真空科学的发展范文.docx

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真空科学的发展范文

第一讲：

真空科学的发展及应用

[简介]:

    人们或许是受翻译国外书刊的影响，通常在回顾真空科学发展史时，常常误认为1643年托里析利的压力实验和1650年葛利克发明抽气机是对真空这一现象的最早发现，其实早在公元前六世纪我国在冶铁技术中即采用了风箱鼓风法，那时称风箱为“鞲鞴”。

战国时期“老子道德经”一书说“鞲鞴”是虏而不屈、动而愈出”，这是利用真空吸气原理的有记载的描述。

而欧州到十六世纪才发明这种设备。

中国晋朝炼丹家和医生葛洪（公元218～3l6年）在“肘后备急方”中所介绍的利用气体的热胀冷缩、创造的“拔火罐”医疗法、正是真空技术在医学上应用的具体例证。

因为发生在火罐里的现象正是一个获得真空和应用真空的完好过程。

这种获得真空的方法比托里析利用水银赶走玻璃管中的大气而获得的真空方法还要高明。

因为在罐内燃纸加热大气、不但能赶走罐内的部分大气，而且还可以把罐中的氧气烧掉、这至少可以使罐中产生五分之四个大气压力的真空。

即相当于在罐中获得6×104Pa的低压。

至于葛利克的抽气机与我国古代所采用的风箱抽气比较，在抽气原理上是相同的。

不过在我国“天工开物”一书中记载的利用“风箱鼓风炼铁”要比葛利克抽出他的“金属半球”中的气体，在时间上至少早几百年，因此在我们回顾真空科学发展历程时，是不应当忘记我们的祖先、对人类在早期发展真空技术所做出的贡献。

人们或许是受翻译国外书刊的影响，通常在回顾真空科学发展史时，常常误认为1643年托里析利的压力实验和1650年葛利克发明抽气机是对真空这一现象的最早发现，其实早在公元前六世纪我国在冶铁技术中即采用了风箱鼓风法，那时称风箱为“鞲鞴”。

战国时期“老子道德经”一书说“鞲鞴”是虏而不屈、动而愈出”，这是利用真空吸气原理的有记载的描述。

而欧州到十六世纪才发明这种设备。

中国晋朝炼丹家和医生葛洪（公元218～3l6年）在“肘后备急方”中所介绍的利用气体的热胀冷缩、创造的“拔火罐”医疗法、正是真空技术在医学上应用的具体例证。

因为发生在火罐里的现象正是一个获得真空和应用真空的完好过程。

这种获得真空的方法比托里析利用水银赶走玻璃管中的大气而获得的真空方法还要高明。

因为在罐内燃纸加热大气、不但能赶走罐内的部分大气，而且还可以把罐中的氧气烧掉、这至少可以使罐中产生五分之四个大气压力的真空。

即相当于在罐中获得6×104Pa的低压。

至于葛利克的抽气机与我国古代所采用的风箱抽气比较，在抽气原理上是相同的。

不过在我国“天工开物”一书中记载的利用“风箱鼓风炼铁”要比葛利克抽出他的“金属半球”中的气体，在时间上至少早几百年，因此在我们回顾真空科学发展历程时，是不应当忘记我们的祖先、对人类在早期发展真空技术所做出的贡献。

1、真空的含义及特点

    在真空科学中，真空的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。

人们通常把这种稀薄的气体状态称为真空状况。

这种特定的真空状态与人类赖以生存的大气在状态相比较，主要有如下几个基本特点：

（1）真空状态下的气体压力低于一个大气压，因此，处于地球表面上的各种真空容器中，必将受到大气压力的作用，其压强差的大小由容器内外的压差值而定。

由于作用在地球表面上的一个大气压约为10135N/m2，因此当容器内压力很小时，则容器所承受的大气压力可达到一个大气压。

不同压强下单位面积上的作用力，如表1所示。

（2）真空状态下由于气体稀薄，单位体积内的气体分子数，即气体的分子密度小于大气压力的气体分子密度。

因此，分子之间、分子与其他质点（如电子、离子等）之间以及分子与各种表面（如器壁）之间相互碰撞次数相对减少，使气体的分子自由程增大。

表2给出了常温下大气分子平均自由程与大气压力的关系。

表1不同压力下单位面积上的作用力

压力（Pa）

作用力（kg/cm2）

压力（Pa）

作用力（kg/cm2）

105

1．03328

5×103

6.79755×10-2

5×104

6.79755×10-1

1×103

1.35951×10-2

3×104

4.07853×10-1

5×102

6.79755×10-3

1×104

1.35951×10-1

1×102

1.35951×10-3

表2常温下大气分子平均自由程与大气压力的关系

大气压力（Pa）

平均自由程（cm）

大气压力（Pa）

平均自由程（cm）

105

6.5×10-6

1×10-3

5×102

103

5×10-4

1×10-6

5×10-5

102

5×10-3

1×10-9

5×108

1×10-1

5×100

1×10-4

5×1013

（3）真空状态下由于分子密度的减小，因此做为组成大气组分的氧、氢等气体含量（也包括水分的含量）也将相对减少。

表3给出了标准大气的成份。

表1标准大气的成分

成分

分子量

容积百分比

重量百分比

分压强（托）

N2（氮）

28.0134

7.084

75.520

593.44

O2（氧）

31.9988

20.948

23.142

159.20

Ar（氩）

39.984

0.934

1.288

7.10

CO2（二氧化碳）

44.00995

3.14×10-2

4.8×10-2

2.4×10-1*

Ne（氖）

20.183

1.82×10-3

1.3×10-3

1.4×10-2

He（氦）

4.0026

5.24×10-4

6.9×10-9

4.0×10-3

Kr（氪）

83.80

1.14×10-4

3.3×10-4

8.7×10-4

Xe（氙）

131.30

8.7×10-6

3.9×10-3

6.6×10-5

H2（氢）

2.01594

5×10-5

3.5×10-6

4×10-4

CH4（甲烷）

16.04303

2×10-4

1×10-4

1.5×10-3

N2O（氧化二氮）

44.0128

5×10-5

8×10-4

4×10-3

O3（臭氧）

47.9982

夏：

0~7×10-6

0~1×10-5

0~5×10-5*

冬：

0~2×10-6

0~0.3×10-5

0~1.5×10-5*

SO2（二氧化硫）

64.0628

0~1×10-4

0~2×10-4

0~8×10-4*

NO2（二氧化氮）

46.055

0~2×10-6

0~3×10-6

90~1.5×10-5*

NH3（氨）

17.03061

0~痕迹量

0~痕迹量

0~痕迹量

CO（一氧化碳）

28.01055

0~痕迹量

0~痕迹量

0~痕迹量

I2（碘）

253.8088

0~1×10-6

0~9×10-5

0~8×10*6*

    *表示随时间、地点而变化的值

    真空的这些特点、已被人们在丰富的生产与科学实验中加以利用，这一点我们将在下节中详述。

2、不同真空状态下的真空工艺技术

    随着气态空间中气体分子密度的减小，气体的物理性质发生了明显的变化，人们就是基于气体性质的这一变化，在不同的真空状态下、应用各种不同的真空工艺、达到为生产及科学研究服务的目的。

目前，可以说，从每平方厘米表面上有上百个电子元件的超大规模集成电路的制造，到几公里长的大型加速器的运转，从民用装饰品的生产到受控核聚变、人造卫星、航天飞机的问世，都与真空工艺技术密切相关。

不同真空状态下所引发出来的各种真空工艺技术的应用概况如表4所示。

表4不同真空状态下各种真空工艺技术的应用概况

真空状态

气体性质

应用原理

应用概况

粗真空

105~103（Pa）

760~10（Torr）

气体状态与常压相比较只有分子数目由多变少的变化，而无气体分子空间特性的变化．分子相互间碰撞频繁

利用真空与大气的压力差产生的力及感差力均匀的原理实现真空的力学应用

1.真空吸引和输运固体、液体、胶体和微粒；

2.真空吸盘起重、真空医疗器械；

3.真空成型，复制浮雕；

4.真空过滤；

5.真空浸渍。

低真空

103~10-1（Pa）

10~10-3（Torr）

气体分子间，分子与器壁间的相互碰撞不相上下，气体分子密度较小

利用气体分子密度降低可实现无氧化加热利用气压降低时气体的热传导及对流逐渐消失的原理实现真空隔热和绝缘

利用压强降低液体沸点也降低的原理实现真空冷冻真空干燥

1.黑色金属的真空熔炼，脱气、浇铸和热处理

2.真空热轧、真空表面渗铬；

3.真空绝缘和真空隔热；

4.真空蒸馏药物、油类及高分子化合物；

5.真空冷冻、真空干燥；

6.真空包装、真空充气包装；

7.高速空气动力学实验中的低压风洞

高真空

10-1~10-6（Pa）

10-3~10-8（Torr）

分子间相互碰撞极少、分子与器壁间碰撞频繁

气体分子密度小

利用气体分子密度小任何物质与残余气体分子的化学作用徽弱的特点进行真空冶金、真空镀膜及真空器件生产

1.稀有金属、超纯金属和合金、半导体材料的真空熔炼和精制；常用结构材料的真空还原冶金；

2.纯金属的真空蒸馏精练；放射性同位素蒸发；

3.难熔金疆的真空烧结；

4.半导体材料的真空提纯和晶体制备；

5.高温金相显微镜及高温材料实验设备的制造；

6.真空镀膜，离子注入．膜一刻蚀等表面改性；

7.电真空工业的电光管、离子管、电子源管、电子束管、电子衍射仪，电子显微镜、x光显微镜，各种粒了加速器、能谱仪、核辐射谱仪，中子管、气体激光器的制造；

8.电子束除气、电子束焊接，区域熔炼，电子束加

超高真空

10-1~10-6（Pa）

10-1~10-8（Torr）

气体分子密度摄低与器壁磋撞的次敌极少致使表面形成单分子层的时间增长

气态空间中只有固体本身的原子几乎没有其他原子或分子的存在。

利用气体分子密度极低与表面碰撞极少，表面形成单一分子层时间很长的原理实现表面物理与表面化学的研究

1.可控热核聚变的研究；

2.时间基准氢分子镜的制作；

3．表面物理表面化学的研究；

4.宇宙空间环境的模拟；

5.大型同步质子加速器的运转；

6.电磁悬浮式高精度陀螺仪的制作。

 真空科学的应用领域很广，目前已经渗透到车辆、土木建筑工程、机械、包装、环境保护、医药及医疗器械、石油、化工、食品、光学、电气、电子、原子能、半导体、航空航天、低温、专用机械、纺织、造纸、农业以及民用工业等工业部门和科学研究工作中。

现就其主要的几个部门简述如下：

1．真空在输运、吸引、起吊及真空造型等设备中的应用

    真空输运、吸引及起吊设备、都是利用真空与大气间存在压力差所产生的力来做功的。

由于这种机械能存在着压强处处均匀的特点，因此可绝对密接地施加到任何形状的平面上。

目前、这些真空设备大多用在吸鱼、粮食、面粉、煤粉、烟草、水泥、泥浆、纸浆、粉状矿物粉状化工产品，水泥地板，预制板、机场及公路水泥跑的快速吸干、车间起吊、机床夹具，玻璃装运，吸乳、吸尘。

人工流产吸引胎儿：

吸痰、吸胸膜积水、脓液、吸肠以及吸引原子弹爆炸所产生的辐射尘埃等生产作业中。

这些设备均具有结构简单，易于操作维护、运输、起吊吸引过程中无震动、生产效率高、运送易损坏物件安全可靠、对环境无污染等特点。

因此具有广阔的应用范围和前景。

    真空造型也是利用压差力的一个重要方面，近年来在立体军用地图、盲人书籍、示数摸型、高级陶瓷、混凝土予制件、电冰箱洗衣机板件、玩具、复制浮雕和文物、行波管和返波管中的细旋支柱成形、质谱仪中分析室以及微波系统的波导制作方面、都广泛的采用了这一技术。

    真空力学应用的另一个领域是真空过滤和真空浸渍。

目前化工，制糖，水泥等工业部门已开始大量采用的连续真空过滤、很容易将粘度大的悬浮液利用压差力的作用、通过微细筛孔而将其悬浮液中的液体与固体分离。

在染料工业中利用真空过滤法可以大量节省棉布。

真空浸渍是把片状或纤维状的疏松物质，进行先抽真空，再在液体中浸渍充填一些新的物质的一种新型工艺。

这种工艺用在含油轴承、鱼网纤维、皮革、非电解电容，变压器、电动机定子线圈等产品上已经显著的提高了产品质量。

此外这种工艺对疏松劣质木材进行聚脂树脂浸，对铅笔木进行蜡类浸渍使其改变原有的天然性能达到化劣质为优质的目的、并已达到了予期的效果。

2．真空在电真空器件中的应用

    由于各种电真空器件的工作原理是基于电场、磁场来控制电子在空间的运动借以达到放大、振荡、显示图象等目的。

因此避免电子与气体分子间的碰撞，保证电子在空间的运动规律，防止发射热电子的阴极氧化中毒，把电子器件内抽成不同电真空器件所要求的不同真空度、保证电子器件的正常工作，是绝对必要的。

目前电真空工业中所生产的电真空器件主要有各种电子管（整流管、发射管、收信管、速调管、行波管、磁控管、光电管等）；各种离子管（泵弧整流管、引燃管、计数管、闸流管、噪音管、雷达电线开关等）；各种电子束管（示波管、摄象管、显象管、x光管、变象管等）；各种电光源管（照明灯，光谱灯、仪器用灯等）以及中子管、电子衍射仪、电子显微镜、x光显微镜，各种粒子加速器、质谱仪、核辐射谱仪、气体激光器以及利用真空中电子束进行除气、熔炼、区域提纯、难熔金属和介质的熔化和钻孔，开槽切割、放射性同位素的蒸发，难熔金属的焊接等许多方面。

这些电子器件及工艺，在近代科学和近代大工业生产中所起的作用是不言而喻的。

这里不再赘述。

3．直空在冶金工业中的应用

    在真空中对金属及其合金进行真空冶金范围很广，包括真空蒸馏、矿石及其半产品的真空分离，金属化合物真空还原、钢液炉外真空脱气和精炼、金属真空熔铸、真空烧结，真空热处理、真空钎焊及真空固态接合等多种工艺方法。

真空冶金工业自二十世纪五十年代发展以来之所以得到极为广泛地应用，是因为真空环境在冶金过程中具有一系列的特点所致。

首先是真空环境中物质与残余气体分子间的化学作用十分微弱，因此非常适宜对黑色金属、稀有金属，超纯金属及其合金、半导体材料的熔炼和精制。

其次，在真空环境中可通过降低单一气体分子的分压强、达到钢液脱气精炼、真空碳脱氧的目的。

真空环境的另一个特点还在于它在较低的温度下、具有进行一定反应的能力，例如在同样温度下，有些反应过程在大气中则难以进行，但是在低压下就十分容易。

这就是真空化合物分解和有色金属冶炼的基本原理。

表4给出了各种不同真空冶金领域中所采用的各种工艺方法和它们的适用范围。

供读者参阅。

表4中给出的真空冶金中，尚应包括真空镀膜工艺，但是由于这一领域，目前已成为真空表面处理技术中的一个重要组成部分，因此我们将在下一节中详述。

表5真空冶金的主要领域、工艺方法及其适用范围

领域

工艺方法

运用范围

真

空

熔

炼

真空感应熔炼

铁镍钴铜铍铀系金属及其合金

钛铍系金属及其合金、铁镍钴系高级合金钢、铀系合金、硅、锆、铁、铌、铂的区域精炼

自耗电极真空弧熔炼

铁镍钴系高级合金钢及低合金钢，高级合金钨铝铑钽钛系金属及其合金

非耗电极真空电弧熔炼

铀钛锆及碳化铀熔炼

真空弧热源在水冷铜坩埚中精炼及铸造

钛锆钼铌钨钽及铀等金属合金

真空电子束熔炼同时在水冷铜坩埚中凝固成锭

钨、钼、铌、钽、铪、铍等尔难熔金属及全金高级合金钢、超级合金、起纯金属

电子束热源在水冷铜坩埚中皮壳精练然后进行离子铸造或精密铸造

铝、钼、铌、钽、锆、钛等，滚球轴承钢等，高级合金钢

溢流法电子束多重熔床熔炼及冷凝成锭

高纯金属、高纯合金及高级合金钢

等离子弧熔炼

合金钢及工具材料

等离子弧重熔

钛及合金钢

等离子弧感应熔炼

耐热钢及耐热合金

真空精练

合金钢精练及脱气

真

空

脱

气

及

炉

外

精

炼

钢包静态真空脱气

处理合金钢

真空浇注

碳钢合金钢大锻件钢锭

倒包脱气

结构钢

出钢脱气

与电炉组合处理各种合金钢

出钢脱气加真空浇注

大钢件钢锭处理浇注

出钢脱气加例包脱气

各种钢

提升处理（DH法）

碳钢、低合金锡、弹簧钢、轴承钢、不锈钢电工钢

循环处理（RH法）

同上

电磁搅拌真空脱气

轴承钢、超高强度钢

真空钢包吹氩

低合金钢

真空电弧加热脱气

高合金钢

真空吹氧脱碳精练

不锈钢及其他合金、高纯铁素体不锈钢

电弧加热电磁搅拌真空精炼

合金钢、不锈钢、轴承钢

真空吹氧精炼

不锈钢

氩氧精炼

不锈钢、结构钢、轴承钢、工具钢

水蒸气混氧精炼

不锈钢、猛铬钢

真

空

热

处

理

真空退火

铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、工具模具钢、钼、铝、钛、锆、铀、铜、钛合金

真空气体淬火真空高压气淬

高速钢、马氏体铬钢、冷作工具钢、热处工具钢、钛合金铸件

真空油淬火

工具钢、高速钡

电子束淬火

活塞环槽脊、汽车凸轮轴及有关零件

辉光离子氮化

铬钢、高速钢、球未铸铁零件

真空渗碳真空离子渗碳

轴凿轮模具等零件

真

空

接

合

电子束焊接

难熔金属活性金属、耐热钢、不锈钢、弹簧钢、高速钢

真空钎焊

不锈钢、铝和铝合金、钛及其合金铍与不锈钢、铍-钛、铍-铌、铍-陶瓷

真空固态结合（扩散焊）

镍悬超合金，钛合金Cu-Ni，Ti-钢Cu-Nb、铜-钢

真空烧结

真空精类冶金

高纯度耐热金属及合金，复合金属、高磁性磁铁、不锈钢零件

真空蒸馏浓缩和结晶

真空蒸馏

有机油类、合成树脂原料、高级酒精、高级脂肪酸、维生素A、E、苯乙烯、香乙醇、制酒、香精分离、钛给锆去掉镁杂质和二氧化碳

真空浓缩

合成氨、合成尿素、制盐糖、制酸、合成洗涤剂、制碱、浮制品、果汁、果酱

真空结晶

氯化钾、氯化钠、合成尿素、合成氨

4、真空在镀膜工业中的应用

    真空镀膜技术是真空应用技术的一个重要分支，它已广泛地应用于光学、电子学、能源开发，理化仪器、建筑机械、包装、民用制品、表面科学以及科学研究等领域中。

真空镀膜所采用的方法主要有蒸发镀、溅射镀、离子镀、束流沉积镀以及分子束外延等。

此外还有化学气相沉积法。

如果从真空镀膜的目的是为了改变物质表面的物理、化学性能的话，这一技术又是真空表面处理技术中的重要组成部分，其分类如表6所示。

现就其几个主要应用方面做一简单介绍。

首先在光学方面，一块光学玻璃或石英表面上镀一层或几层不同物质的薄膜后，即可成为高反射或无反射（即增透膜）或者作任何预期比例的反射或透射材料，也可以作成对某种波长的吸收，而对另一种波长的透射的滤色片。

高反射膜从大口径的天文望远镜和各种激光器开始、一直到新型建筑物的大窗镀膜茉莉，都很需要。

增透膜则大量用于照相和各种激光器开始、一直到新型建筑物的大窗镀膜玻璃，都很需要。

增透膜则大量用于照相机和电视摄象机的镜头上。

在电子学方面真空镀膜更占有极为重要的地位。

各种规模的继承电路。

包括存贮器、运算器、告诉逻辑元件等都要采用导电膜、绝缘膜和保护膜。

作为制备电路的掩膜则用到铬膜。

磁带、磁盘、半导体激光器，约瑟夫逊器件、电荷耦合器件（CCD）也都甬道各种薄膜。

在显示器件方面，录象磁头、高密度录象带以及平面显示装置的透明导电膜、摄像管光导膜、显示管荧光屏的铝衬等也都是采用真空镀膜法制备。

在元件方面，在真空中蒸发镍铬，铬或金属陶瓷可以制造电阻，在塑料上蒸发铝、一氧化硅、二氧化钛等可以制造电容器，蒸发硒可以得到静电复印机用的硒鼓、蒸发钛酸钡可以制造磁致伸缩的起声元件等等。

真空蒸发还可以用于制造超导膜和惯性约束巨变反应用的微珠镀层。

此外还可以对珠宝、钟表外壳表面、纺织品金属花纹、金丝银丝线等蒸镀装饰用薄膜，以及采用溅射镀或离子镀对刀具、模具等制造超硬膜。

近两年内所兴起的多弧离子镀制备钛金制品，如不锈钢薄板、镜面板、包柱、扶手、高档床托架、楼梯栏杆等目前正在盛行。

表6真空表面处理技术的分类

表面处理目的

处理方法

粒子运动能量

工作方式

等离子体

高真空

薄膜沉积（表面厚度增加）

PVD

真空蒸发镀膜

0.1~1ev

等离子熔射辉光放电分解

电阻加热蒸发

加子束蒸发

真空电弧蒸发

真空感应蒸发

分子束外延

蔗农溅射镀膜

10~100ev

放电方式：

直流、交流、高频

电极数值：

2级、3级、4级

反应溅射、磁控溅射、对向靶溅射

离子束溅射镀膜

真空离子镀膜

数10~5000ev

直流二级型

多阴极型

ARE型、增强ARE

HCD型

高频型

单一离子束镀膜

集团离子束镀膜

CVD

化学反应热扩散

等离子增强化学气和沉积（PCVD）

低压等离子化学气相沉积

（LPCVD）

微细加工（表面厚度减少）

离子刻蚀

数百ev~数kev

高频溅射刻蚀

等离子刻蚀

反应离子刻蚀

离子束刻蚀

反应离子束刻蚀

电子束刻蚀

X射线曝光

表面改性（不改变表面厚度）

离子注入

数kev~1000kec

活性离子冲击离子氮化

离子注入

5．真空在食品包装及冷冻干燥工业中的应用

    近二十年来利用真空气氛对食品进行保鲜的包装技术发展较快。

因为这种包装不但具有免除氧气使食品不易腐烂变质，贴体和充气包装即可不受昆虫危害又可抑制霉菌生长，可提高和延长食品保鲜程度和存放时间等特点，而且包装设备大多结构简单，操作方便，价格低廉，采用的塑料包装材料成本低、美观大方、易于普及。

真空包装的食品种类较多，如榨菜、大头菜、海带、香肠、扒鸡、烧鸭、豆制品、奶粉、麦乳精等等。

由于新鲜的产品从收获到另售过程中所经过的中间环节时间较长，损失严重易提高销售价格，而真空包装工艺的推广，将使新鲜产品的价格和冷藏费用降低，从而可缓和供需之间的矛循。

因此真空保鲜必将成为潜力极大的市场而活跃在人们的生活中。

    真空冷冻干燥技术最早出现于二十世纪初，近年来发展很快。

这是因为它与通常的热晒、热风干燥，红外干燥，高频干燥相比较具有很多的优点。

由于冷冻干燥的工艺过程是先将被干物料冻结，然后抽真空，使物料中已冻结成冰的水份不经过液态而直接升华去掉。

因此冻干后的制品、不但可以呈现多孔性状态而保持原来的形状，便其加水后易恢复原状，而且低温干燥还可以防止物料热分解。

同时由于真空气氛下干燥的物料免除了氧化作用，因此干燥后的制品，其物理、化学和生物性能可