超高真空气密壁垒：KF/ISO/CF 三种真空法兰的结构及应用

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真空法兰概述

IVACUUM · 真空聚焦

真空系统，一般由腔体、管道、泵、阀门、测量元件等部件组成。任何两个部件之间，都需要通过接头连接以成为一个整体。真空系统中常用的密封连接方式有如下三种：

密封稳固、拆卸方便的特点使法兰成为了真空系统中zuichangyong的连接方式。

真空法兰用于真空系统可拆卸部位，或处于安装需要的活动联结部位。法兰联结必须保证接合处的气密性近似于整体材料的性能。法兰密封面即使光洁度很高，但由于机械加工的原因，不免有微小的高低不平起伏（见图1），这种微小的表面粗糙度有时只能用显微镜才能观察到。法兰表面过大的粗糙度会使密封失效，如果有一条深 0.25 μm 的划痕，可引起的漏率达 10-8 Pa·L/s 数量级。

▲ 图1 法兰密封示意图

如图1（右）所示，如果两个法兰密封面之间有较软的密封物质，则密封物质可以充满法兰密封面之间的起伏，使气体不能通过，这就达到了密封的目的。若要使密封物质很好地充满密封面之间，就要求密封物质质软，使接触应力远小于法兰材料的弹性极限。满足这种要求的材料通常有橡胶、氟塑料、铅、铜、铝、银、金等。

真空法兰与化工、通用机械法兰不同之处在于它是在真空下使用的，设计时应注意下列事项：

从密封机理上分类，真空中经常使用的法兰可分为橡胶密封法兰和金属密封法兰。橡胶密封法兰（如 KF、ISO 法兰）用于高真空及中、低真空系统中。也可以用于超高真空装置的大门密封，此时为了减小密封圈的出气量，常用氟橡胶密封，或者用氟利昂冷冻机冷冻密封圈。金属密封法兰（如 CF 法兰）用于超高真空系统，金属密封不仅出气量小，而且能耐受高温烘烤。

真正意义上的标准化法兰，在20世纪中叶，随着镀膜、核科学等相关真空产业的蓬勃发展被广泛应用。并随着真空使用场景的不断变化，衍生出了三条不同的技术路线：

这三条路线，最终演变成了今天zuichangyong的三类真空法兰：KF、ISO和CF法兰，使用范围覆盖了低真空到超高真空环境。

KF 法兰源于德语 Klein Flansche，直译就是“小法兰"，20世纪50年代被推出。KF 法兰也叫“夹紧型快卸连接器"（clamped-type quick-release couplings），业内通常都以 KF 法兰称呼。其对应的国际标准有 DIN 28403、ISO 2861等，已成为小口径中高真空管路的通用接口。

▲ 图2 KF法兰结构示意图

KF 法兰是典型的对称法兰——对接的两个法兰wanquan一样，无公母之分，由4部分组成：中心环（O-ring carrier）、卡箍（clamp）、连接盘/法兰接头（coupling）、O形圈（O-ring）。

▲ 图3 KF法兰分解结构单元

以 ISO 2861：2020《Vacuum technology — Dimensions of clamped-type quick-release couplings》标准为参考，共有5种标准尺寸，本文列出部分尺寸设计参数以供参考。

▲ 图4 KF法兰标准结构示意图

▲ 表1 KF法兰接头标准尺寸参数

KF 法兰通过 O 形圈的压缩形变实现密封。把装有 O 形圈的定心环夹在两个法兰中间，中心环负责对中，再装配卡箍并拧紧蝶形螺母即可完成密封。法兰背面设计有斜面，可以把卡箍一部分径向夹紧力转换为轴向压力，使 O 形圈的压缩形变更均衡。整个过程不需要扳手等辅助工具，安装简易。

▲ 图5 KF 法兰密封配合示意图

O 型圈的材质一般以高分子材料为主。受限于高分子材料的特性，烘烤温度一般不高于200℃（此温度一般指氟橡胶，其余如丁腈橡胶等，温度一般在100℃左右）。橡胶作为真空设备中应用zuipubian的密封材料，具有高弹性，较高的耐磨性和适宜的机械强度，具有常温下密封可靠，可反复安装，易于加工，价格低廉的优势，与钢制法兰易形成气密性结合。

对法兰的密封面加工精度要求不高，一般 1~6 μm的粗糙度就可以保证密封。需要的密封力大小，大约为 10~20 kgf/cm2。缺点是不能承受较严苛的高温和低温的环境条件，出气率和渗透率远相比金属材料较大，通常只用于高真空及以下系统，不适用于超高真空和jigao真空系统。

除橡胶外，聚四氟乙烯也是常用的高分子密封材料。其化学性能稳定，不吸水，且电绝缘性好。新型膨胀聚四氟乙烯可在 -218~320℃ 的温度范围内安全使用，使用寿命也长于橡胶密封材料。缺点是其弹性差，装配精度要求高。

KF 法兰常用的高分子密封材料有如下几种：

KF 法兰的优点在于安装拆卸简易，结构轻巧，成本较低。一般适用于中、高真空管路的连接，主要用于中小型真空系统的管路与泵的连接，以及一些小型的检测仪器等。使用极限真空度可达 10-6 PaJI。

随着真空技术的发展，KF 法兰的尺寸上限已无法满足真空设备大型化的需求，适配更大尺寸管路的 ISO 法兰应运而生。ISO 法兰又称“非刀口法兰"（non-knife edge flange），与之后介绍的刀口法兰（CF法兰）区分，即法兰密封面为光滑平面，一般由O形圈密封，通过螺栓或卡钳紧固的一系列法兰。业内为方便称呼，统称为 ISO 法兰，并将利用卡钳紧固的称为 ISO-K 型，螺栓固定的称为 ISO-F 型。从主体结构与密封机理上看，前文提到的 KF 法兰也属于 ISO 法兰中的一种，不过 KF 法兰形成了单独的标准体系（ISO 2861），故本文也将两种法兰分开介绍。

▲ 图6 ISO-K 型法兰结构示意图

▲ 图7 ISO-F 型法兰结构示意图

ISO 法兰与 KF 法兰结构相似，也是典型的对称法兰，同样由4部分组成：中心环（O-ring carrier）、紧固夹具：卡钳（clamp）/螺栓（blot）、连接盘/法兰接头（coupling）、O形圈（O-ring）。

▲ 图8 ISO法兰分解结构示意图

参考 ISO 1609：2020《Vacuum technology — Dimensions of non-knife edge flanges》标准，ISO-K 型法兰的标准通径为10~630，ISO-F 型法兰的标准通径在K型的基础上增加了更大的800和1000规格。这里，我们以 ISO 1609：2020 标准中的螺栓法兰（bolted flange）和卡钳法兰（clamped flange）为参考，列出部分尺寸设计参数以供参考。

▲ 图9 ISO-F 型法兰接头剖面结构

ISO 法兰的密封原理和 KF 法兰类似，也是依靠 O 形圈的压缩形变实现密封，只是将尺寸进行了放大，紧固方式改成卡钳紧固或螺栓紧固。因此，可参考前文KF法兰的密封机理，此处不再赘述。

如果说 KF 法兰适配的是小型管路的连接，那 ISO 法兰就是大型管路连接的buerzhixuan。ISO 法兰密封的极限真空度可达 10-6 Pa  JI，适配中、高真空度工况。典型应用是镀膜设备、半导体产线等大口径真空管路。

1940年后，真空技术扩展到真空冶金、真空镀膜和冷冻干燥等应用，并开始成为一门独立学科。而原子物理学研究和高质量电子管的需求，进一步推动了真空技术的发展，特别是1957年离子泵的发明，正式将真空技术带进了超高真空时代。由于获得超高真空时通常需要烘烤除气，而普通的橡胶圈密封法兰无法承受高温，最早的超高真空设备不同的组件之间一般采用焊接的方式连接。

1961年，瓦里安科技（现安捷伦科技）发明了一种可拆卸的，能承受高温烘烤的金属静密封法兰，并将其命名为“ConFlat"法兰。因其良好的密封性和能承受高温烘烤的特性，被广泛的使用，并逐渐成为超高真空和jigao真空法兰的行业标准。通常称其为刀口法兰（knife-edge flange）或简称为CF法兰。

▲ 图11 CF法兰结构示意图

CF 法兰主要由3部分组成，分别是：垫片（gasket）、法兰接头（flange）、螺栓（bolt）

其结构上最大的特点就是在法兰密封面上设计了一道锐利的楔形刀口，可以紧紧楔入金属垫片，实现jihao的密封效果。

▲ 图12 CF 法兰分解结构示意图

▲ 图13 刀口结构

参考ISO 3669：2026《Vacuum technology — Dimensions of knife-edge flanges》，CF法兰标准通径从10~400，其中16、40、63、100、160、200、250规格使用最为广泛。国内制定了GB/T 6071-2003《超高真空法兰》，对其材质、尺寸、加工方式等技术要求进行了规定，标准通径从16~250。我们以国内标准为参考，列出部分参数以供参考。

▲ 图14 标准CF法兰剖面结构

CF 法兰通过金属垫片与法兰上刀口的过盈配合实现密封。拧紧螺栓后，法兰上的刀口楔入较软的金属垫片使其发生塑性变形以填满刀口与法兰刀口上的微观缺陷，形成金属对金属的密封——这，是极限真空的最后一道防线。

▲ 图15 常见真空法兰金属垫片密封形式：(a) 平垫平面密封；(b) 垫片台阶密封；(c) 锥形密封；(d) 金属丝台阶密封；(e)  尖头垫平面密封；(f) 楔形密封

金属密封法兰用于超高真空金属系统上。靠金属密封圈/垫片塑性变形后充满法兰密封面表面之间来密封。金属的塑性较橡胶差，因而法兰加工精度要求高，且密封圈通常只能用一次，这些都是金属密封的不足之处。但他的突出优点是出气两校，能耐烘烤，这是橡胶密封所不能及的。由于大多数金属密封圈只能用一次，这给日常设备的使用和维修更换带来了诸多不便。近几年出现了两种新型的密封圈。密封力小，可多次使用。

图16（a）所示是弹簧外面包上软金属片制成的。当密封圈受压时，弹簧变形，并使软金属片充满密封面的表面之间达到密封。

图16（b）所示为金属空心O形圈，其外部蒸镀银，或者蒸镀金、铜、镍、铟，空心环受压时起弹性变形作用，而镀层起到密封作用。

▲ 图16 新型金属密封圈示意图

CF 法兰的材料通常使用奥氏体不锈钢，为了保证烘烤时的气密性，法兰连接螺栓材料的线膨胀系数必须与其一致，应选择相同材料。金属密封有两个突出的优点：①放气远比橡胶少，②可在高温下烘烤去气，因此能满足超高真空的要求。

但金属密封也有很多缺点：

CF 法兰常用的金属密封件有如下几种：

▲ 图17 CF法兰密封机理示意图

CF 法兰具备两个优势，一是密封性强，可在超高真空环境下使用；二是可在高温下烘烤。CF 法兰广泛应用在对真空度要求较高的表面科学研究、粒子加速器、同步辐射、EUV 光刻、半导体刻蚀与薄膜沉积。极限真空可达 1×10-11 Pa，烘烤温度可至450℃。

▲ 安捷伦真空组件与硬件系列产品，包含真空阀、转换头、真空法兰、真空馈通件、真空密封胶等，图片来源于安捷伦真空

在具体应用中，可以参照如下标准选择合适的真空法兰。

三种法兰选型的本质，是在真空等级、接口尺寸、是否需要烘烤等因素间做权衡。

真空法兰在过去100余年间快速发展，如今部分技术已趋成熟。笔者认为，未来真空法兰产品会按以下三个方向进行技术创新。

方向一：铝基超高真空组件。铝的磁导率低、放气率低、质轻，是超高真空的理想材料，但是硬度不够，易磨损。已有国外研究者通过对CF法兰的刀口结构进行优化设计，大大降低了使用过程中的磨损。

方向二：全金属快卸密封。传统CF法兰装配好所有紧固螺栓需要较长时间，如在残余辐射、必须快速拆装的高能加速器环境里，快速拆装显得尤为重要。

方向三：智能化发展。自补偿式金属密封结构、预紧力在线监测已成为重要发展方向。3D打印技术也让一些法兰的一些复杂设计成为可能。

更低的放气率、更简易的装配以及智能化，将是真空法兰未来的重要发展方向。