真空技术及应用系列讲座1真空科学的发展及应用

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1、真空技术及应用系列讲座 第一讲：真空科学的发展及应用 李云奇 ( 东北大学 ) 一、 真空科学发展的历史回顾 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

2、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

3、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。 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

4、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 10 3 6.79755 10 -2 5 10 4 6.79755 10 -1 1 10 3 1.35951 10 -2 3 10 4

5、 4.07853 10 -1 5 10 2 6.79755 10 -3 1 10 4 1.35951 10 -1 1 10 2 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 10 2 103 5 10 -4 1 10 -6 5 10 -5 102 5 10 -3 1 10 -9 5 10 8 1 10 -1 5 10 6 1 10 -4 5 10 13 (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

6、( 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

7、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： 07 10 -6 01 10 -5 05 10 -5* 冬： 02 10 -6 00.3 10 -5 0

8、1.5 10 -5* SO2 （二氧化硫） 64.0628 01 10 -4 02 10 -4 08 10 -4* NO2 （二氧化氮） 46.055 02 10 -6 03 10 -6 901.5 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 01 10 -6 09 10 -5 08 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

9、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） 76010（ T

10、orr） 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） 1010-3（ 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

11、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） 10-310-8 （ 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

12、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） 10-110-8（ 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

13、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。 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

14、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

15、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