真空科學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域

1、真空科學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，目前已經(jīng)滲透到車(chē)輛、土木建筑工程、機(jī)械、包裝、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)藥及醫(yī)療器械、石油、化工、食品、光學(xué)、電氣、電子、原子能、半導(dǎo)體、航空航天、低溫、專(zhuān)用機(jī)械、紡織、造紙、農(nóng)業(yè)以及民用工業(yè)等工業(yè)部門(mén)和科學(xué)研究工作中?，F(xiàn)就其主要的幾個(gè)部門(mén)簡(jiǎn)述如下： 1 真空在輸運(yùn)、吸引、起吊及真空造型等設(shè)備中的應(yīng)用     真空輸運(yùn)、吸引及起吊設(shè)備、都是利用真空與大氣間存在壓力差所產(chǎn)生的力來(lái)做功的。由于這種機(jī)械能存在著壓強(qiáng)處處均勻的特點(diǎn)，因此可絕對(duì)密接地施加到任何形狀的平面上。目前、這些真空設(shè)備大多用在吸魚(yú)、糧食、面粉、煤粉、煙草、水泥、泥漿、紙漿、粉狀礦物

2、粉狀化工產(chǎn)品，水泥地板，預(yù)制板、機(jī)場(chǎng)及公路水泥跑的快速吸干、車(chē)間起吊、機(jī)床夾具，玻璃裝運(yùn)，吸乳、吸塵。人工流產(chǎn)吸引胎兒：吸痰、吸胸膜積水、膿液、吸腸以及吸引原子彈爆炸所產(chǎn)生的輻射塵埃等生產(chǎn)作業(yè)中。這些設(shè)備均具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作維護(hù)、運(yùn)輸、起吊吸引過(guò)程中無(wú)震動(dòng)、生產(chǎn)效率高、運(yùn)送易損壞物件安全可靠、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等特點(diǎn)。因此具有廣闊的應(yīng)用范圍和前景。     真空造型也是利用壓差力的一個(gè)重要方面，近年來(lái)在立體軍用地圖、盲人書(shū)籍、示數(shù)摸型、高級(jí)陶瓷、混凝土予制件、電冰箱洗衣機(jī)板件、玩具、復(fù)制浮雕和文物、行波管和返波管中的細(xì)旋支柱成形、質(zhì)譜儀中分析室以及微波系統(tǒng)

3、的波導(dǎo)制作方面、都廣泛的采用了這一技術(shù)。     真空力學(xué)應(yīng)用的另一個(gè)領(lǐng)域是真空過(guò)濾和真空浸漬。目前化工，制糖，水泥等工業(yè)部門(mén)已開(kāi)始大量采用的連續(xù)真空過(guò)濾、很容易將粘度大的懸浮液利用壓差力的作用、通過(guò)微細(xì)篩孔而將其懸浮液中的液體與固體分離。在染料工業(yè)中利用真空過(guò)濾法可以大量節(jié)省棉布。真空浸漬是把片狀或纖維狀的疏松物質(zhì)，進(jìn)行先抽真空，再在液體中浸漬充填一些新的物質(zhì)的一種新型工藝。這種工藝用在含油軸承、魚(yú)網(wǎng)纖維、皮革、非電解電容，變壓器、電動(dòng)機(jī)定子線圈等產(chǎn)品上已經(jīng)顯著的提高了產(chǎn)品質(zhì)量。此外這種工藝對(duì)疏松劣質(zhì)木材進(jìn)行聚脂樹(shù)脂浸，對(duì)鉛筆木進(jìn)行蠟類(lèi)浸漬使其改變?cè)?/p>

4、的天然性能達(dá)到化劣質(zhì)為優(yōu)質(zhì)的目的、并已達(dá)到了予期的效果。 2 真空在電真空器件中的應(yīng)用     由于各種電真空器件的工作原理是基于電場(chǎng)、磁場(chǎng)來(lái)控制電子在空間的運(yùn)動(dòng)借以達(dá)到放大、振蕩、顯示圖象等目的。因此避免電子與氣體分子間的碰撞，保證電子在空間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，防止發(fā)射熱電子的陰極氧化中毒，把電子器件內(nèi)抽成不同電真空器件所要求的不同真空度、保證電子器件的正常工作，是絕對(duì)必要的。目前電真空工業(yè)中所生產(chǎn)的電真空器件主要有各種電子管 ( 整流管、發(fā)射管、收信管、速調(diào)管、行波管、磁控管、光電管等 ；各種離子管 ( 泵弧整流管、引燃管、計(jì)數(shù)管、閘流管、噪音管、雷達(dá)電線開(kāi)

5、關(guān)等 ；各種電子束管 ( 示波管、攝象管、顯象管、 x 光管、變象管等 ；各種電光源管 ( 照明燈，光譜燈、儀器用燈等 以及中子管、電子衍射儀、電子顯微鏡、 x 光顯微鏡，各種粒子加速器、質(zhì)譜儀、核輻射譜儀、氣體激光器以及利用真空中電子束進(jìn)行除氣、熔煉、區(qū)域提純、難熔金屬和介質(zhì)的熔化和鉆孔，開(kāi)槽切割、放射性同位素的蒸發(fā)，難熔金屬的焊接等許多方面。這些電子器件及工藝，在近代科學(xué)和近代大工業(yè)生產(chǎn)中所起的作用是不言而喻的。這里不再贅述。 3 直空在冶金工業(yè)中的應(yīng)用     在真空中對(duì)金屬及其合金進(jìn)行真空冶金范圍很廣，包括真空蒸餾、礦石及其半產(chǎn)品的真空分離，金屬

6、化合物真空還原、鋼液爐外真空脫氣和精煉、金屬真空熔鑄、真空燒結(jié)，真空熱處理、真空釬焊及真空固態(tài)接合等多種工藝方法。真空冶金工業(yè)自二十世紀(jì)五十年代發(fā)展以來(lái)之所以得到極為廣泛地應(yīng)用，是因?yàn)檎婵窄h(huán)境在冶金過(guò)程中具有一系列的特點(diǎn)所致。首先是真空環(huán)境中物質(zhì)與殘余氣體分子間的化學(xué)作用十分微弱，因此非常適宜對(duì)黑色金屬、稀有金屬，超純金屬及其合金、半導(dǎo)體材料的熔煉和精制。其次，在真空環(huán)境中可通過(guò)降低單一氣體分子的分壓強(qiáng)、達(dá)到鋼液脫氣精煉、真空碳脫氧的目的。真空環(huán)境的另一個(gè)特點(diǎn)還在于它在較低的溫度下、具有進(jìn)行一定反應(yīng)的能力，例如在同樣溫度下，有些反應(yīng)過(guò)程在大氣中則難以進(jìn)行，但是在低壓下就十分容易。這就是真空化合

7、物分解和有色金屬冶煉的基本原理。表 4 給出了各種不同真空冶金領(lǐng)域中所采用的各種工藝方法和它們的適用范圍。供讀者參閱。表 4 中給出的真空冶金中，尚應(yīng)包括真空鍍膜工藝，但是由于這一領(lǐng)域，目前已成為真空表面處理技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分，因此我們將在下一節(jié)中詳述。 表 5 真空冶金的主要領(lǐng)域、工藝方法及其適用范圍 領(lǐng)域 工藝方法 運(yùn)用范圍 真 空 熔 煉 真空感應(yīng)熔煉 鐵鎳鈷銅鈹鈾系金屬及其合金 鈦鈹系金屬及其合金、鐵鎳鈷系高級(jí)合金鋼、鈾系合金、硅、鋯、鐵、鈮、鉑的區(qū)域精煉 自耗電極真空弧熔煉 鐵鎳鈷系高級(jí)合金鋼及低合金鋼，高級(jí)合金鎢鋁銠鉭鈦系金屬及其合金 非 耗電極真空電弧熔煉 鈾鈦鋯及碳化鈾熔

8、煉 真空弧熱源在水冷銅坩堝中精煉及鑄造 鈦鋯鉬鈮鎢鉭及鈾等金屬合金 真空電子束熔煉同時(shí)在水冷銅坩堝中凝固成錠 鎢、鉬、鈮、鉭、鉿、鈹?shù)葼栯y熔金屬及全金高級(jí)合金鋼、超級(jí)合金、起純金屬 電子束熱源在水冷 銅坩堝中皮殼精練然后進(jìn)行離子鑄造或精密鑄造 鋁、鉬、鈮、鉭、鋯、鈦等，滾球軸承鋼等，高級(jí)合金鋼 溢流法電子束多重熔床熔煉及冷凝成錠 高純金屬、高純合金及高級(jí)合金鋼 等離子弧熔煉 合金鋼及工具材料 等離子弧重熔 鈦及合金鋼 等離子弧感應(yīng)熔煉 耐熱鋼及耐熱合金 真空精練 合金鋼精練及脫氣 真 空 脫 氣 及 爐 外 精 煉 鋼包靜態(tài)真空脫氣 處理合金鋼 真空澆注 碳鋼合金鋼大鍛件鋼錠 倒包脫氣 結(jié)構(gòu)鋼

9、 出鋼脫氣 與電爐組合處理各種合金鋼 出鋼脫氣加真空澆注 大鋼件鋼錠處理澆注 出鋼脫氣加例包脫氣 各種鋼 提升處理（ DH 法） 碳鋼、低合金錫、彈簧鋼、軸承鋼、不銹鋼電工鋼 循環(huán)處理（ RH 法） 同上 電磁攪拌真空脫氣 軸承鋼、超高強(qiáng)度鋼 真空鋼包吹氬 低合金鋼 真空電弧加熱脫氣 高合金鋼 真空吹氧脫碳精練 不銹鋼及其他合金、高純鐵素體不銹鋼 電弧加熱電磁攪拌真空精煉 合金鋼、不銹鋼、軸承鋼 真空吹氧精煉 不銹鋼 氬氧精煉 不銹鋼、結(jié)構(gòu)鋼、軸承鋼、工具鋼 水蒸氣混氧精煉 不銹鋼、猛鉻鋼 真 空 熱 處 理 真空退火 鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、工具模具鋼、鉬、鋁、鈦、鋯、鈾、

10、銅、鈦合金 真空氣體淬火真空高壓氣淬 高速鋼、馬氏體鉻鋼、冷作工具鋼、熱處工具鋼、鈦合金鑄件 真空油淬火 工具鋼、高速鋇 電子束淬火 活塞環(huán)槽脊、汽車(chē)凸輪軸及有關(guān)零件 輝光離子氮化 鉻鋼、高速鋼、球未鑄鐵零件 真空滲碳真空離子滲碳 軸鑿輪模具等零件 真 空 接 合 電子束焊接 難熔金屬活性金屬、耐熱鋼、不銹鋼、彈簧鋼、高速鋼 真空釬焊 不銹鋼、鋁和鋁合金、鈦及其合金鈹與不銹鋼、鈹 - 鈦、鈹 - 鈮、鈹 - 陶瓷 真空固態(tài)結(jié)合（擴(kuò)散焊） 鎳懸超合金，鈦合金 Cu-Ni ， Ti- 鋼 Cu-Nb 、銅 - 鋼 真空燒結(jié) 真空精類(lèi)冶金 高純度耐熱金屬及合金，復(fù)合金屬、高磁性磁鐵、不銹鋼零件 真空

11、蒸餾濃縮和結(jié)晶 真空蒸餾 有機(jī)油類(lèi)、合成樹(shù)脂原料、高級(jí)酒精、高級(jí)脂肪酸、維生素 A 、 E 、苯乙烯、香乙醇、制酒、香精分離、鈦給鋯去掉鎂雜質(zhì)和二氧化碳 真空濃縮 合成氨、合成尿素、制鹽糖、制酸、合成洗滌劑、制堿、浮制品、果汁、果醬 真空結(jié)晶 氯化鉀、氯化鈉、合成尿素、合成氨 4 、真空在鍍膜工業(yè)中的應(yīng)用     真空鍍膜技術(shù)是真空應(yīng)用技術(shù)的一個(gè)重要分支，它已廣泛地應(yīng)用于光學(xué)、電子學(xué)、能源開(kāi)發(fā)，理化儀器、建筑機(jī)械、包裝、民用制品、表面科學(xué)以及科學(xué)研究等領(lǐng)域中。真空鍍膜所采用的方法主要有蒸發(fā)鍍、濺射鍍、離子鍍、束流沉積鍍以及分子束外延等。此外還有化學(xué)氣相沉

12、積法。如果從真空鍍膜的目的是為了改變物質(zhì)表面的物理、化學(xué)性能的話，這一技術(shù)又是真空表面處理技術(shù)中的重要組成部分，其分類(lèi)如表 6 所示?，F(xiàn)就其幾個(gè)主要應(yīng)用方面做一簡(jiǎn)單介紹。首先在光學(xué)方面，一塊光學(xué)玻璃或石英表面上鍍一層或幾層不同物質(zhì)的薄膜后，即可成為高反射或無(wú)反射（即增透膜）或者作任何預(yù)期比例的反射或透射材料，也可以作成對(duì)某種波長(zhǎng)的吸收，而對(duì)另一種波長(zhǎng)的透射的濾色片。高反射膜從大口徑的天文望遠(yuǎn)鏡和各種激光器開(kāi)始、一直到新型建筑物的大窗鍍膜茉莉，都很需要。增透膜則大量用于照相和各種激光器開(kāi)始、一直到新型建筑物的大窗鍍膜玻璃，都很需要。增透膜則大量用于照相機(jī)和電視攝象機(jī)的鏡頭上。在電子學(xué)方面真空鍍膜

13、更占有極為重要的地位。各種規(guī)模的繼承電路。包括存貯器、運(yùn)算器、告訴邏輯元件等都要采用導(dǎo)電膜、絕緣膜和保護(hù)膜。作為制備電路的掩膜則用到鉻膜。磁帶、磁盤(pán)、半導(dǎo)體激光器，約瑟夫遜器件、電荷耦合器件（ CCD ）也都甬道各種薄膜。在顯示器件方面，錄象磁頭、高密度錄象帶以及平面顯示裝置的透明導(dǎo)電膜、攝像管光導(dǎo)膜、顯示管熒光屏的鋁襯等也都是采用真空鍍膜法制備。在元件方面，在真空中蒸發(fā)鎳鉻，鉻或金屬陶瓷可以制造電阻，在塑料上蒸發(fā)鋁、一氧化硅、二氧化鈦等可以制造電容器，蒸發(fā)硒可以得到靜電復(fù)印機(jī)用的硒鼓、蒸發(fā)鈦酸鋇可以制造磁致伸縮的起聲元件等等。真空蒸發(fā)還可以用于制造超導(dǎo)膜和慣性約束巨變反應(yīng)用的微珠鍍層。此外還

14、可以對(duì)珠寶、鐘表外殼表面、紡織品金屬花紋、金絲銀絲線等蒸鍍裝飾用薄膜，以及采用濺射鍍或離子鍍對(duì)刀具、模具等制造超硬膜。近兩年內(nèi)所興起的多弧離子鍍制備鈦金制品，如不銹鋼薄板、鏡面板、包柱、扶手、高檔床托架、樓梯欄桿等目前正在盛行。 表 6 真空表面處理技術(shù)的分類(lèi) 表面處理目的 處理方法 粒子運(yùn)動(dòng)能量 工作方式 等離子體 高真空 薄膜沉積（表面厚度增加） PVD 真空蒸發(fā)鍍膜 0.11ev 等離子熔射輝光放電分解 電阻加熱蒸發(fā) 加子束蒸發(fā) 真空電弧蒸發(fā) 真空感應(yīng)蒸發(fā) 分子束外延 蔗農(nóng)濺射鍍膜 10100ev 放電方式：直流、交流、高頻 電極數(shù)值： 2 級(jí)、 3 級(jí)、 4 級(jí) 反應(yīng)濺射、磁控濺射、對(duì)

15、向靶濺射 離子束濺射鍍膜 真空離子鍍膜 數(shù) 105000ev 直流二級(jí)型 多陰極型 ARE 型、增強(qiáng) ARE HCD 型 高頻型 單一離子束鍍膜 集團(tuán)離子束鍍膜 CVD 化學(xué)反應(yīng)熱擴(kuò)散 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣和沉積（ PCVD ） 低壓等離子化學(xué)氣相沉積 （ LPCVD ） 微細(xì)加工（表面厚度減少） 離子刻蝕 數(shù)百 ev 數(shù) kev 高頻濺射刻蝕 等離子刻蝕 反應(yīng)離子刻蝕 離子束刻蝕 反應(yīng)離子束刻蝕 電子束刻蝕 X 射線曝光 表面改性（不改變表面厚度） 離子注入 數(shù) kev1000kec 活性離子沖擊離子氮化 離子注入 5 真空在食品包裝及冷凍干燥工業(yè)中的應(yīng)用    &

16、#160;近二十年來(lái)利用真空氣氛對(duì)食品進(jìn)行保鮮的包裝技術(shù)發(fā)展較快。因?yàn)檫@種包裝不但具有免除氧氣使食品不易腐爛變質(zhì)，貼體和充氣包裝即可不受昆蟲(chóng)危害又可抑制霉菌生長(zhǎng)，可提高和延長(zhǎng)食品保鮮程度和存放時(shí)間等特點(diǎn)，而且包裝設(shè)備大多結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格低廉，采用的塑料包裝材料成本低、美觀大方、易于普及。真空包裝的食品種類(lèi)較多，如榨菜、大頭菜、海帶、香腸、扒雞、燒鴨、豆制品、奶粉、麥乳精等等。由于新鮮的產(chǎn)品從收獲到另售過(guò)程中所經(jīng)過(guò)的中間環(huán)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，損失嚴(yán)重易提高銷(xiāo)售價(jià)格，而真空包裝工藝的推廣，將使新鮮產(chǎn)品的價(jià)格和冷藏費(fèi)用降低，從而可緩和供需之間的矛循。因此真空保鮮必將成為潛力極大的市場(chǎng)而活躍在人們的生

17、活中。     真空冷凍干燥技術(shù)最早出現(xiàn)于二十世紀(jì)初，近年來(lái)發(fā)展很快。這是因?yàn)樗c通常的熱曬、熱風(fēng)干燥，紅外干燥，高頻干燥相比較具有很多的優(yōu)點(diǎn)。由于冷凍干燥的工藝過(guò)程是先將被干物料凍結(jié)，然后抽真空，使物料中已凍結(jié)成冰的水份不經(jīng)過(guò)液態(tài)而直接升華去掉。因此凍干后的制品、不但可以呈現(xiàn)多孔性狀態(tài)而保持原來(lái)的形狀，便其加水后易恢復(fù)原狀，而且低溫干燥還可以防止物料熱分解。同時(shí)由于真空氣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、化學(xué)和生物性能可完全不變。真空冷凍干燥的應(yīng)用范圍正在逐年擴(kuò)大。具應(yīng)用實(shí)便如表 7 所示。 表 7 真空冷凍干燥的應(yīng)用范圍及實(shí)例應(yīng)

18、用范圍 應(yīng)用實(shí)例 生物體保存 血漿、細(xì)菌、動(dòng)脈、骨骼、皮膚'、角膜、神經(jīng)組織 貴重或熱敏性藥物生產(chǎn) 酶、疫苗、激素、各種抗生素 食品制作與保存 咖啡、海產(chǎn)品、水果、調(diào)味品 微粉末干燥 氨基酸、金屬粉、礦物粉 6 真空在航天工業(yè)中的應(yīng)用     真空科學(xué)與航天技術(shù)密切相關(guān)的主要環(huán)節(jié)來(lái)至于空間的環(huán)境模擬，因?yàn)檫\(yùn)載火箭、人造衛(wèi)星、載人飛船、空間站、宇宙探測(cè)器以及航天飛機(jī)等各種空間飛行器，在空間飛行的過(guò)程中、都是在宇宙的自然真空中進(jìn)行的。因此他們除了直接的受到空間真空環(huán)境的影響外，還要受到太陽(yáng)輻射、各種帶電粒子及溫度的影響。這些因素將造成材料性能的改變或

19、損傷；儀器靈敏度的失靈，從而會(huì)破壞這些飛行器的工作，甚至?xí)斐捎詈絾T的傷亡。為此，在地面上建立模擬空間環(huán)境的宇宙空間模擬實(shí)驗(yàn)裝置，是非常必要的。因?yàn)橹挥性诟鞣N飛行器上天之前通過(guò)地面的模擬實(shí)驗(yàn)。掌握航天器在空間工作的條件和特性，消除飛行中的各種隱患，才能確保飛行器及宇航員的安全。為了滿(mǎn)足這些要求，目前在地面上建立起的各種模擬裝置較多。表 8 給出了幾種主要模擬裝置的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及其對(duì)真空度的要求。供讀者參考。 表 8 宇宙空間模擬設(shè)備的分類(lèi)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)用真空度分類(lèi) 模擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 實(shí)用真空度 (Pa 火箭發(fā)動(dòng)機(jī) 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)空間點(diǎn)火。再起動(dòng)、熱平衡發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量、全尺寸燃燒，羽流效應(yīng)燃料在真空中性質(zhì)，

20、太陽(yáng)譜模擬，飛行器振動(dòng) 10 -1 10-8宇航員訓(xùn)練密封艙 空間環(huán)境適應(yīng)性 ( 失重，生理變化，生活規(guī)律等 飛行事故處理能力宇航服性能，宇宙醫(yī)學(xué)研究 10 2 1 離子推力器 離子推力器封命及性能 10-4 10-5材料及元件 溫控材料，太陽(yáng)能電池，飛船添隔熱材料，耐高溫材料，潤(rùn)滑材料，光學(xué)斑，消旋軸承 10-1 10-6熱真空實(shí)驗(yàn) 衛(wèi)生飛船的部件及整體性能 10-4 10-5衛(wèi)星表面帶電模擬 為了防止衛(wèi)星、飛航表面介質(zhì)產(chǎn)生不均勻現(xiàn)象，影響衛(wèi)星正常工作，為研究材料進(jìn)行充電，放電及防護(hù)而要求衛(wèi)生表面帶電模擬實(shí)驗(yàn) 10-3 10-57 真空在加速器及受控核聚變中的應(yīng)用   &

21、#160; 加速器是對(duì)粒子加速使被加速的粒子獲得高能源的裝置，在加速器中能夠產(chǎn)生各種能量的電子、質(zhì)子、氘、a粒子及其它重離子。利用這些粒子與物質(zhì)的相互作用，還可以產(chǎn)生各種帶電和不帶電的次級(jí)粒子，如7粒子、中子、多種介子、超子、反粒子等。加速器產(chǎn) 生的粒子和射線已經(jīng)用于核物理的研究以及醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)業(yè)食品等部門(mén)。     為確保粒子與殘余氣體分子不發(fā)生碰撞 散射現(xiàn)象、真空度必須達(dá)到保證粒子直線運(yùn)動(dòng)的要求，否則不但會(huì)引起束流損失或粒子達(dá)不到高的能 量，而且也易發(fā)生真空絕緣不夠?qū)е录?速器擊穿，使加速器不能處于正常工作狀態(tài)。表9是各種加速器的分類(lèi)及它們所要求 的真空 度。 表 9 加速器的類(lèi)型及其真空度范圍