在追求极致真空的道路上，许多尖端科技领域如粒子物理研究、半导体光刻、精密材料镀膜以及空间探测等，都离不开超高真空（Ultra-High Vacuum, UHV）环境的支持。当真空度要求达到惊人的10⁻⁷ Pa（0.0000001 Pa）级别，同时需要承受200°C的高温烘烤以去除系统内残余气体和水汽，并在70°C以下的工况中长期稳定工作时，传统的弹性体密封圈（如O型圈）便力不从心。此时，金属密封圈（Metal Seals）以其卓越的特性，成为满足这些严苛要求的可靠选择。
超高真空（1 x 10⁻⁷ Pa）： 该真空度对气体的渗透、放气和微量泄漏的容忍度极低。材料自身必须极低的放气率（出气率），且结构上需要达到近原子级密合。
烘烤温度（200°C）： 系统必须能加热到200°C（有时甚至更高）以加速解吸附着在腔体、部件内部的气体分子（主要是水蒸气）。密封件必须在此高温下保持密封完整性，且本身放气率不剧增。多数橡胶在此温度下会硬化、分解、剧烈放气，完全失效。
工作温度（≤ 70°C）： 密封件需要在常温至70°C范围内提供稳定可靠的密封性能。
兼容性与洁净度： 密封材料不能污染真空环境（如释放有机物、颗粒物），需要兼容常见的工艺气体或清洁剂。
金属密封圈凭借其纯金属材质的先天优势，成为解决这一系列挑战的理想方案。
材料选择：低放气、高可靠性的基础
无氧铜（Oxygen-Free Copper, OFC）： 高纯度铜的卓越延展性、高导热导电性是其最大的优势。它能轻松塑性变形填充密封面微小的不规则处，形成可靠的金属-金属密封界面。其高柔韧性使其对法兰的平行度要求相对较低。但其硬度较低（容易划伤）是应用中的主要挑战。
铝（纯铝或特定合金）： 相比无氧铜更轻盈，成本低且导电导热性优良。但其强度硬度较低，塑性变形能力与防擦伤性能要求较高的密封设计可能较难满足苛刻要求。
特殊合金： 包括奥氏体不锈钢、因科镍、特殊高温合金等。当应用需要更高的强度、耐腐蚀性、耐辐射性或在更高温度下工作时作为替代材料，然而成本显著增加且塑性变形能力通常不如铜和铝。
选择核心考量：在达到10⁻⁷ Pa、200°C烘烤条件下，无氧铜（OFC）是绝大多数应用的首选，其优异的塑性变形能力和足够高的温度耐受性，能确保可靠密封的同时满足严苛的洁净度与真空度要求。
结构设计：密封效能的核心
实体金属密封圈（Solid Wire Seal）： 最简洁的形式，由实心金属线材弯曲成型（通常是圆形截面）。依靠材料的塑性压扁实现密封。装配较省力，但对法兰密封表面的加工精度要求较高。
开槽型金属密封圈（Confined Metal Seal / Conflat Flange 典型密封）：
“刀口”法兰（Knife-Edge Flanges）： 法兰面上加工出尖锐的刃口（如铜垫圈配合不锈钢刀口）。当法兰夹紧时，刃口切入较软的密封圈材料（如无氧铜）中形成高压接触区，实现紧密密封。这一设计尤其利于多次重复拆装。
密封件结构： 通常采用实心或空心矩形截面金属环（铜或铝）。空心设计能提供更大压缩行程，缓解密封表面加工误差影响。
弹簧增能金属密封圈（Spring-Energized Seals）： 在金属或塑料护套内嵌入高性能金属弹簧（如因科镍等）。弹簧提供持续的回弹力补偿材料变形、磨损、热循环等影响，确保长寿命的动态或静态密封（如旋转馈通）。在UHV领域主要用于动态密封场合。
设计选择核心：在超高真空静态应用中（如腔室法兰连接），配合刀口法兰使用的无氧铜矩形截面密封圈（CF标准）是目前最主流、最可靠且经济的选择。其成熟的设计、优异的密封性能和可重复使用性（在清洁和检查无误后）是其他结构难以企及的。
表面处理与粗糙度：看不见的关键
密封表面粗糙度： 直接密封界面区域（法兰刀口及相配合的密封圈表面）的粗糙度（Ra）需控制在0.8 μm 或更低（通常要求≤ 0.4 μm）。过于光滑表面（如镜面）可能降低润滑性阻碍塑性变形；过粗糙表面（如Ra > 1.6 μm）会使密封面无法充分密合。
清洁度与状态： 安装前，密封圈和法兰表面需进行无残留清洗（超声波清洗、溶剂清洗等）并通过严格目视或仪器检查，不得有油污、灰尘颗粒、氧化层（尤其是铜）、刮痕或凹坑。操作必须佩戴洁净无尘手套。
大型粒子加速器与探测装置： 用于真空束流管道、各类阀门连接以及传感器接口连接。
尖端半导体制造设备： 如离子注入机、刻蚀设备、分子束外延（MBE）、物理气相沉积（PVD）设备腔室连接。
精密表面分析与材料研究： 各类质谱仪、表面分析设备的进样系统和分析室连接。
空间模拟与航天器部组件测试： 要求极高真空和洁净度的空间环境模拟舱体连接。
高功率真空电子设备： 如微波管、行波管、速调管等器件封装。
精确选型： 明确规格尺寸（如CF系列标准）和材料。首要确认设计应用于200°C烘烤+70°C工作+UHV(10⁻⁷ Pa)场景。
规范安装：
均匀施加规定的安装扭矩（使用经过校准的力矩扳手），确保法兰平行闭合。
首次安装的新密封圈需达到初始塑性变形点。
多次使用前严格检查密封面和密封圈状态。
清洁与维护：
拆卸后需彻底清洁密封面（避免划伤）。
检查密封圈有无变形超限、裂纹、严重划痕等。
对于状态尚可的铜垫圈可考虑多次重复使用（需评估风险），如出现明显压痕或表面损伤则务必更换。
按照设备制造商建议进行规范烘烤操作（控制升降温速率）。
泄漏检测： 安装烘烤后，采用氦质谱检漏仪（最常用）进行检漏，确认漏率符合10⁻⁷ Pa或更高的密封要求（实际系统达到的真空度受多种因素影响）。
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关键技术参数对比 |
无氧铜 (OFC) |
铝 |
特殊合金 |
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核心优势 |
最佳塑性变形能力、低放气、高导热/导电、成本适中 |
轻质、成本低、良好导热/导电 |
高强、耐腐蚀、耐辐射、特定高温性能 |
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塑性变形能力 |
★★★★★ |
★★★☆☆ |
★★☆☆☆ |
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抗划伤性 |
★★☆☆☆ |
★★☆☆☆ |
★★★★☆ |
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烘烤稳定性 (≤200°C) |
★★★★☆ |
★★★★☆ |
★★★★★ |
|
成本 |
★★★☆☆ |
★★★★☆ |
★☆☆☆☆ |
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UHV 主流选择 |
首选 |
部分特定 |
特殊要求 |
泄漏：
原因：安装不规范（力矩不均/不足）、表面污染、划痕、密封圈损伤变形超限。
解决：检漏定位，重新规范安装（清洁检查）、更换密封圈。
密封圈永久变形/压痕严重：
原因：多次重复使用过度变形、安装过载。
解决：更换新密封圈。
表面划痕：
原因：搬运安装不当、密封面有硬质颗粒污染、密封圈表面损伤。
解决：清洁检查法兰面和密封圈，轻微划痕可尝试精细研磨修复（需专业人员），否则更换。避免二次污染。
烘烤后放气超标：
原因：密封圈或法兰表面清洁度不够（残留污染物高温下释放）、密封圈材料质量不佳。
解决：严格清洁流程，选用高质量、低放气率的原厂密封圈。
在追求真空度达10⁻⁷ Pa、需耐受200°C高温烘烤且在70°C环境下稳定工作的苛刻条件下，金属密封圈凭借其极低的材料放气率、优异的高温稳定性和可靠的密封能力，成为了无可替代的密封解决方案。其中，无氧铜材质的矩形截面密封圈配合精密加工的不锈钢刀口法兰（CF型）的组合，因其成熟的工业标准、出色的可靠性和相对合理的成本，成为了当前超高真空领域的“黄金标准”。
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