第1讲：真空科学的发展及应用.docx

［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218〜316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 X 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 〜 316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 X 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 )1051. 033285 x 1036.79755 x 10-25 x 1046.79755 x 10-11 x 1031.35951 x 10-23 x 1044.07853 x 10-15 x 1026.79755 x 10-31 x 1041.35951 x 10-11 x 1021.35951 x 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)1056.5 x 10-61 x 10-35 x 1021035 x 10-41 X 10-65 x 10-51025 x 10-31 X 10-95 x 1081 X 10-15 x 1001 X 10-45 X 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）28.013479.08475.520593.44O2 （氧）31.998820.94823.142159.20Ar （氩）39.9840.9341.2887.10CO2 （二氧化 碳）44.009953.14 X 10-24.8 X 10-22.4 X 10 -1*Ne （氖）20.1831.82 X 10-31.3 X 10-31.4 X 10-2He （氦）4.00265.24 X 10-46.9 X 10-94.0 X 10-3Kr （氪）83.801.14 X 10-43.3 X 10-48.7 X 10-4Xe （氙）131.308.7 X 10-63.9 X 10-36.6 X 10-5h2 （氢）2.015945 X 10-53.5 X 10-64 X 10-4ch4 （甲烷）16.043032 X 10-41 X 10-41.5 X 10-3n2o （氧化二 氮）44.01285 X 10-58 X 10-44 X 10-303 （臭氧）47.9982夏：0〜7 x 10-60~1 X 10-50~5 X 10-5*冬：0〜2 x 10-60~0.3 X 10-50~1.5 X 10-5*so2 （二氧化硫）64.06280~1 X 10-40~2 X 10-40~8 X 10-4*no2 （二氧化 氮）46.0550~2 X 10-60~3 X 10-690~1.5 X 10-5*nh3 （氨）17.030610~痕迹量0~痕迹量0~痕迹量CO （一氧化28.010550~痕迹量0~痕迹量0~痕迹量碳）I2 （碘）253.80880~1 X 10-60~9 X 10-50~8 X 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；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 风洞咼真空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，电子束加超咼真空气体分子密度利用气体分子密1.可控热核聚变的研究；10-1 〜10-6摄低与器壁磋度极低与表面碰2.时间基准氢分子镜的制作；(Pa)撞的次敌极少撞极少，表面形3 •表面物理表面化学的研究；10-1~10-8致使表面形成成单一分子层时4.宇宙空间环境的模拟；(Torr)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。

间很长的原理实 现表面物理与表 面化学的研究5. 大型冋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。