真空技术及应用系列讲座1真空科学的发展及应用Word下载.docx

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二、真空及其应用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

表2常温下大气分子平均自由程与大气压力的关系

（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

*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

三、真空科学的应用领域

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

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

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、化学和生物性能可完全不变。

真空冷冻干燥的应用范围正在逐年扩大。

具应用实便如表7所示。

表7真空冷冻干燥的应用范围及实例

6．真空在航天工业中的应用

真空科学与航天技术密切相关的主要环节来至于空间的环境模拟，因为运载火箭、人造卫星、载人飞船、空间站、宇宙探测器以及航天飞机等各种空间飞行器，在空间飞行的过程中、都是在宇宙的自然真空中进行的。

因此他们除了直接的受到空间真空环境的影响外，还要受到太阳辐射、各种带电粒子及温度的影响。

这些因素将造成材料性能的改变或损伤；

仪器灵敏度的失灵，从而会破坏这些飞行器的工作，甚至会造成宇航员的伤亡。

为此，在地面上建立模拟空间环境的宇宙空间模拟实验装置，是非常必要的。

因为只有在各种飞行器上天之前通过地面的模拟实验。

掌握航天器在空间工作的条件和特性，消除飞行中的各种隐患，才能确保飞行器及宇航员的安全。

为了满足这些要求，目前在地面上建立起的各种模拟装置较多。

表8给出了几种主要模拟装置的实验内容及其对真空度的要求。

供读者参考。

表8宇宙空间模拟设备的分类、实验内容及实用真空度

7．真空在加速器及受控核聚变中的应用

加速器是对粒子加速使被加速的粒子获得高能源的装置，在加速器中能够产生各种能量的电子、质子、氘、a粒子及其它重离子。

利用这些粒子与物质的相互作用，还可以产生各种带电和不带电的次级粒子，如7粒子、中子、多种介子、超子、反粒子等。

加速器产生的粒子和射线已经用于核物理的研究以及医疗、工业、农业食品等部门。

为确保粒子与残余气体分子不发生碰撞散射现象、真空度必须达到保证粒子直线运动的要求，否则不但会引起束流损失或粒子达不到高的能量，而且也易发生真空绝缘不够导致加速器击穿，使加速器不能处于正常工作状态。

表9是各种加速器的分类及它们所要求的真空度。

表9加速器的类型及其真空度范围

随着地球上石油储量的逐渐减少及大量能源消耗中所引起的环境污染。

新能源的开发已经提到日程，其中受控核聚变所产生的巨大能源的利用，就是最理想的一种。

目前，在这种新能源的开发上主要有两种，一种是利用重原子核裂变为两个轻原子核。

在其裂变反应过程中所释放出来的巨大的能量来发电、建立原子能发电站；

另一种是利用两个轻原子（如氘、氚聚合成一个重原子核能释放出来的巨大能量，这就是核聚变反应。

利用这种反应所产生的能量，必须对反应过程加以控制，因此称为受控核聚变。

由于这种聚变的原料氘和氚的来源可从取之不尽的海水中提取，因此它的发展前途是不言而喻的。

核聚变反应要求的温度很高：

1．约为2亿度，这样高的温度、只有像太阳那样的恒星内部才能达到。

在聚变反应中，如果氘氚中含有杂质、这种超高温是很难达到的。

因此将核聚变装置中抽到十分清洁的超高真空是必不可缺少的条件。

通常要求的真空度在10-7～10-9Pa范围内。

四、真空科学发展前景展望

随着科学技术的发展、特别是近年来计算机和微电子学、生物工程、材料科学、表面科学、航天和航海工程等高技术科学的发展，对真空科学要求越来越高。

真空科学做为这些高技术发展不可缺少的技术必将起到更加重要的作用。

例如，在目前微电子学及其纳米级电子材料和元器件的发展中。

对真空系统不仅要求采用高真空、超高真空和真空气氛清洁无油，而且要求耐腐蚀、耐粉尘。

为了适应这些要求，在真空获得设备中制造各种于式泵、耐腐蚀泵，进一步发展磁悬浮式分子泵和能够避免强磁场及等离子体对涡输分子泵金属转子产生涡流发热的用陶瓷做成转子的新型分子泵，是很必要的。

在真空测量方面，我国与国外也存在较大的差距，主要表现在真空规管的结构，电子线路的设计，集成电路和自动换挡及数字显示等新技术的采用上。

因此尽快的改变我国真空测量仪器的现状，促进这一技术向多用化、自动化及体积小、外形美等方面发展，也是一个重要的问题。

此外，追赶当前国际上在极高真空测量和特殊条件下的真空测量颈域中的先进水平、也是我国真空工作者一项责无旁贷的艰巨任务。