑相比,其最大的優點是能控制鋇膜在顯像管內壁上的分布, 并且能同時提高鋇膜的吸氣能力
3.2非蒸散型吸氣劑
非蒸散型吸氣材料是激活后形狀不變，常溫下即可與活性氣體形成穩定化合物進行吸 氣。
非蒸散型吸氣材料不需要把吸氣金屬蒸散出來，不會使器件受到污染，且具 有體積小，抽速大的特點，所以被廣泛應用于電真 空器件領域。非蒸散型吸氣材料在發展歷程中主 要形成了壓制型、多孔燒結型和薄膜型三大類.吸氣劑產品為了獲得更大的比表面積，大部分采用粉末型吸氣材料，通過壓制，燒結等工藝成型.
根據吸氣劑的吸氣機理, 吸氣劑成分主要由以下兩部分組成 :
( 1)活性元素 :吸氣劑的吸氣能力主要取決于 氣體與吸氣金屬材料之間表面反應的強弱及金屬溶解氣體 的能力, 活性金屬 Zr 對 H2 、O2 、CO 、N2 等氣體均能產生很強 的化學吸附和較大的溶解能力, 因此, 選擇 Zr 為活性元素。
( 2) 抗燒結元素:抗燒結物質的加入可以防止燒結時活性元 素的聚集長大, 并能抑制粉末燒結體的明顯收縮, 以達到在 燒結體外形尺寸不增加的情況下, 實際表面積大大增加, 從 而達到提高吸氣能力的目的。
3.2.1 鋯鋁吸氣劑
鋯鋁吸氣劑是由質量比鋯為 84 %、鋁為 16 %的金屬粒 子經高溫熔煉制成的合金, 又被稱為 ST101 合金, 具有好的 吸氣特性。20 世紀60 年代初, 意大利 SAES 公司推廣應用 ST101 非蒸散型吸氣劑, 這種鋯鋁合金在工業應用上的最大 特點是對所有的活性氣體都具有良好的吸收特性, 易于激 活, 一般在 900 ℃下加熱數秒后激活就完成了。
3.2.2鋯石墨吸氣劑
鋯石墨吸氣劑是由非蒸散吸氣材料鋯和石墨的混合物燒結而成, 是一種高溫燒結粉末多孔的、室溫下吸氣能力優越的、有較高使用價值的新型吸氣劑。該吸氣劑具有較高的孔隙度和比表面積, 并且這種粉末燒結體的絕大部分表面是以微孔內表面形式存在,氣體分子在吸氣劑內部傳輸通過兩種途徑:
一是表面擴散, 物理吸附氣體分子表面擴散系數為 10 -5 cm 2 ·s -1 , 化學吸附氣體分子表面擴散系數更小。
二是氣體分子在微孔中的分子流擴散, 室溫下的擴散系數約為 10cm 2 ·s -1
3.2.3鋯釩鐵吸氣劑
鋯釩鐵吸氣劑是指由鋯 、釩 、鐵組成的合金, 其中鋯占 70%、釩占24.6 %、鐵占5 .4%。曝露于大氣的鋯釩鐵吸氣劑表面覆蓋著一層 CO2 、O2 及碳氫化合物, 合金表面中的鋯和 釩主要以氧化態存在于表面。當活性氣體碰到清潔的吸 氣劑合金顆粒表面時, 能與合金顆粒表面形成穩定的化合物, 從而達到抽除活性氣體的目的。并且由于釩的存在, 使得鋯釩鐵吸氣劑具有較低的激活溫度
3.2.4鈦鋯釩吸氣劑
鈦鋯釩吸氣劑也是近幾年來與鈦鉬吸氣劑一起發展起 來的新型吸氣材料, 具有較好的吸氣性能、較低的激活溫度, 也是當今應用廣泛的新型吸氣材料之一. 鈦基非蒸散型吸氣劑因具有良好的吸氣性能、高的結合強度、較低的制造成本, 因此特別適用 于貯氫設備、粒子加速器、等離子體熔合器以及一些需維持 真空度的排氣封離設備中, 是現有吸氣材料中無可替代的新型吸氣劑 。
4 吸氣劑的吸氣機理過程
１ ）表面吸附
氣體分子人射吸氣材料，有一定的幾率被吸氣材料捕獲，吸附于吸氣材料表面；
2 ）是表面吸收
吸氣材料表面附著的活性氣體分子分解，被吸氣材料吸收
3 ）內部擴散。表面吸附分為物理吸附以及化學吸收。物理吸附是根據產生于分子或原子之間的靜電相互作用的范德華力（即分子間作用力），當氣體分子碰撞吸氣劑固體表面時，氣體分子可能被排斥彈出，也可能被吸附，吸附氣體分子的束縛力可以很強，也可能比較微弱?；瘜W吸收是指腔內產生雜氣的活性氣體成分與吸氣劑的活性組分之間發生化學反應而被吸收的過程。在以上兩種吸氣的過程中，化學吸附處于主導地位。內部擴散過程：吸氣劑表面吸附的氣體具有較大的表面遷移率，雜氣分子迅速地在吸氣劑的表面擴散開來，隨著表面擴散的進行，在一定條件下，擴散的雜氣分子將進一步向吸氣劑的吸氣劑合金內部擴散。擴散的形式主要包括：深入金屬表面凹陷及損傷部位；浸入晶界之間；擴散至結晶本身的缺陷之中；與金屬發生化學反應生成金屬化合物；與金屬形成固溶體。
物理吸附。物理吸氣是指氣體分子與固體分子通過物理方式相結合，分子之間的物理結合力為范德華力。由于物理吸附是分子間范德華力作用的結果，結合所需熱能較低，這意味著物理吸附是不穩定的，通過加熱可以使氣體分子脫離固體分子，但其吸附 速度更快，能吸附多種氣體，適用性廣。
化學吸附。化學吸附是指氣體分子和固體分子通過化學鍵相結合，其本質是氣體分子與 固體分子之間發生了化學反應。一般來說以化學鍵結合比以范德華力結合更牢固，化學穩定性更高，這是因為化學鍵結合時所需熱能更高。由于吸附熱較高，氣體脫離固體材料所需的熱量更高，所以化學吸附相比于物理吸附不易發生脫離，并且一旦脫離會發生明顯的化學變化。
擴散是指氣體分子進入固體表面以及內部的過程，進入固體表面的過程稱為 表面擴散，進入固體內部的過程稱為體擴散。表面擴散速率取決于材料的表面積，表面積越大，固體與氣體的接觸面積更大，則表面擴散速率越快。體擴散的速率取 決于固體表面內外氣體濃度梯度，內外濃度梯度越高，氣體越容易擴散進固體內部。一般來說，氣體分子主要通過晶界擴散、存儲于材料缺陷處和與固體材料分子化合 形成化合物三種方式。
當內部擴散不再發生時，氣體分子在表層的吸附逐漸達到飽和而停止，為重新恢復吸氣過程，必須通過加熱使表層吸附的氣體分子擴散至內部以去除表面鈍化層，重新露出潔凈表面，此過程叫做“重新激活”
暴露于大氣環境后的吸氣劑表面會覆蓋著一層H2O、CO2 及碳氫化合物，在使用前必須在真空條件下加熱到一定溫度并保持一段時間，以去除表面真空與低溫鈍化膜及吸附氣體，從而獲得清潔的活性表面，這一過程被稱為激活。
吸氣劑在制備過程中會與外界空氣相接觸，在接觸的過程中會發生氣固反應。直接使用的話，氣固反應形成的氧化物和碳化物膜層，會影響真空器件內氣體分子進入吸氣材料內，使得吸氣速率和吸氣量下降，導致吸氣劑不能完全發揮作用。因此吸氣劑在使用之前需要經過激活。激活就是去除鈍化層讓吸氣劑表面活性層重 新暴露出來，使得吸氣劑能夠與活性氣體發生物理化學反應，從而表現出較好的吸 氣能力。一般情況下為了實現鈍化層的去除，采取加熱的方式能夠有效去除鈍化層， 溫度越高越容易獲得活性表面層。高溫激活過程中，結合在材料表面的氣體分子會發生脫附現象，這是因為氣體 分子與固體分子加熱過程中吸收熱能而造成化學鍵斷裂。根據擴散速率公式(3-5)，溫度越高擴散速率越快，在固體表面的氣體分子更容易進入固體內部?？偠灾?激活是去除吸氣劑表面氧化物和碳化物膜層，并使得固體表面的氣體進入固體內部的過程，吸氣劑的激活過程如圖 4-1所示。
圖 4-1吸氣劑激活過程
審核編輯 ：李倩
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工商網監
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