第1讲真空科学的发展及应用

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。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。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)1051．033285×1036.79755×10-25×1046.79755×10-11×1031.35951×10-23×1044.07853×10-15×1026.79755×10-31×1041.35951×10-11×1021.35951×10-3（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)1056.5×10-61×10-35×1021035×10-41×10-65×10-51025×10-31×10-95×1081×10-15×1001×10-45×1013（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3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）28.01347.08475.520593.44O2（氧）31.998820.94823.142159.20Ar（氩）39.9840.9341.2887.10CO2（二氧化碳）44.009953.14×10-24.8×10-22.4×10-1*Ne（氖）20.1831.82×10-31.3×10-31.4×10-2He（氦）4.00265.24×10-46.9×10-94.0×10-3Kr（氪）83.801.14×10-43.3×10-48.7×10-4Xe（氙）131.308.7×10-63.9×10-36.6×10-5H2（氢）2.015945×10-53.5×10-64×10-4CH4（甲烷）16.043032×10-41×10-41.5×10-3N2O（氧化二氮）44.01285×10-58×10-44×10-3O3（臭氧）47.9982夏：0~7×10-60~1×10-50~5×10-5*冬：0~2×10-60~0.3×10-50~1.5×10-5*SO2（二氧化硫）64.06280~1×10-40~2×10-40~8×10-4*NO2（二氧化氮）46.0550~2×10-60~3×10-690~1.5×10-5*NH3（氨）17.030610~痕迹量0~痕迹量0~痕迹量CO（一氧化碳）28.010550~痕迹量0~痕迹量0~痕迹量I2（碘）253.80880~1×10-60~9×10-50~8×10*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）分子间相互碰撞极少、分子与器壁间碰撞频繁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；10-3~10-8（Torr）气体分子密度小特点进行真空冶金、真空镀膜及真空器件生产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