真空效应及其在生活中的应用

真空效应及其在生活中的应用林海奇（哈尔滨工业大学英才学院飞行器设计与工程）摘要：真空即虚空，即一无所有的空间。工业和真空科学上的真空指的是，当容器中的压力低于大气压力时,把低于大气压力的部分叫做真空；另一种说法是,凡压力比大气压力低的容器里的空间都称做真空。工业真空有程度上的区别：当容器内没有压力即绝对压力等于零时，叫做完全真空;其余叫做不完全真空。按现代物理量子场论的观点，真空不空，其中包含着极为丰富的物理内容。在真空环境下，会产生许多特殊的效应。近年来，真空效应在国防、工业生产、日常生活中均有非常广泛的应用。关键词：真空概念真空效应真空的应用一：真空的概念真空是一种不存在任何物质的空间状态，是一种物理现象。在“真空”中，声音因为没有介质而无法传递，但电磁波的传递却不受真空的影响。粗略地说，真空系指在一区域之内的气体压力远远小于大气压力。[1]真空常用帕斯卡（Pascal）或托尔（Torr）做为压力的单位。目前在自然环境里，只有外太空堪称最接近真空的空间。历史上有许多注明的关于真空的实验。比如1641年意大利数学家托里拆利做的“托里拆利实验”，完成实验的玻璃管为“托里拆利管”[2]。以及1654年马德堡市长奥托·冯·格里克做的“马德堡半球实验”。[3]在真空技术中按照压力的高低我们可以区分为：[4]1.粗略真空（RoughVacuum）760~1Torr2.中度真空（MediumVacuum）1~10-3Torr3.高真空（HighVacuum）10-3~10-7Torr4.超高真空（Ultra-HighVacuum）10-7Torr以下二：真空效应1:压力差效应压力差效应在105Pa～102Pa的真空范围内发生。压力差效应会使密封舱变形或损坏，因此增大了贮罐中液体或气体的泄漏，缩短了使用时间。真空环境下的泄漏故障基本是有压力差效应造成的，约５０％的重大故障与真空环境泄漏有关。例如１９７１年６月３０日苏联“联盟”１１号飞船的３名航天员返回地面时，因返回舱真空室漏气均窒息死亡。据统计，因真空环境下泄漏，全世界至少有２０枚火箭发生爆炸。其中：有造成火箭发动机试验时提前关机或未能二次点火；有火箭升空后未达到预定推力，卫星偏离轨道不能入轨；有火箭升空后引起爆炸，星箭自毁等。因而，有效防止和控制由真空压力差效应对于航空的危害，才能保障航天员的安全和减少财产损失。2:真空放电效应真空放电效应发生在103Pa～10-1Pa低真空范围。当电极之间发生自激放电时称为电击穿。对于航天器发射上升阶段必须工作或通电的电子仪器，应防止任何放电的可能。当真空度达到10-2Pa或更高时，在真空中分开一定距离的两块金属表面受到具有一定能量的电子碰撞时，会从金属表面激发出更多的次级电子，形成微放电。金属由于发射次级电子而受到侵蚀，电子碰撞会引起温度升高，而使附近气体压力升高，甚至会造成严重的电晕放电。射频空腔波导管等装置有可能由于微放电而使其性能下降，甚至产生永久性失效。[5]3:真空出气效应当真空度高于10-2Pa时，气体会不断地从材料表面释放出来。这些气体的来源是：①原先在材料表面吸附的气体，在真空状态下从表面脱附；②原先溶解于材料内部的气体，在真空状态下从材料内部向真空边界扩散，最后在界面上释放，脱离材料；③渗透气体通过固体材料释放出来真空出气效应会对航天器造成巨大的影响，产生分子污染。航天器材料在空间真空环境下出气，通过分子流动和物质迁移而沉积在航天器其他部位上造成的污染，称为分子污染。严重的分子污染会降低观察窗和光学镜头的透明度，改变热控涂层的性能，减少太阳能电池的光吸收率，增加电器元件的接触电阻等。4:材料蒸发升华和分解效应材料在空间真空环境下的蒸发、升华和分解都会造成材料组分的变化，引起材料质量损失（简称质损），造成有机物的膨胀，改变材料原有性能如热物理性能和介电性能等。一般质损1%～2%时，材料的宏观性质无重大变化；但质损达１０％时，材料性质出现明显的变化。因此，一般把每年质损小于１０％作为航天器材料的标准。航天器表面材料不均匀的升华，引起表面粗糙，使航天器表面光学性能变差。在高真空下材料的内、外分界面可能变动，引起材料机械性能的变化。由于蒸发缺少氧化膜或其他表面保护膜，因而可能改变材料表面的适应系数及表面辐射率，显著改变材料的机械性能、蠕变强度和疲劳应力等。5：粘着和冷焊效应粘着和冷焊效应一般发生在10－７Pa以上的超高真空环境下。它的发生机理是：在真空中固体表面的吸附气膜、污染膜以致氧化膜被部分或全部清除，从而形成清洁的材料表面，使表面之间出现不同程度的粘合现象，称为粘着。如果除去氧化膜，使表面达到原子洁净程度，在一定压力负荷和温度下，可进一步整体粘着，即引起冷焊。冷焊要想发生，必须具备以下三要素：高真空、相同金属材料、压力。粘着和冷焊效应具有一定的危害：活动部件、支承、传动、触点部位都可能出现故障。冷焊将加速轴承的磨损，减少其工作寿命，使电机滑环、电涮、继电器和开关触点接触不良，天线或重力梯度杆展不开，太阳电池阵板、散热百叶窗打不开等。防止冷焊的发生则应选择不易发生冷焊的配偶材料，在接触表面涂覆固体润滑剂或设法补充液体润滑剂，涂覆不易发生冷焊的材料膜层（碳化钨涂层）。6：真空环境下的热辐射效应在空间真空环境下，航天器与外界的传热主要通过辐射形式，因此，航天器表面的辐射特性对航天器的温度控制起着重要作用，为了使航天器保持在允许的热平衡温度下，航天器的热设计必须考虑空间真空环境下传热以辐射与接触传热为主导的效应。三：真空在生活中的应用举例随着真空获得技术的发展，真空应用日渐扩大到工业和科学研究的各个方面。真空应用[6]是指利用稀薄气体的物理环境完成某些特定任务。有些是利用这种环境制造产品或设备，如灯泡、电子管和加速器等。这些产品在使用期间始终保持真空；而另一些则仅把真空当作生产中的一个步骤，最后产品在大气环境下使用，如真空镀膜、真空干燥和真空浸渍等。真空的应用范围极广，主要分为低真空、中真空、高真空和超高真空应用。低真空是利用低(粗)真空获得的压力差来夹持、提升和运输物料，以及吸尘和过滤，如吸尘器、真空吸盘。中真空一般用于排除物料中吸留或溶解的气体或水分、制造灯泡、真空冶金和用作热绝缘。如真空浓缩生产炼乳，不需加热就能蒸发乳品中的水分。真空冶金可以保护活性金属，使其在熔化、浇铸和烧结等过程中不致氧化，如活性难熔金属钨、钼、钽、铌、钛和锆等的真空熔炼；真空炼钢可以避免加入的一些少量元素在高温中烧掉和有害气体杂质等的渗入，可以提高钢的质量。[7]高真空可用于热绝缘、电绝缘和避免分子电子、离子碰撞的场合。高真空中分子自由程大于容器的线性尺寸，因此高真空可用于电子管、光电管、阴极射线管、X射线管、加速器、质谱仪和电子显微镜等器件中，以避免分子、电子和离子之间的碰撞。这个特性还可应用于真空镀膜，以供光学、电学或镀制装饰品等方面使用。在高真空和微重力环境中进行生命和生物科学实验，不会有有机物污染，发生混入或测定错误，细菌等实验用的微生物不会到处扩散，十分安全。在零重力或微重力条件下，可进行无容器冶炼，这不会有任何杂质混入，可以获得高品质的合金；可将不同比重的金属或非金属均匀地混合，获得新型合金材料；可以克服地面加工存在的组分过冷起伏和密度大等缺陷，生长出高质量、大直径的单晶体砷化镓等半导体材料；可以生产百分之百圆度的滚珠轴承等圆球工业产品，而在地面上，由于重力的影响，滚珠轴承等总不是真正的球形。应用举例如下：1：热偶真空计气体分子热传导与压力有关。在一玻璃管壳中支撑一根热丝，热丝通以电流加热，使其温度高于周围气体和管壳的温度，于是在热丝和管壳之间产生热传导。当达到热平衡时，热丝的温度决定于气体热传导，因而也就决定于气体压力。2：电离真空计利用低压下气体分子被荷能粒子碰撞电离，产生的离子流随电力变化的原理。如：热阴极电离真空计、冷阴极电离真空计和放射性电离真空计等。3：真空包装也称减压包装，是将包装容器内的空气全部抽出密封，维持袋内处于高度减压状态，空气稀少相当于低氧效果，使微生物没有生存条件，以达到果品新鲜、无病腐发生的目的。目前应用的有塑料袋内真空包装、铝箔包装、玻璃器皿、塑料及其复合材料包装等。可根据物品种类选择包装材料。由于果品属鲜活食品，尚在进行呼吸作用，高度缺氧会造成生理病害，因此，果品类使用真空包装的较少。4：太空制药[8]太空药：利用卫星、飞船等反悔式飞行器，将有治疗作用的微生物菌种搭乘到宇宙空间，在强辐射、微重力等太空特殊环境因素作用下，菌种发生遗传形状变异，返回后再经地面筛选出良性菌种，培育出的药品。结束语真空效应主要包括压力差效应、真空放电效应、真空出气效应、材料蒸发升华和分解效应、粘着和冷焊效应、真空环境下的热辐射效应以及真空双折射效应等。在航天中，需要规避这些效应造成的负面影响，减少财产损失和人员伤亡。在日常生活中，真空已经应用到生活的方方面面，给我们带来了极大的便利。如何趋利避害，是我们需要不断研究的课题。参考文献：[1]Chambers,Austin.ModernVacuumPhysics现代真空物理.BocaRaton:CRCPress.2004.ISBN0-8493-2438-6.[2]=br8ontQH3YpuAZptQlERWkS_mxEbj1gfEd2uplrpF-jePapr_S7x27meXkAX3MTm[3]=aZ4hZE8s4inIBGUCito3JAHkKM01zg8dWxzV1svNgxrhBoK00KzuoAh3I51lg6pZ[4][5]徐颖，空间粒子辐射对航天器充放电效应的分析与研究，中国科学院空间科学与应用研究中心，2010.05[6]=4Xx7L3cJIVCtdqgsqrVq82fLfe0iKC0b197Iz_eORSn3WDXj30BYUIiCLlSrWzU0[7]徐成海，真空科学与技术的一些前沿课题，东北大学机械工程与自动化学院，2002.11.07[8]=zh5Z2js9vdb-k7o1ZUMARo6k7pOfiAWjfSlY4Be-TUkNP_rYNYKRcka49ZbQvJ3qV4prHhOWzlrmSivDXmMSpq哈尔滨工业大学创新研修报告真空效应及其在生活中的应用课程：顺磁共振分析技术及其在材料辐射损伤中的应用姓名：林海奇学号：6121820510院系：英才学院飞行器设计与工程指导老师:吴宜勇2013/11/30