真空材料與工藝技術(shù)培訓(xùn)資料課件

主講人：張以忱東北大學(xué)真空與流體工程研究中心真空材料與工藝主講人：張以忱真空材料與工藝11真空工程材料1.1真空材料的種類真空系統(tǒng)中所用的材料大致可分為兩類：1)結(jié)構(gòu)材料：是構(gòu)成真空系統(tǒng)主體的材料，它將真空系統(tǒng)與大氣隔開，承受著大氣壓力。這類材料主要是各種金屬和非金屬材料，包括可拆卸連接處的密封墊圈材料。2)輔助材料：系統(tǒng)中某些零件連接處或系統(tǒng)漏氣處的輔助密封用的真空封脂、真空封蠟、裝配時用的粘接劑、焊劑、真空泵及系統(tǒng)中用的真空油、吸氣劑、工作氣體及系統(tǒng)中所用的加熱元件材料等。1真空工程材料1.1真空材料的種類21．2真空材料的性能與選材基本原則

1.2.1材料的真空性能1.2.1.1材料的滲透性由于在真空容器器壁兩側(cè)的氣體總是存在壓力差，氣體從密度大的一側(cè)向密度小的一側(cè)滲入、擴散、通過和逸出固體阻擋層的過程稱為滲透。該情況下的穩(wěn)態(tài)流率稱為滲透率。

從微觀的角度來看，滲透過程是按以下步驟進行的（見圖1）1．2真空材料的性能與選材基本原則

1.2.1材料的真3圖1氣體滲透過程示意圖

圖1氣體滲透過程示意圖4氣體滲透過程：1).首先，氣體原子或分子碰撞到真空器壁的外表面并吸附在器壁的外表面；2).吸附時有的氣體分子能離解成原子態(tài)；3).氣體（分子或原子）在入射一側(cè)的壁面表層達到與環(huán)境氣壓相對應(yīng)的平衡溶解度；4).由于表層濃度比較高，在濃度梯度的作用下氣體向壁面的另一側(cè)擴散，直到濃度均勻為止。擴散的氣體分子（原子），有的能與固體分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化合物；有的只形成不穩(wěn)定的“假化合物”；有的則構(gòu)成溶質(zhì)；5).溶質(zhì)氣體擴散到器壁的另一面重新結(jié)合成分子態(tài)(如果存在步驟2時)后釋放；或氣體擴散到器壁的另一面后解吸和釋出。氣體滲透過程：1).首先，氣體原子或分子碰撞到真空器壁的外5在滲透過程中，擴散這一環(huán)節(jié)是最慢最關(guān)鍵的一步，它與滲透氣體及壁面材料的種類和性質(zhì)有密切關(guān)系。一般說來，非金屬材料沒有步驟（2），在非金屬材料（塑料、橡膠、玻璃、陶瓷等）表面上，氣體分子不離解；而金屬材料能溶解的氣體多數(shù)是雙原子氣體（如H2、O2、N2等），具有步驟（2）。但是在正常熱條件下，幾乎所有的惰性氣體都不能溶解在金屬材料的晶格中（離子注入條件下除外），因而也就不能滲透通過金屬材料。在滲透過程中，擴散這一環(huán)節(jié)是最慢最關(guān)鍵的一步，它與滲透氣體及6在真空工程中所用的金屬、玻璃、橡膠及塑料等，對氣體來說或多或少都可以滲透。其滲透量隨不同的氣體和材料而異，而且差異較大。

對金屬：有些金屬（如：不銹鋼、銅、鋁、鉬等）的氣體滲透系數(shù)就很小，在大多數(shù)實際應(yīng)用中可以忽略不計。但對某些金屬（如：鐵、鎳等），氫氣對它們就具有較高的滲透率。氫氣對鋼的滲透率隨含碳量的增加而增加，所以選擇低碳鋼做真空室材料為好；另外有些金屬對氣體的滲透具有選擇性，如氫氣就極容易滲透過鈀，氧氣易透過銀等?？梢岳眠@個性質(zhì)對氣體進行提純和真空檢漏。在真空工程中所用的金屬、玻璃、橡膠及塑料等，對氣體來說或多或7氣體對玻璃、陶瓷等的滲透：一般是以分子態(tài)的形式進行的。滲透過程和氣體分子的體積及材料內(nèi)部微孔大小有關(guān)。含純二氧化硅的石英玻璃的微孔孔徑約為4埃，其它玻璃因堿金屬離子（鉀、納、鋇等）填充于微孔之中，使其有效孔徑變小，所以各種氣體對石英玻璃的滲透性大，而對其它玻璃的滲透性就小。而氦分子的直徑在各種氣體分子中最小，所以氦對石英玻璃的滲透在氣體－固體配偶中是最大的。

氣體對玻璃、陶瓷等的滲透：一般是以分子態(tài)的形式進行的81.2.1.2材料的出氣任何固體材料在制造過程中，及在大氣環(huán)境下存放都能溶解、吸附一些氣體。當(dāng)材料置于真空中時，原有的動態(tài)平衡被破壞，材料就會因解溶、解吸而出氣。對一般真空設(shè)備來說，材料的出氣是真空系統(tǒng)中最主要的氣源。常用的出氣速率單位有：Pa.L/s.cm2。1.2.1.2材料的出氣任何固體材料在制造過程9材料出氣總量:出氣速率通常與材料中的氣體含量和溫度成正比。所以有時（如電真空器件）也用高溫下材料的出氣總量作為選材依據(jù)。出氣總量的單位：考慮體積含量為主時可用Pa.L/g；考慮表面含量為主時則用Pa.L/cm2。

對真空系統(tǒng)設(shè)計來說，僅有材料的出氣速率的數(shù)據(jù)還是不夠的，因為有許多真空泵的抽氣能力是有選擇性的，所以進一步知道材料出氣中的各種氣體成分的比例，就能有針對性的選配合適的真空泵，得到更合理的設(shè)計。材料出氣總量:出氣速率通常與材料中的氣體含量和溫度成正比。所101.2.1.3材料的蒸發(fā)、升華、蒸氣壓

物質(zhì)的狀態(tài)依據(jù)一定的條件而相互轉(zhuǎn)化。液態(tài)轉(zhuǎn)化成氣態(tài)的過程稱為蒸發(fā)，固態(tài)轉(zhuǎn)化成氣態(tài)的過程稱為升華。

在一定的溫度下，在封閉的真空空間中，由于液體（或固體）氣化的結(jié)果，使空間的蒸氣密度逐漸增加，當(dāng)達到一定的蒸氣壓力之后，單位時間內(nèi)脫離液體（或固體）表面的分子數(shù)與從空間返回液體（或固體）表面的再凝結(jié)分子數(shù)相等，即蒸發(fā)（或升華）速率與凝結(jié)速率達到動態(tài)平衡，這時可認(rèn)為氣化停止，此時的蒸氣壓力稱為該溫度下，該液體（或固體）的飽和蒸氣壓。1.2.1.3材料的蒸發(fā)、升華、蒸氣壓物11材料的

蒸氣壓力

與

放氣壓力

區(qū)分：

材料的放氣壓力與材料對氣體的解吸、放氣或滲透有關(guān)。雖然有時放氣或熱解吸造成的氣體壓力比材料固有的蒸氣壓力要高的多，但是通過在真空下烘烤能夠降低它們對氣體壓力的影響，但是材料的蒸氣壓力卻是材料本身所固有的、不變的。材料的蒸氣壓力與放氣壓力區(qū)分：材料的放氣壓121.2.2材料的其它性能1)機械強度:系統(tǒng)的器壁承受大氣的壓力。2）熱學(xué)性能:系統(tǒng)承受溫度的變化，材料的抗熱沖擊的特性。3）電磁性能：

系統(tǒng)中的部件具備能完成某項功能或工序所要求的電磁性能，同時這些性能又不能與真空系統(tǒng)的要求相矛盾。4）

其它性能：光學(xué)性能（例觀察窗）、硬度、抗腐蝕性、熱導(dǎo)率和熱膨脹等性能。1.2.2材料的其它性能1)機械強度:系統(tǒng)131.2.3真空材料的選材原則

1.2.3.1對真空殼體及內(nèi)部零件材料的要求1足夠的機械強度和剛度來保證殼體的承壓能力；2氣密性好。要保持一個完好的真空環(huán)境，器壁材料不應(yīng)存在多孔結(jié)構(gòu)、裂紋或形成滲漏的其它缺陷。有較低的滲透速率和出氣速率；3在工作和烘烤溫度下的飽和蒸氣壓要足夠低。4化學(xué)穩(wěn)定性好。。5熱穩(wěn)定性好。在工作溫度范圍內(nèi)，保持良好的真空性能和機械性能。6有較好機械加工性能及焊接性能。1.2.3真空材料的選材原則

1.2.3.1對真141.2.3.2對密封材料的要求

1有足夠低的飽和蒸氣壓。2化學(xué)及熱穩(wěn)定性好。在密封部位，不因合理的溫升而發(fā)生軟化，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或揮發(fā)，甚至被大氣沖破。3

3有一定的機械及物理性能。4某些密封材料應(yīng)能溶于某些溶劑中，以便更換時易于清洗掉。1.2.3.2對密封材料的要求1有足夠低的飽和蒸151.3金屬材料

在真空系統(tǒng)設(shè)計與制造中常用的金屬及其合金材料主要有：低碳鋼、不銹鋼、銅、鋁、鎳、金、銀、鎢、鉬、鉭、鈮、鈦、銦、鎵、可伐合金、鎳鉻（鐵）合金、磁性合金、銅合金、鑄鐵、鑄銅、鑄鋁等。1.3金屬材料在真空系統(tǒng)設(shè)計與制造中常161.3.1鑄件

鑄件大多用于制造各種機械真空泵泵體。要求鑄件具有較高的致密性。

當(dāng)工作溫度較高時，不應(yīng)選用含有磷、鋅、鎘等元素的銅合金鑄件。1.3.1鑄件鑄件大多用于制造各種機械真空泵泵體171.3.2鋼及不銹鋼

1.3.2.1鋼碳鋼一般應(yīng)用在低真空工作范圍

表面處理：鍍層涂覆或裸露拋光

問題：表面放氣、大氣滲透

設(shè)計熱態(tài)工作真空系統(tǒng)時必須注意：氣體滲透1.3.2鋼及不銹鋼1.3.2.1鋼碳鋼一般18中低真空系統(tǒng)：軸類、桿件、螺紋類零件以及重負荷的傳動機件等：真空容器殼體、閥、管道、蒸氣流泵的泵體：45＃鋼

導(dǎo)磁性的結(jié)構(gòu)：例磁控濺射靶的磁極靴

10#、15＃、20＃鋼及普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（例Q235A）中低真空系統(tǒng)：軸類、桿件、螺紋類零件以及重負荷的傳動機件等191.3.2.2不銹鋼

奧氏體型不銹鋼：

馬氏體型不銹鋼：1.3×10-4Pa以上系統(tǒng)：奧體無磁不銹鋼

工作范圍：－270℃～900℃耐高溫、抗腐蝕或需要熱處理（淬火、調(diào)質(zhì)）的軸、閥蓋、封口等：馬體不銹鋼

1.3.2.2不銹鋼奧氏體型不銹鋼：馬氏體型不銹鋼20

1.3.2.3不銹復(fù)合鋼板不銹復(fù)合鋼板是以碳鋼為基體，以不銹鋼為復(fù)層經(jīng)熱迭軋制而成

真空設(shè)備常用：1Cr18Ni9Ti＋Q235A0Cr18Ni9Ti＋Q235A不適用：內(nèi)徑小于600mm的真空裝置1.3.2.3不銹復(fù)合鋼板不銹復(fù)合鋼板是以碳211.3.3.1鎳用途：陰極、柵極、陽極、吸氣劑和熱屏蔽罩及機械構(gòu)件中的基體材料

鎳對大氣，水、鹽水、堿以及大多數(shù)的有機酸都具有抗腐蝕性。

鎳導(dǎo)磁性好，磁化強度大，在需要避免磁效應(yīng)的場合禁止使用鎳對氫具有很高的可滲透率和溶解度：1.3.3有色金屬1.3.3.1鎳用途：陰極、柵極、陽極、吸氣劑和熱屏蔽罩22在高真空及超高真空中最常用的是無氧銅用途：噴嘴、障板、冷阱、密封、電極等無氧銅有良好的真空氣密性，對氣體的溶解度低，在室溫下不滲透氫和氦，而且對氧氣和水蒸氣的敏感性差、塑性好。

Cu不易使用溫度過高，在200℃以上時Cu的抗拉強度陡降；當(dāng)溫度超過500℃時，Cu的蒸氣壓比Ni的蒸氣壓大約高一個數(shù)量級。無氧銅會被氧腐蝕，并在200℃以上時產(chǎn)生銹斑。它也會被含氧的酸腐蝕。1.3.3.2銅在高真空及超高真空中最常用的是無氧銅用途：噴嘴、障板、231.3.3.3鋁

特性：1).密度?。?).導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好；3).在大氣、水及部分腐蝕性介質(zhì)中耐蝕性好（因其表面形成的氧化鋁膜）；4).延展性良好；5).強度低；6）非磁性純鋁熔點660℃，在1100℃以上時會很快地蒸發(fā)。鋁和耐熔的加熱材料之間易于相浸潤。1.3.3.3鋁特性：1).密度??；2).導(dǎo)電、24

真空室內(nèi)的輕型支架、放電電極、擴散泵的噴嘴、導(dǎo)流管、擋油障板、分子泵中的葉片、密封墊片材料及耐腐蝕及裝飾鍍層材料等

鋁的機械強度在200℃左右時迅速下降，鋁的蒸氣壓相對較高，因此只能用在300℃以下的烘烤真空系統(tǒng)中。鋁難于進行普通熔焊和釬焊，一般焊接鋁：真空釬焊。用途：設(shè)計應(yīng)用注意問題：真空室內(nèi)的輕型支架、放電電極、擴散泵的噴嘴、導(dǎo)流管、擋油251.3.3.4鈦

鈦可以加工成形，沒有磁性，是理想的結(jié)構(gòu)材料，適合用做鍍膜設(shè)備中的磁控濺射靶、濺射離子泵的陰極等。鈦對活性氣體（如O2、N2、CO、CO2以及650℃以上的水蒸氣）的吸附性很強

?。?！應(yīng)避免在H2氣氛中加熱Ti，因為這樣能迅速形成TiH1.3.3.4鈦鈦可以加工成形，沒有磁性，是理想的結(jié)26

1.3.3.5鋯

純鋯是一種特別活潑的金屬，它特別對氫氣及氫的同位素氘、氚等有較強的吸附能力。Zr的中子截面很??；

Zr的二次電子發(fā)射產(chǎn)額低，可以用來作吸氣劑（如鋯鋁吸氣泵）；可用作中子窗；鍍在不希望發(fā)射二次電子的基體材料上。特點：用途：1.3.3.5鋯純鋯是一種特別活潑27

鉑（Pt）、銥（Ir）

1.3.4貴重金屬鉑是延展性最好的金屬之一，容易加工。

鉑、銥在高溫時不與氧反應(yīng)抗氧化陰極熱絲可采用在銥或鉑銥合金的基材上涂覆一層高發(fā)射能力的材料?？刹捎眉冦灲z（純度99.9％以上）作基材，氧化釔（Y2O3）作為涂覆的發(fā)射材料。但這種氧化釔陰極不宜在有大量油蒸汽的環(huán)境下工作，受沾污后，使發(fā)射性能下降。鉑（Pt）、銥（Ir）1.3.4貴重金屬鉑是延展性281.3.4.2鈀

(Pd)

鈀是一種價格相對便宜的貴重金屬，其硬度和強度類似于鉑。

鈀在空氣中加熱會被氧化；

鈀對H2表現(xiàn)出很高的溶解度（約體積的1000倍）。鈀對H2的滲透率特別高（尤其在～400℃時）

H2過濾器和檢漏儀中（H－Pd法檢漏）

1.3.4.2鈀(Pd)鈀是一種價格相291.3.4.3金（Au）

金是一種延展性和可鍛性都特別好的金屬，是極好的導(dǎo)電體。對氣體（尤其是氧氣）的化學(xué)吸附性或溶解度很弱。

1.3.4.4銀（Ag）

與金不同的是，銀對O2的溶解度很高，氧在加熱的銀中擴散的快，與純凈的氫氣通過鈀的方式一樣。

1.3.4.3金（Au）金是一種延展性和可鍛301.3.5軟金屬1.3.5.1銦（In）

銦是一種特別軟、低熔點（156℃）的金屬，它的蒸氣壓很低。1.3.5.2

鎵（Ga）

鎵的熔點很低，在30℃時熔化，但是鎵的蒸氣壓相當(dāng)?shù)?，因此可用做液體密封材料。

1.3.5軟金屬1.3.5.1銦（In）311.3.6

難熔金屬

1.3.6.1

鎢

(W)鎢腐蝕：熱的王水和1:1的HF與HNO3的混合液

鎢在常用的難熔材料中熔點(3400C)最高，而相應(yīng)的蒸氣壓最低。鎢是一種很硬、比較脆，化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定的元素，鎢沒有磁性。

1.3.6難熔金屬

1.3.6.1鎢(W)321.3.6.2鉬（Mo）鉬是一種硬度高、無磁性、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的難熔(2610)金屬。它只在高溫時表現(xiàn)出氧化性，

鉬腐蝕：熱的稀HCl溶液

1:1的HF與HNO3混合液的1.3.6.3

鉭（Ta）

鉭是一種重量輕、強度高的難熔金屬。它的熔點很高（2900℃）、蒸氣壓很低、對所有的活潑氣體（包括氫在內(nèi)）都具有較明顯的吸氣性能。

1.3.6.2鉬（Mo）鉬是一種硬度高、無磁性33鎢、鉬材料制成的蒸發(fā)源鎢、鉬材料制成的蒸發(fā)源34蒸發(fā)源材料的熔點和相應(yīng)的飽和蒸汽壓的溫度蒸發(fā)源材料的熔點和相應(yīng)的飽和蒸汽壓的溫度351.3.6.4錸（Re）

錸的熔點(3176C)很高（僅次于鎢），在高溫時，蒸氣壓低。錸在退火后的強度和延展性都很好，但是錸的表面硬度極高，使某些機械加工比較困難。錸不受HF或HCl的腐蝕，抗氧化能力和抗碳化能力比鎢好。1.3.6.4錸（Re）錸的熔點(317361.3.7汞（Hg）

汞是一種重金屬，在室溫下呈液態(tài)。汞的導(dǎo)電性能很好，膨脹系數(shù)變化很小，表面張力大，但蒸氣壓比較高。汞在空氣中的蒸發(fā)速率很高（室溫下為10-4g.cm-2.s-1），能輕微地氧化?？捎米鞫喾N開關(guān)、溫度計、壓力計（如麥?zhǔn)嫌嫞┖鸵簯B(tài)密封材料。

?。?！汞蒸氣有毒，因此汞應(yīng)在密閉的環(huán)境中使用。

用途：1.3.7汞（Hg）汞是一種重金屬，在室溫下呈371.3.8可伐合金可伐(Kovar)是一種鐵鎳鈷合金，它是在玻璃－金屬密封封接中最常用的合金。它的膨脹系數(shù)與幾種硬質(zhì)玻璃、陶瓷相匹配。

可伐的抗腐蝕性不如不銹鋼1.3.9

鉻

鉻的熔點是1900℃(1Pa時，蒸發(fā)溫度為1397℃)。鉻的附著力強，可以作為附著力較差的鍍膜材料的“附著劑”，即做為基體和膜層界面的過渡金屬。

1.3.8可伐合金可伐(Kovar)是一種鐵381.4非金屬材料真空系統(tǒng)中常用的非金屬材料:密封材料和絕緣材料

1.4.1

玻璃

玻璃是由多種無機氧化物熔煉而成的，其主要成份是二氧化硅（SiO2）。

玻璃只有軟化點而無確切的熔點和凝固點，其粘度或剛性隨溫度的升高而逐漸下降。玻璃很硬、剛性和脆性很大，且大多數(shù)是透明的，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對大多數(shù)氣體來說，玻璃的滲透率非常低。1.4非金屬材料真空系統(tǒng)中常用的非金屬材料:密391.4.1.1

真空技術(shù)中用玻璃的優(yōu)缺點

1.4.1.2

玻璃的分類

軟玻璃：熱膨脹系數(shù)在70×10－7mm.mm-1℃-1；硬玻璃：熱膨脹系數(shù)在(5～65)×10－7mm.mm－1℃－1之間。

不同氧化物與二氧化硅的熔合，可以制成不同特性的玻璃，分類如下：1.4.1.1真空技術(shù)中用玻璃的優(yōu)缺點1.4.1.240（1）鉛玻璃

：含有35～65％的SiO2和Al2O3、氧化鉛（～15％）和堿性氧化物。

鉛玻璃極易加工、電阻率很高。常用制作照明燈具（燈泡和燈管）等。重鉛玻璃通常較軟，一般用來屏蔽輻射。（2）鈉鈣玻璃：含有65～75％SiO2和Al2O3、～15％Na2O、～10％CaO（石灰）及其它氧化物

大多數(shù)的鈉鈣玻璃和鉛玻璃同屬于軟玻璃

（1）鉛玻璃：含有35～65％的SiO2和Al2O3、氧41（3）硼硅玻璃：75～95％的SiO2和礬土，其余成分主要是氧化硼。

硼硅玻璃的熱膨脹系數(shù)低而電阻高，抗熱沖擊性好并且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。用途：太陽能集熱管等

（4）石英玻璃：所含的SiO2≥96%

石英玻璃的熱膨脹系數(shù)非常低，能承受很大的熱沖擊?？稍?00℃高溫下持續(xù)使用，只有在1200～1500℃時才變軟。石英玻璃的硬度比硼硅玻璃高，加工更困難。

0.4nm.各種氣體對石英玻璃的滲透性大，氦對石英玻璃的滲透在氣體－固體配偶中是最大的。（3）硼硅玻璃：75～95％的SiO2和礬土，其余成分主421.4.1.4玻璃的粘度

、熱膨脹系數(shù)與熱導(dǎo)率1.4.1.5

電阻率與電擊穿強度1.4.1.3玻璃的機械性能。

1）

電阻率

2）

電擊穿強度:體電阻率值很高（可達1019Ω.cm）

產(chǎn)生電擊穿所需的電場強度

1.4.1.6

玻璃的抗化學(xué)腐蝕性能1.4.1.7

玻璃的滲透率與放氣

室溫下玻璃的蒸氣壓極低。除了H2和He之外，實際上玻璃對其余所有的氣體都不滲透。在制備玻璃過程中，氣體被捕獲于玻璃內(nèi)部成為合成產(chǎn)物，而且還被吸附在表面上。1.4.1.4玻璃的粘度、熱膨脹系數(shù)與熱導(dǎo)率1.443鈉鈣玻璃最大放氣量在140℃，鉛玻璃在175℃，硼硅玻璃在300℃。

鈉鈣玻璃最大放氣量在140℃，鉛玻璃在175℃，硼硅玻璃在3441.4.2陶瓷

1.4.2.1陶瓷的性質(zhì)

1.4.2.2

真空中常用的陶瓷硬而脆、強度高、熱穩(wěn)定性好，能承受高溫（軟化溫度約為1900℃）和高場強。1）

硅酸鹽陶瓷

硬瓷、鎂-鋁硅酸鹽、無堿鋁陶瓷、鋯石陶瓷2）

氧化物陶瓷

氧化鋁（藍寶石），Al2O3MgO陶瓷

3）

可機械加工的陶瓷Macor、Lavas、氮化硼（BN）

1.4.2陶瓷

1.4.2.1陶瓷的性質(zhì)1.4.245

1.4.3

塑料1.4.3.1氟塑料（聚四氟乙烯）良好的電絕緣性能

化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定

進行切削加工

改性聚四氟乙烯：燒結(jié)成形時加入不同的添料

用途：密封墊片、永久或移動的引入裝置的密封、絕緣元件和低摩擦的運動元件等

應(yīng)用溫度范圍為－80℃～200℃，最高工作溫度可達到250℃。1.4.3塑料良好的電絕緣性能化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定進461.4.3.2聚乙烯和聚丙烯

1.4.3.3

尼龍1.4.3.5有機玻璃低于100℃以下使用

蒸氣壓可達到5×10-5Pa。1.4.4

碳(石墨)及碳纖維制品

1.4.4.2

碳（石墨）纖維

1.4.3.2聚乙烯和聚丙烯1.4.3.3尼龍471.4.5橡膠

天然乳膠制成的硫化橡膠、合成橡膠

1.4.5.1軟（硫化）橡膠

在天然橡膠中加入填料和添加劑使之硬化和硫化而成

表面呈多孔狀，放氣量大（H2、碳氫化合物以及易揮發(fā)氣體）。室溫下的蒸氣壓高（≈10-2Pa），對大多數(shù)的氣體（特別是H2和CO2）的滲透率高。

只限用于工作在室溫或接近室溫的連續(xù)抽空的粗、低真空系統(tǒng)。常用做墊片和膠管。1.4.5橡膠天然乳膠制成的硫化橡膠、合成橡膠1.4.48

1.4.5.2

合成橡膠

分為普通、耐油、耐熱幾種。放氣率和透氣率顯著低于普通軟橡膠。1).丁基、氯丁、丁晴橡膠：低、高真空中廣泛采用工作溫度范圍：－20～80℃，在90～100℃時出現(xiàn)永久變形，在低于－20℃時彈性減弱。氯丁橡膠：在真空中易揮發(fā)，適用于低真空

丁基橡膠：用于1.3×10-5Pa的真空中，當(dāng)真空度高于1.3×10-6Pa時，出現(xiàn)升華，其重量損失可達30％

丁晴橡膠：耐油性及其它各項性能均較完善，在真空中的放氣量和透氣性比丁基橡膠大，適用于1.3×10-4Pa以下的真空密封

1.4.5.2合成橡膠分為普通、耐油、耐熱492).氟橡膠：是一種耐熱耐油性好、放氣量小、透氣性低的真空材料。適用于高真空和超高真空中。

工作溫度：－10～200℃，可以短時間在270℃下工作。在高溫、高真空下具有較小的出氣率和極小的升華失重值，因而它的真空性能極好。在1.3×10-7Pa壓力下因升華只減少重量的2%左右，并不影響密封。所以氟橡膠可用于1.3×10-7～1.3×10-8Pa的超高真空密封。由于氟橡膠是長鏈聚合物（分子量達60,000），所以它對過氧化氫、氧、臭氧、許多溶劑油及潤滑劑都不起反應(yīng)。

2).氟橡膠：是一種耐熱耐油性好、放氣量小、透氣性低的真空材501.4.5.3

真空密封橡膠的選擇

正確的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計＋合理選擇密封材料影響真空密封性能的主要因素：耐熱性、壓縮變形性、漏氣率、氣透性、出氣率及升華失重1)

耐熱性：保證真空系統(tǒng)烘烤除氣的順利進行

一般烘烤溫度在120℃以下和10-5Pa的真空度下，采用丁基或丁晴橡膠；如果要求更高的烘烤溫度，并且要求在超高真空環(huán)境中工作的，則需采用氟橡膠。2)

耐壓縮變形性

保證密封的可靠性和密封壽命，真空密封橡膠應(yīng)具有較小的壓縮變形值（小于35％）

1.4.5.3真空密封橡膠的選擇正確的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計513)

漏氣率

d0－試樣原高度；

ds－試樣壓縮后的高度；d1－壓縮后在相同溫度下保持一定時間，然后經(jīng)30min

卸載并冷卻到25℃時的試樣高度。

4)

氣透性：由于材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定，不同橡膠在不同溫度下對空氣的氣透性不同不同的氣體在不同橡膠中的氣透性也不一樣

在同一氣體中，氣透性大小的順序為：天然橡膠＞丁苯膠＞丁晴膠＞氯丁膠＞丁基膠

3)漏氣率d0－試樣原高度；ds－試樣壓縮后的高度525)

出氣率：在一定溫度下，單位時間內(nèi)橡膠單位面積上的出氣量

真空密封中一般要求在10－4～10－5Pa.L/s在25℃溫度下，抽氣一小時后，出氣率的計算公式：

K=10-2u1/2

式中K－

出氣率

u

－氣體滲透系數(shù)各種橡膠出氣率的大小排列：氯醇橡膠＞乙烯基硅橡膠＞天然橡膠＞丁晴橡膠＞氯丁橡膠＞氟橡膠

。5)出氣率：在一定溫度下，單位時間內(nèi)橡膠單位面積上的出53

6)橡膠的升華：橡膠在一定的真空度和溫度下的失重叫升華。一般要求升華值小于10％

按真空升華值的大小，對各種橡膠作如下排列：天然橡膠＞丁晴橡膠＞氯丁橡膠＞氯醇橡膠＞乙烯硅橡膠＞氟橡膠。在高真空系統(tǒng)中，橡膠密封元件對真空系統(tǒng)極限壓力的主要影響因素是材料的漏氣率和出氣率。6)橡膠的升華：橡膠在一定的真空度和溫度下的失重叫升541.5其它真空材料

1.5.1真空泵的工作介質(zhì)

機械泵油：適當(dāng)?shù)恼扯?、較低的飽和蒸氣壓。擴散泵油：為了獲得較低的入口壓力及較少的返流率，要求泵油在常溫下具有很低的飽和蒸氣壓，含易揮發(fā)（輕餾分）的成份少、溶解氣體的能力低，粘度適宜。同時希望在鍋爐溫度下，泵油具有較高的蒸氣壓以保證足夠密度的蒸汽射流抽氣。熱穩(wěn)定性及抗高溫氧化性好。擴散噴射泵油：由于要求油增壓泵在高壓力（10～10-2Pa）下有較高的抽氣量，所以泵油的熱穩(wěn)定性和抗氧化性一定要好。在鍋爐溫度下有較高的飽和蒸汽壓（室溫下的蒸汽壓并不需要很低），餾分要窄。

1.5其它真空材料

1.5.1真空泵的工作介質(zhì)機551.5.2輔助密封材料

真空輔助密封材料主要依據(jù)真空密封的部位和真空度不同分為封蠟、封脂、封泥和封漆等。1)真空封蠟

2)真空封脂：主要用于真空系統(tǒng)的磨口、活拴及活動連接處的密封和潤滑，是一種脂膏狀物質(zhì)。

3)真空封泥：由高粘度低蒸氣壓的石蠟與高嶺土為主要原料混合而成的一種油泥。適于低真空系統(tǒng)略有振動且經(jīng)常拆卸的部位，或臨時密封用。

1.5.2輔助密封材料真空輔助密封材料主要依據(jù)564)真空漆：刷涂或噴涂于零件表面及焊縫用來堵漏或防止H2滲入金屬器壁中。飽和蒸氣壓較低（約1×10－4Pa），在干燥和硬化后能承受200℃以下的溫度，具有良好的抗腐蝕能力。5.3真空粘接劑1).環(huán)氧樹脂封膠

是膠合能力特別強的一種膠合劑,它的飽和蒸汽壓較低,使用溫度高，即使在200℃溫度下，也能保證可靠的密封及足夠的機械強度。能用在10-4Pa的真空系統(tǒng)中。可與金屬、陶瓷或玻璃形成高強度的粘合。并可耐120℃烘烤，長期保持牢固。4)真空漆：刷涂或噴涂于零件表面及焊縫用來堵漏或防止H57（3).厭氧膠：厭氧膠是單組分膠，室溫固化。使用時操作簡單，不需配比混合，它不含溶劑，滲透性好，能滲入并填滿整個漏縫空間。固化后強度高（剪切強度高達250～350kg/cm2），且能耐油、鹽、酸、堿、有機溶劑等介質(zhì)的腐蝕，絕緣強度高，膨脹系數(shù)與鐵相接近，對金屬有防銹作用。受到工作溫度和蒸氣壓的限制，僅適用于使用溫度在150℃以下的一般真空系統(tǒng)，不宜在需要烘烤的超高真空和潔凈真空場合下應(yīng)用。（3).厭氧膠：厭氧膠是單組分膠，室溫固化。使用時操作58真空中所用的吸氣劑分蒸散型和非蒸散型兩類

1.5.4吸氣劑與吸附劑

1.5.4.1吸氣劑(1).

蒸散型吸氣劑：如鈣、鎂、鍶、鋇等。目前常用的主要有鋇鋁合金（BaAl4）吸氣劑。

主要用于電真空器件中，如用于顯象管等器件中。(2).

非蒸散型吸氣劑是體積型的吸氣劑（涂層型）

做成線、條粉狀放于器件的柵、陽極等處高溫吸氣（一般工作溫度為600℃），但是在低溫下它們不吸氣。真空中所用的吸氣劑分蒸散型和非蒸散型兩類1.5.459吸附劑與吸氣劑相反，它是在低溫下具有良好的吸氣性能，溫度升高時要解吸放氣1.5.4.2

吸附劑這類吸附劑常用于冷吸附泵、阱用物理吸附劑。常用的有：分子篩、活性碳、活性氧化鋁、硅膠等。分子篩是一種人工合成的吸附劑，其原粉的粒度范圍為1～10μm。分子篩的容積大約有一半是空腔。小于晶孔直徑的氣體分子即可通過晶孔而吸附于晶穴的內(nèi)表面。其巨大的內(nèi)表面積決定了分子篩能大量吸氣的特性。例如：5A型的內(nèi)表面積為585m2/g，13X型的內(nèi)表面積為520m2/g。在液氮溫度下，分子篩吸附的氣體體積約為其自身體積的50～110倍。由于分子篩晶體是離子型的，它對氣體的吸附能力與氣體分子的極性有關(guān)。

吸附劑與吸氣劑相反，它是在低溫下具有良好的吸氣性能，溫60硅膠（SiO2）：硅膠是一種無毒、無腐蝕性的多孔結(jié)晶體物質(zhì)，不溶于水，可溶于苛性納溶液。硅膠的孔隙率可達到70%，平均孔徑為4×10－7cm，平均密度約650kg/m3，吸濕能力可達其質(zhì)量的30%。硅膠有原色硅膠和變色硅膠之分。變色硅膠吸濕后其顏色將變成紅色，因此用它作原色硅膠吸濕指示劑，當(dāng)其顏色變紅以后，說明吸濕已飽和，即可拿去再生。可以通過再生處理后再重復(fù)使用，它們的吸氣過程是物理作用。再生是用150～180℃的熱空氣加熱。再生后的硅膠仍能繼續(xù)使用，但其吸氣能力有所下降。硅膠（SiO2）：硅膠是一種無毒、無腐蝕性的多孔結(jié)晶體物質(zhì)，612真空材料及部件的清洗

2.1

概述表面污染物：1）蒸汽壓很高，2）吸附了大量氣體。

污染的來源：最初的污染常常是表面本身形成過程中的一部分。而吸附現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)、浸析、干燥過程、機械處理以及擴散和離析過程都使各種成分的表面污染物增加。2真空材料及部件的清洗

2.1概述表面污染物：1）蒸62常見的真空材料表面上的污染物有以下幾種類型：1）加工、裝配、操作時沾染上的潤滑劑、切削液、焊劑、粘接劑、真空油脂等；2）水基類：操作時的汗跡、指紋、吹氣時的水汽、唾液等；3）表面氧化物：材料長期放置在空氣中或放置在潮濕空氣中所形成的表面氧化物；4）酸、堿、鹽類物質(zhì)：清洗時的殘余物質(zhì)、水中的礦物質(zhì)等；5）拋光殘渣及環(huán)境空氣中的塵埃和其它有機物等。6）在真空設(shè)備的使用過程中，造成的真空系統(tǒng)再污染；

清洗的目的：改進真空系統(tǒng)中所有器壁和組件表面在工作條件下的工作穩(wěn)定性。工作條件包括：高溫、低溫、以及電子、離子、光子或重粒子的發(fā)射和轟擊。常見的真空材料表面上的污染物有以下幾種類型：1）加工、裝63

清洗后得到的表面分為兩類：原子級清潔表面和工藝技術(shù)上的清潔表面。

原子級清潔表面：僅能在嚴(yán)格控制的超高真空條件下實現(xiàn)，一般需要通過較長的時間過程來實現(xiàn)，采用如加熱、粒子轟擊、濺射、氣體反應(yīng)等技術(shù)手段在特定的表面區(qū)域內(nèi)獲得。工藝技術(shù)上的清潔表面：保證所有的表面盡可能沒有其它微觀結(jié)構(gòu)物質(zhì)，并且使清洗后表面的各種分子約束得更緊密，在基體相上沒有明顯的化學(xué)物質(zhì)。清洗后得到的表面分為兩類：原子級清潔表面和工藝技術(shù)上642.2

表面清洗的基本方法2.2.1

溶

劑

清

洗1）軟化水或純水

離子雜質(zhì)：如Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Al3+、Zn2+、Cu2+、Ni2＋、Mn2＋、H＋、NH4＋、SO4＋、Cl－、NO3－、HCO3－、CO3－、PO43－、OH一、SiO32－等。陽離子和陰離子結(jié)合為可溶性鹽類存在于水中高純水：純度可達99．9999％，其電阻率達18×106Ω·cm以上

原理：純水較強的溶解能力、水分子的極性和水的沖刷作用而達到去污目的。因為水分子是有極性的，其正負電中心不重合，一端顯示出正電性，另一端顯示出負電性，對帶電離子有吸引作用。正是由于這種作用，能將浸入純水中的物體表面所吸附的離子雜質(zhì)拉下水．進而達到清除離子雜質(zhì)目的。2.2表面清洗的基本方法1）軟化水或純水離子雜質(zhì)：如N652.無水有機溶劑：如無水乙醇、丙酮、甲酮、甲苯、航空汽油、松節(jié)油等。

共同特性：1）揮發(fā)性強，吸附熱小，不易吸附在物品表面上；2）溶劑沸點低，一般在100℃以下；3）有較強的溶解性，對油脂、樹脂、石蠟等有較強的溶除能力；5)對光和熱都比較敏感

去污原理：根據(jù)溶質(zhì)在溶劑中的溶解遵循“物質(zhì)結(jié)構(gòu)相似者相溶”的原則，只要兩者結(jié)構(gòu)相似，溶解就易進行。油脂不能溶于水，但可以溶于有機溶劑中。2.無水有機溶劑：如無水乙醇、丙酮、甲酮、甲苯、航空汽油、66

真空中常用除油脂有機溶劑有：（1）甲苯（2）丙酮

它能與水、乙醇、乙醚、氯仿等有機溶劑混溶，具有很強的溶解性．能溶解油類、脂肪、樹脂、橡膠、蠟、膠、有機玻璃等有機物質(zhì)，是優(yōu)良的有機溶劑。使用方法可采取擦洗、浸泡、水浴加熱、超聲等方式清洗物品。（3）乙醇

乙醇能與水、乙醚、甲醇、氯仿混溶。乙醇分兩種：普通乙醇，純度為95％；無水乙醇，純度為99.5％，真空清洗使用的是后者。乙醇去油污能力不如甲苯和丙酮。加熱后的無水乙醇除油能力較強。真空中常用除油脂有機溶劑有：（1）甲苯67（4）汽油

汽油有較強的溶解性，能溶除油污、油漆等有機雜質(zhì)。特別是航空汽油，無毒性，去污能力強，是清洗常用有機溶劑。

（5）松節(jié)油

松節(jié)油與乙醚、乙醇、氯仿等有機溶劑互溶，是一種無毒溶劑。對有機雜質(zhì)有較好的溶解能力，能溶解油類、脂肪、蠟和各種樹脂。松節(jié)油還是一種極性溶劑，對金屬雜質(zhì)也有一定的吸附能力。

（6）石油分餾物、氯化或氟化碳氫化物（4）汽油汽油有較強的溶解性，能溶除油污、油漆等有機683.堿和酸類（1）堿類皂化類油去除：主要成分為脂肪，即甘油三酸酯。它與堿（KOH、NaOH、Ca（OH）2）在高溫和催化劑的作用下，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成溶于水的脂肪酸鹽和甘油。通過這種皂化反應(yīng)，除掉零件表面上粘附的油脂。礦物油去除：不能與堿起皂化反應(yīng)，用堿不能使其化學(xué)分解，但它們可以與堿液形成乳濁液（乳化作用），從物體表面清除。

為加速堿除油脂效果，可采取下述方法：

1）提高堿液溫度：70～100℃，加快皂化反應(yīng)及促進乳化過程2）攪拌溶液：使表面周圍的乳化層不斷更新，加速了除油過程3）堿液中加超聲波：聲波振動，提高除油效果，縮短除油時間。

3.堿和酸類（1）堿類皂化類油去除：主要成分為脂肪，即69（2）酸類作用：金屬表面的氧化層、氮化層、器件上的金屬雜質(zhì)、玻璃表面的腐蝕層，可以通過酸類與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而除掉。

常用有：鹽酸、硫酸、硝酸、氫氟酸等

1．鹽酸

鹽酸能與堿性氧化物，兩性氧化物進行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生金屬氯化物。如鋁和鋼表面上的氧化鋁和氧化鐵，可用鹽酸除掉。金屬雜質(zhì)能與鹽酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氯化物而被清除。2．硫酸表面存在的金屬雜質(zhì)，可利用硫酸的強氧化作用除掉?？衫昧蛩岬膹娝嵝猿艚饘俦砻嫔系难趸锘蛘邭溲趸铩?/p>

（2）酸類作用：金屬表面的氧化層、氮化層、器件上的金屬雜質(zhì)、703．硝酸

硝酸具有強酸性及強氧化性，以化學(xué)反應(yīng)方式除掉物體表面金屬雜質(zhì)。硝酸不僅能與金屬活動順序表中氫以前的金屬發(fā)生作用，而且能與氫以后的銅、汞、銀發(fā)生反應(yīng)．生成硝酸鹽、氮化物和水。

4.氫氟酸：5.金屬清洗劑（市售商品）：分為酸性、堿性和中性偏堿等三類。

1）酸性：多用于清洗氧化物、銹和腐蝕物；2）堿性：含有表面活性劑，用于清除輕質(zhì)油污；3）中性偏堿：可避免酸堿對表面的損傷。3．硝酸

硝酸具有強酸性及強氧化性，以化學(xué)反應(yīng)方式除712.2.1.1擦洗和浸洗2.2.1.2

噴

射(淋)清

洗利用高壓液體噴射運動流體施加到表面黏附的粒子上的剪切力來破壞粒子與表面間的粘附力，粒子懸浮于湍流流體中，被流體從表面帶走。

2.2.1.3

超聲波清洗原理是：超聲空穴作用

2.2.1.1擦洗和浸洗2.2.1.2噴射(淋)72超聲清洗原理：

介質(zhì)液體在稀疏處受到拉力而形成大量瞬時的空隙氣泡，介質(zhì)液體在稠密處受到壓力使氣泡閉合，由于振動的頻率很高，壓密和拉疏過程在極快地變動，使得大量空隙氣泡在瞬間破碎，產(chǎn)生很強的爆破沖擊波，波譜為連續(xù)譜加上離散譜。這由小的內(nèi)向爆裂氣泡所產(chǎn)生的瞬時壓力可大到幾個大氣壓甚至幾十個大氣壓。在氣泡的破裂過程中，氣泡里面的氣體能夠被迅速加熱。正是利用這個巨大的瞬時壓力產(chǎn)生的強大沖擊力量以及氣泡瞬時閉合所產(chǎn)生的局部高溫作用，破壞工件表面的油膜等污染物，使之脫離表面被沖落到清洗溶液中，從而使工件表面達到凈化。

超聲清洗原理：介質(zhì)液體在稀疏處受到拉力而形成大量瞬時的73特點：聲波本身能進入復(fù)雜構(gòu)造異形孔道，所以超聲波清洗可以清除復(fù)雜有孔零件內(nèi)部的污染物，這是一般清洗方法所無法實現(xiàn)的。清洗液選擇：根據(jù)污染物種類的不同，選擇純水、有機溶劑清洗液或無機酸性，堿性和中性清洗液作為清洗介質(zhì)。為了強化清洗效果，有時還在清洗液中加入金剛砂研磨劑。清洗液可按以下原則選?。孩俦砻鎻埩π?，②對聲波的衰減小，③對油脂的溶解能力大，④無毒、無害物質(zhì)。特點：聲波本身能進入復(fù)雜構(gòu)造異形孔道，所以超聲波清洗可以清除74超聲波清洗設(shè)備：超聲波發(fā)生器（儀）＋換能器（超聲振子）＋清洗槽1）超聲波發(fā)生器：將220V或380V的交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻的電振蕩信號，其核心部件為振蕩器

2）超聲換能器：將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換為超聲頻機械振動，它是超聲清洗設(shè)備的關(guān)鍵部件。

3）清洗槽：超聲清洗是在盛有清洗液的不銹鋼槽中進行的,清洗槽底部或側(cè)壁裝有換能器。

超聲波清洗設(shè)備：超聲波發(fā)生器（儀）＋換能器（超聲振子）＋75

夾芯式壓電換能器

由鋼質(zhì)反射罩、鋁合金聲頭和鋯鈦酸鉛壓電陶瓷片（PZT）等三部分構(gòu)成。這種換能器具有機械諧振頻率低、輸出振幅大、阻抗易于控制和匹配等特點。夾芯式壓電換能器

由鋼質(zhì)反76將多個換能器組合在一個不銹鋼密封盒中，制成密封式超聲換能器振板（振盒），如圖示。將多個換能器組合在一個不銹鋼密封盒中，制成密封式超聲換能器振77底部或側(cè)壁裝有換能器的清洗槽

換能器將輸入的電振蕩轉(zhuǎn)換成機械振動輸出。

底部或側(cè)壁裝有換能器的清洗槽換能器將輸入的電振蕩78超聲清洗機常用型式：小型一體機：發(fā)生器與清洗槽（換能器）集成一體超聲清洗機常用型式：小型一體機：發(fā)生器與清洗槽（換能器）集成79超聲波發(fā)生器與清洗槽分開形式超聲波發(fā)生器與清洗槽分開形式80分開式2分開式281超聲清洗的功率

超聲空化作用在物理本質(zhì)上是聲場中產(chǎn)生的空波的非線性振動以及破滅的二次輻射沖擊波。宏觀的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系：換能器系統(tǒng)將吸收的電功率，轉(zhuǎn)換成清洗介質(zhì)中的聲功率，如圖所示。

超聲清洗的功率超聲空化作用在物理本質(zhì)上是聲場中產(chǎn)823超聲波頻率

工作頻率的選擇會直接影響到清洗效果。從超聲清洗機理而言，所選擇的頻率要有利于氣泡的產(chǎn)生、發(fā)育和破滅，保證一定的空化效應(yīng)。選擇的工作頻率過高，則不利于絕大多數(shù)氣泡的形成發(fā)育，氣泡不破滅或雖破滅但產(chǎn)生的沖擊波太小；如果工作頻率選的過低時，雖然低頻產(chǎn)生的氣泡及沖擊波大，但是噪聲也大，對工作環(huán)境有較大影響。清洗用超聲波的工作頻率一般在20～50kHz之間。

3超聲波頻率工作頻率的選擇會直接影響到清832.2.1.5高壓飽和蒸汽清洗

利用高溫高壓條件下氣態(tài)的飽和蒸汽，在被清洗的表面溶解微小的油漬污物顆粒和頑固油垢。高壓飽和蒸汽可以切入細小的縫隙和孔洞去剝離或去除污物，清洗機發(fā)出的飽和蒸汽的溫度最高可達300℃，蒸汽壓力可達0.8～1Mpa，因此可將油漬殘留物等氣化蒸發(fā)，不會留在被清洗的表面上。

適用于：真空泵體、真空容器殼體、真空室內(nèi)的機械零部件等。

由于高溫的作用，清洗后的表面為干燥的，所以可以對各種電器、電極、電動機等進行清洗而又不影響其性能。2.2.1.5高壓飽和蒸汽清洗利用高溫高壓條件84清洗機由水箱、蒸汽發(fā)生器、高壓氣管、高壓蒸汽噴嘴等集成為一體組成（見圖）

清洗各種金屬零部件

MAX1型高壓飽和蒸汽清洗機清洗機由水箱、蒸汽發(fā)生器、高壓氣管、高壓蒸汽噴嘴等集成為一體852.2.3加熱和輻照清洗1）加熱將工件放置于常壓或真空中加熱，促使其表面上的揮發(fā)雜質(zhì)蒸發(fā)來達到清洗的目的。

原理：加熱工件，促使其表面吸附的水分子和各種碳氫化合物分子的解吸作用增強。解吸增強的程度與溫度有關(guān)。

清洗效果與工件的環(huán)境壓力、在真空中保留時間的長短、加熱溫度、污染物的類型及工件材料有關(guān)。得到原子級清潔表面，必須在超高真空條件下，加熱溫度必須高于450℃才行。適用：在較高溫度的襯底上淀積膜的情況（制備特殊性質(zhì)的膜），加熱清洗方法特別有效。

2.2.3加熱和輻照清洗1）加熱清洗效果與862）輻照清洗

利用紫外輻照來分解表面上的碳氫化合物

清洗機理：在紫外線照射下，污物分子受激并離解，而臭氧的生成和存在產(chǎn)生高活性的原子態(tài)氧。受激的污物分子和由污物離解產(chǎn)生的自由基與原子態(tài)氧作用，形成較簡單易揮發(fā)分子，如H2O3、CO2和N2。其反應(yīng)速率隨溫度的增加而增加。2）輻照清洗利用紫外輻照來分解表面上的碳氫化合物872.2.4放電清洗

廣泛應(yīng)用在高真空、超高真空系統(tǒng)的清洗除氣中，尤其是在真空鍍膜設(shè)備中用的最多。電子清洗：利用熱絲或電極作為電子源，在其上相對于待清洗的表面加負偏壓，實現(xiàn)電子轟擊的氣體解吸及某些碳氫化合物的去除。清洗效果取決于電極材料、幾何形狀及其與表面的關(guān)系，即取決于單位表面積上的電子數(shù)和電子能量，從而取決于有效電功率。2.2.4放電清洗廣泛應(yīng)用在高真空、超高88離子清洗：在真空室中充入適當(dāng)分壓力的惰性氣體（如Ar氣），可以利用兩個適當(dāng)?shù)碾姌O間的低壓下的輝光放電產(chǎn)生的離子轟擊來達到清洗的目的。

惰性氣體離子轟擊真空室內(nèi)壁、真空室內(nèi)的其它結(jié)構(gòu)件及被鍍基片，使某些真空系統(tǒng)免除高溫烘烤。如果在充入的氣體中加入10%的氧氣，對某些碳氫化合物可以獲得更好的清洗效果，因為氧氣可以使某些碳氫化合物氧化生成易揮發(fā)性氣體而容易被真空系統(tǒng)排除。（例）重要參數(shù)：外加電壓的類型（交流或直流）、放電電壓大小、電流密度、充入氣體種類和壓力、轟擊的持續(xù)時間、電極的形狀和排列以及待清洗的部件的材料和位置等

放電時的氣體壓力可在1~10Pa之間，放電電壓在500~5000V離子清洗：在真空室中充入適當(dāng)分壓力的惰性氣體（如Ar氣），可892.2.6氣體沖洗

1）氮氣沖洗

原理：氮氣在材料表面吸附時，由于吸附熱小，因而吸留表面時間極短。即便吸附在器壁上，也很容易被抽走。

應(yīng)用：縮短系統(tǒng)的抽氣時間。如真空鍍膜機在放入大氣之前，先用干燥氮氣充入真空室沖刷一下再充入大氣，則下一抽氣循環(huán)的抽氣時間可縮短近一半。其原因為氮分子的吸附能遠比水氣分子小，在真空下充入氮氣后，氮分子先被真空室壁吸附了。由于吸附位是一定的，先被氮分子占滿了，其吸附的水分子就很少了，因而使抽氣時間縮短了。系統(tǒng)被擴散泵油噴濺污染了，還可以利用氮氣沖洗法來清洗被污染的系統(tǒng)。一般是一邊對系統(tǒng)進行烘烤加熱，一邊用氮氣沖洗系統(tǒng)，可將油污染消除。2.2.6氣體沖洗

1）氮氣沖洗原理：氮氣在材料表面902）反應(yīng)氣體沖洗清洗機理：在系統(tǒng)中引進氧化性氣體（O2

、NO）和還原性氣體（H2、NH3）對金屬表面進行表面氧化/還原反應(yīng)清洗，消除污染，以便獲得原子態(tài)的清潔金屬表面。

表面反應(yīng)速率與污染的情況及表面材質(zhì)有關(guān)，其的大小通過調(diào)整反應(yīng)氣體的壓力和溫度來控制

特別適用于大型超高不銹鋼真空系統(tǒng)的內(nèi)部原位在線清洗（去除系統(tǒng)內(nèi)部的碳氫化合物污染）

反應(yīng)清洗氣體：可以用O2或NO

2）反應(yīng)氣體沖洗清洗機理：在系統(tǒng)中引進氧化性氣體（O2、N91對不銹鋼（或鎳基鋼）系統(tǒng)，NO對污染物的分離作用要大于O2分子

用NO反應(yīng)氣體清洗不銹鋼真空系統(tǒng)，產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)如下：NO＋CO→1/2H2+CO22NO+C→N2+CO2NO+C→1/2N2+CONO+2H→1/2N2+H2O清洗結(jié)果檢測：清洗處理前后真空容器的清潔度可以通過測量熱脫附（TD）和光子誘導(dǎo)脫附（PSD）的產(chǎn)額來評估。對不銹鋼（或鎳基鋼）系統(tǒng)，NO對污染物的分離作用要大于O2分92NO反應(yīng)氣體清洗的真空裝置見圖

1氣體微調(diào)閥2烘烤爐3真空容器4四極質(zhì)譜儀5B-A規(guī)6抽氣系統(tǒng)7NO氣體檢測器NO反應(yīng)氣體清洗的真空裝置見圖1氣體微調(diào)閥2烘烤爐93一般當(dāng)四極質(zhì)譜儀檢測不到碳氫化合物的譜峰時或者NO的譜峰高度是CO峰高的3倍或更大時，可以結(jié)束清洗過程。通常，這個過程至少需要幾個小時。優(yōu)點:實驗表明用NO氣體從不銹鋼真空容器表面除去碳氫化合物污染的效果與用輝光放電處理方法得到的效果相近（用熱脫附和光誘導(dǎo)脫附判斷），但氣體清洗所用的裝置要比輝光放電清洗的裝置簡單，而且不需要把被清洗的容器從系統(tǒng)上拆下。缺點：是NO氣體對人體有害，因此在清洗工藝進行之前，必須對清洗裝置做安全檢查，以確定無微量泄漏。一般當(dāng)四極質(zhì)譜儀檢測不到碳氫化合物的譜峰時或者NO的譜峰高度942.3清洗的基本程序

2.3.1污染物的確定2.3.2清洗方法的確定2.3.3清洗溶劑的選擇根據(jù)被清洗材料及污染物的性質(zhì)來選擇合適、有效的清洗劑和溶劑是溶劑清洗方法中的一個關(guān)鍵。清洗過程中，清洗液的順序必須是化學(xué)上相容的和可溶混的，而且在各階段都沒有沉淀。2.3.4清洗程序及注意事項2.3清洗的基本程序

2.3.1污染物的確定2.3952.4非金屬材料的清洗

2.4.1玻璃陶瓷的清洗玻璃及陶瓷件最常用的清洗方法是溶劑清洗法。對于表面清潔度要求很高的玻璃、陶瓷部件，最后要在真空環(huán)境中進行烘烤加熱處理、等離子輝光放電處理等。在清洗液中浸泡→輔以刷洗、擦拭或超聲波清洗→去離子水或無水乙醇沖洗

→（真空環(huán)境中）烘烤加熱處理、等離子輝光放電處理等。2.4非金屬材料的清洗

2.4.1玻璃陶瓷的清洗玻璃962.4.2塑料與橡膠的清洗

2.4.2.1有機玻璃及塑料的清洗

特點：有機玻璃和塑料的清潔需要特殊的技術(shù)處理，因為它們的熱穩(wěn)定和機械穩(wěn)定性低。

方法：大多數(shù)污染物可以用含水的洗滌劑，或用其它的溶劑清除洗掉。恰當(dāng)?shù)妮x光放電轟擊及輻射處理對塑料和有機玻璃的表面有好處選擇適當(dāng)?shù)那逑匆?，較短的清洗時間，以及在粒子轟擊或輻射中仔細地確定能量限度和恰當(dāng)?shù)膭┝?，對取得最佳清潔結(jié)果都是重要的。

2.4.2塑料與橡膠的清洗

2.4.2.1有機玻璃及972.4.2.2橡膠材料的清洗特點：真空橡膠一般不受稀酸溶液、堿溶液和酒精的腐蝕，但會受到硝酸、鹽酸、丙酮以及電子轟擊的嚴(yán)重損害。

方法：一般用無水乙醇清洗，然后放在干凈處自然干燥。如果油污較重或部件體積較大，則可在20%的氫氧化鈉溶液中煮30~60min

，取出后用自來水沖洗，然后再用去離子水（或蒸餾水）沖洗，最后用潔凈的空氣吹干或烘干。2.4.2.2橡膠材料的清洗特點：真空橡膠一般不受稀酸98分子束外延工藝流程1）對襯底進行化學(xué)清洗，除去油污和表面氧化物，獲得制取高質(zhì)量MBE外延材料所需的“高度清潔”表面。

2）將襯底用In粘貼在鉬基體上。

3）裝入樣品室，抽真空到10－6×1.33Pa后，在150～200℃下除氣，脫出表面吸附水氣。4）樣品傳送到預(yù)處理室，加熱到

400～500℃進一步除氣。

5）樣品傳送到生長室，在V族保護氣氛下加熱到相應(yīng)的氧化物離解溫度，除去氧化物及CO等，這時采用RHEED來跟蹤監(jiān)測襯底表面氧化物的脫附情況，襯底表面的清潔度。分子束外延工藝流程1）對襯底進行化學(xué)清洗，除去油污和表面氧化996）用RHEED表面結(jié)構(gòu)監(jiān)控，當(dāng)在RHEED的圖像中衍射點突然清晰，表明氧化物已去除，立即降到工藝上所規(guī)定的生長溫度，開始外延。（1）化學(xué)清洗處理

l）有機溶劑清洗：依次用

異丙醇、丙酮

、甲醇或乙醇

煮沸

＋超聲波清洗三次

目的：去除襯底表面吸附的油污。要求：每次清洗時，襯底必須沉浸于有機試劑之中，表面不暴露于大氣。2）去離子水清洗，其水質(zhì)電阻＞18MΩ。

3）HCl清洗，以去除襯底表面氧化層，然后用去離子水沖洗

6）用RHEED表面結(jié)構(gòu)監(jiān)控，當(dāng)在RHEED的圖像中衍射點突100

4）化學(xué)腐蝕清洗

作用：主要是去除因襯底在機械切割、研磨、拋光帶來的損傷層、表面吸附的雜質(zhì)和形成的氧化膜。

包括氧化和溶解過程：用腐蝕溶液中的氧化劑，如H2O2.（過氧化氫）在表面形成氧化物，然后通過酸把氧化物溶解，從而獲得新的新鮮清潔表面。

5）去離子水沖洗目的：形成一薄層的氧化膜來保護經(jīng)化學(xué)腐蝕而產(chǎn)生的新鮮表面，外來的雜質(zhì)如CO、CO2等氣體將吸附在這一薄層的氧化膜上。外延生長前通過熱處理再將它去除。

4）化學(xué)腐蝕清洗作用：主要是去除因襯底在機械切割、研磨、101（2）熱處理脫附：貼有襯底的Mo托放入進樣室后，抽真空使進樣室真空低于10－6×1.33Pa后，升溫到150～200℃先脫去水氣，然后再傳送到預(yù)處理室在10－8×1.33Pa下升溫至450～500℃，進一步脫氣20min后，再傳送至生長室。若是GaAs，在襯底加熱器升溫到350℃時，提供10－4×1.33Pa砷壓保護表面，抑制GaAs中As逸出。在RHEED監(jiān)控下觀察GaAs的表面結(jié)構(gòu)。當(dāng)RHEED圖像衍射斑點突然變得十分清晰時，表面氧化膜已從襯底表面離解。（2）熱處理脫附：貼有襯底的Mo托放入進樣1023.材料表面除氣3.材料表面除氣1033.1材料表面吸附與脫附

3.1.1吸附吸附：氣體分子被吸引并附著到一個固體表面的過程。吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附兩大類。吸附產(chǎn)生的內(nèi)在原因：各種固體、液體中，分子（或原子）之間的內(nèi)聚力以及真實氣體分子之間的相互作用力。3.1.1.1物理吸附

當(dāng)作用力是范德瓦爾引力時為物理吸附

3.1材料表面吸附與脫附

3.1.1吸附吸附：氣體分子104（1）由于范德瓦爾力普遍存在于任何分子之間，且具有可加性，因此當(dāng)在固體表面上吸附了一層氣體分子之后，還可再吸附第二層、第三層，……，即可產(chǎn)生多層吸附。不過第一層與后幾層的吸附熱數(shù)值卻不相同。因為前者是吸附于不同種的固體表面上，而后者卻是吸附于同種分子之上。（2）物理吸附具有可逆性，即在吸附后如果氣體壓力降低，或溫度升高，氣體分子可以離開固體表面（即脫附）返回氣相。（3）一般可以認(rèn)為qp＜4.1868×104J.mol－1就是物理吸附，如He在玻璃上的吸附熱只有1.675×102J·mol－1。物理吸附特點（1）由于范德瓦爾力普遍存在于任何分子之間，且具有可加性，因105（4）在表面覆蓋度很小的清潔表面上，各種氣體的吸附熱qp都比其蒸發(fā)潛熱qV大。沸點愈高的氣體，吸附熱qp愈大，也就更易于被物理吸附。相反，沸點低的氣體難于被物理吸附，只有在足夠低的溫度下，Ne、H2、He等氣體才可能有明顯的物理吸附。（5）實際的吸附表面是復(fù)雜的、非均勻的多相表面，吸附情況十分復(fù)雜。即使是完整的理想晶體表面，因各個晶面的構(gòu)結(jié)不同，各晶面與吸附分子之間的作用力不同，相應(yīng)的吸附熱qp也不同。通常給出的qp值只是其平均值。對于有缺陷或斷紋的不完整表面，由于局部缺陷部分有較大的表面能，吸附分子受到一些額外的作用力（如極化力），其局部qp值可以很大，情況也很復(fù)雜。只有在溫度較高或覆蓋度較低的情況下才可以得到一個有效的qp值，該值一般比同樣氣體分子在均勻完整表面上的qp值約大兩倍。（4）在表面覆蓋度很小的清潔表面上，各種氣體的吸附熱qp都比106

（6）在實際表面上吸附分子有向缺陷、臺階、裂縫等遷移的傾向。因為在這些地方它可以與較多的表面原子“接觸”，能以較高的吸附能量吸附。吸附將首先發(fā)生在吸附熱較大的部位，然后再發(fā)生在qp較小的部位．吸附熱qp隨著表面覆蓋度的增加而逐漸變小，難于用單一數(shù)值的吸附熱來表征其吸附特性。（6）在實際表面上吸附分子有向缺陷、臺階、裂縫等遷移的傾向107

3.1.1.2化學(xué)吸附化學(xué)吸附由表面剩余價力引起，可視為松弛的化學(xué)反應(yīng)。因此只有在一定條件下，具有一定化學(xué)活性的分子（原子）才能與表面發(fā)生化學(xué)吸附。

參看圖3.1（b）

化學(xué)吸附需要分子予先有足夠的能量Ea才能發(fā)生。稱Ea為激活能如圖3.1（c）所示

被化學(xué)吸附的分子或原子要想脫離表面（稱脫附），必須具有能量Ed，Ed＝Ea＋qc稱為脫附能。放熱化學(xué)吸附：特點2Ed＞Eh

當(dāng)2Ed＜Eh時，則為吸熱化學(xué)吸附。

3.1.1.2化學(xué)吸附化學(xué)吸附由表面剩余價力引起，108化學(xué)吸附有如下特點：1．只能有單分子層吸附。2．在常溫下，很難或根本不可能發(fā)生逆效應(yīng)。3．惰性氣體不存在化學(xué)吸附。3.1.1.3吸附量

表面上吸附氣體的量，決定于單位時間碰撞表面的分子數(shù)及其在表面上停留的時間。若單位時間內(nèi)有一個分子碰撞到單位表面上，且它們的吸附時間（又稱平均停留時間）是τ，則單位表面上的吸附量σ（即表面上吸附分子的密度）為σ＝φτcm－2式中，φ正比于空間氣相分子密度n（或壓力p）；τ依氣體分子與團體表面相互作用性質(zhì)和條件的不同而有很大差別?；瘜W(xué)吸附有如下特點：3.1.1.3吸附量表面上吸附109附為物理吸附或非活性化學(xué)吸附時，其中Ea＝0。將上式與吸附速率的定義式相比較得

由上述各式可知，只有在Ea＝0，所有入射分子都完全被凝聚，且與表面覆蓋度θ無關(guān)，即c＝1、f(θ)＝1時，吸附幾率α才等于1，這時的吸附速率達最大，其值等于，否則α都小于1。αp＝cf（θ）

αc＝cf（θ）附為物理吸附或非活性化學(xué)吸附時，其中Ea＝0。將上式與吸附速1102．影響凝聚幾率的因素凝聚幾率αp的大小主要取決于碰撞分子在表面上散失能量的難易程度，而被吸附分子散失的動能又是由表面晶格的振動來吸附。因此，凝聚幾率除了與表面性質(zhì)、氣體種類有關(guān)外，還與表面溫度、氣體溫度、覆蓋度和碰撞頻度等有關(guān)。

凝聚幾率αp目前主要由實驗來測定。

表2.2一些氣體在玻璃表面上的凝聚幾率αp2．影響凝聚幾率的因素凝聚幾率αp的大小主要取111

表3.2一些氣體在玻璃表面上的凝聚幾率αp表3.2一些氣體在玻璃表面上的凝聚幾率αp112

由以上數(shù)據(jù)可得下列規(guī)律

（1）表面溫度愈低，凝聚幾率意大。這是由于表面溫度越低時，碰撞到表面的分子能量越易傳遞給表面之故。

（2）沸點越高的氣體，凝聚幾率越大。

（3）氣體溫度越低，凝聚幾率越大，可達1.0。這是由于低溫表面上可形成多分子層物理吸附，冷凍層的疏松表面上也可吸附同種氣體的緣故。說明利用低溫冷凍氣體的方法來獲得真空，是個行之有效的方法，并且可達到很高的抽速。由以上數(shù)據(jù)可得下列規(guī)律1133.1.2脫附

“脫附”是指吸附鍵破裂和吸附粒子由于健破裂而離開表面

脫附可以通過不同的方式來實現(xiàn)：熱脫附（TD）：系統(tǒng)的溫度足夠高，以至于有相當(dāng)大的一部分吸附絡(luò)合物由于其能量高于麥克斯威分布中的脫附能而可以離開表面

電子碰撞（或激發(fā)）脫附（EID），（ESD）：電子碰撞使粒子躍遷到吸附物的激發(fā)態(tài)或離子態(tài)。激發(fā)態(tài)或離子態(tài)的粒子在基態(tài)的平衡距離下，其勢能比自由粒子的勢能要高，所以離子或中性粒子可以脫附。3.1.2脫附“脫附”是指吸附鍵破裂和吸附粒子由114離子碰撞脫附（IID）

通過不同的途徑的離子或快速中性粒子對表面的碰撞可以使吸附物移開。

場致脫附（FD）：非常強的電場（1V／0.1nm的數(shù)量級）可以使離子吸附發(fā)生由基態(tài)到離子態(tài)的隧道效應(yīng)，使吸附物離子立即從表面離開，。在真空材料表面除氣中常用的方法是熱脫附（TD）和離子碰撞脫附（IID）離子碰撞脫附（IID）通過不同的途徑的離子或快速中性粒子對1153.2材料除氣的基本方法

3.2.1烘烤除氣

真空“烘烤”指在抽氣循環(huán)的某一階段中，將真空系統(tǒng)升溫，隨后又使之降到環(huán)境溫度的過程。烘烤的注意目的是使吸附的氣體從被加熱的表面上解吸，而且其解吸速率要遠遠大于在環(huán)境溫度下的解吸速率，對解吸出的氣體，用真空泵從系統(tǒng)中排除。

烘烤的作用是：能在規(guī)定的抽氣時間內(nèi)達到較低的壓力；或為達到規(guī)定的壓力，所用的總抽氣時間較短。烘烤的實質(zhì)：是使結(jié)合能較低的吸附氣體被有選擇地從研究的表面上除去，使得在真空氣氛中的被去氣的部位成為比較“干凈新鮮”的。3.2材料除氣的基本方法

3.2.1烘烤除氣1163.2.2電子轟擊除氣（EID＋體內(nèi)擴散）

3.2.2.1電子轟擊除氣特點利用熱絲或電極作為電子發(fā)射源，在其上相對于待除氣的表面加負偏壓，電子在位差為U的電場作用下，獲得動能打到被除氣的器件或表面上，電子可進入固體表面較深處，電子具有的大部分能量以熱能形式傳給固體，使吸附在表面上的原子從表面上釋放出來，同時電子轟擊將表面加熱，促使內(nèi)部原子向表面擴散并從表面解吸。表面電子轟擊除氣的電子能量一般在10keV以上。電子轟擊除氣與烘烤加熱除氣的機理本質(zhì)相同，二者的出氣速率最終都受材料體內(nèi)雜質(zhì)原子向表面擴散速率的限制。3.2.2電子轟擊除氣（EID＋體內(nèi)擴散）

3.117電子轟擊除氣與加熱除氣區(qū)別：加熱除氣對材料表面氧化膜的破壞很小，因為大多數(shù)金屬氧化物的化學(xué)穩(wěn)定性較好，一般不易熱離解。當(dāng)加熱除氣時氧化膜主要依靠從金屬體內(nèi)擴散出來的碳原子的還原作用來清除。由于碳原子的擴散系數(shù)很小，因而這種還原過程很慢。電子轟擊對氧化膜的破壞非常迅速。材料表面的氧化膜在電子轟擊下很快離解并清除，體內(nèi)的氧隨之向表面擴散補充。與加熱除氣相比，電子轟擊除氣的起始出氣速率很高，一般要比熱除氣大幾到十幾倍。除氣開始階段放出的含氧氣體占大多數(shù)，約占總出氣量的90~95%。當(dāng)被轟擊金屬的溫度超過400℃時，放出的氣體中H2的量增大到20~30%。電子轟擊除氣與加熱除氣區(qū)別：加熱除氣對材料表面氧化膜的破壞1183.2.2.2電子轟擊固體表面時的基本過程電子轟擊固體表面時會產(chǎn)生許多復(fù)雜的現(xiàn)象（見圖3）：（1）表面化合物離解：固體表面化合物，主要是氧化物，在電子轟擊下容易離解，因為它們的分解能閾較低

(2)分子的聚合：電子轟擊表面時，被激活和電離的分子及其“碎片”有可能來不及蒸發(fā)（特別是它們在表面的覆蓋度較大時），而彼此作用形成較大的聚合分子并牢固附著在固體表面上。當(dāng)轟擊的電子能量在250~300eV時，聚合物的形成速度最高。在此能量下，很小的電流密度（30~40μA/cm2）下便可觀察到聚合現(xiàn)象。3.2.2.2電子轟擊固體表面時的基本過程電子轟擊固體119圖3電子轟擊固體表面產(chǎn)生的物理現(xiàn)象圖3電子轟擊固體表面產(chǎn)生的物理現(xiàn)象120（3）二次電子發(fā)射：電子轟擊固體時會產(chǎn)生一定數(shù)量的二次電子，其產(chǎn)額決定于一次電子能量和固體的二次發(fā)射系數(shù)。(4)熱效應(yīng)：電子穿入固體后，通過與體內(nèi)的電子多次碰撞釋放出自身能量，使固體溫度上升。這種能量交換的效率隨轟擊電子速度的增加而增大，但是電子速度過大時，由于互作用時間短，交換效率反而下降。固體受電子轟擊時，最大發(fā)熱部位不在表面，而在體內(nèi)某一深度處。另外，電子能量轉(zhuǎn)換成熱的效率隨固體元素原子序數(shù)的增大而減小。對Fe、Mo、W、Ta等金屬約為60~90%。二次電子發(fā)射現(xiàn)象對電真空器件（特別是高電壓器件）中的絕緣材料有害。

（3）二次電子發(fā)射：電子轟擊固體時會產(chǎn)生一定數(shù)量的二次電子121（5）固體原子的蒸發(fā)

：轟擊入射的電子能夠傳遞給固體原子的動能ΔE可近似表達為

ΔE≈4Eme

/m式中，E—電子能量；me、m—電子和原子的質(zhì)量。受到工作溫度和蒸氣壓的限制，僅適用于使用溫度在150℃以下的一般真空系統(tǒng)，不宜在需要烘烤的超高真空和潔凈真空場合下應(yīng)用。（5）固體原子的蒸發(fā)：轟擊入射的電子能夠傳遞給固體原子的122

被外來電子激