第二部分第五章真空技術(shù)

5.1概述真空：低于大氣壓力的氣體狀態(tài)。單位：Pa低真空：10-1-103Pa；高真空：10-6-10-1Pa；超高真空：低于10-6Pa。真空技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)展了一系列的冶金新工藝，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)，出現(xiàn)了大量真空冶金物理化學(xué)問題待冶金工作者去研究。在現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)中也需要真空技術(shù)的配合。1第一頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一真空在冶金中的應(yīng)用：1）過濾；2）保存易腐物質(zhì)；3）熔點(diǎn)、沸點(diǎn)下降，有利于干燥、提純、分離；4）傳熱速度下降，有利于隔熱；5）電絕緣性良好；6）分子碰撞機(jī)會(huì)少，可制作加速器；7）固體對(duì)氣體吸附少，有利于物料的表面分析。2第二頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一5.2真空獲得抽真空：獲得真空的過程，也叫排氣。5.2.1真空泵簡(jiǎn)介真空泵：獲得真空的設(shè)備。

前級(jí)泵：能使氣壓從一大氣壓開始變小的真空泵；出口壓力1atm

次級(jí)泵：只能從較低的氣壓抽到更低的氣壓的真空泵；出口壓力<1atm

極限真空度：真空系統(tǒng)在排氣足夠長(zhǎng)的時(shí)間后所能達(dá)到的真空度。抽速：規(guī)定氣壓下單位時(shí)間抽出的氣體體積。3第三頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一獲得真空的基本方法：1、利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)排走氣體；如活塞運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)等。2、利用高速蒸氣流排走氣體；3、利用吸附使氣體由氣相變?yōu)楣滔?；如分子篩吸附泵、低溫吸附泵4、利用低溫冷凝氣體；利用液態(tài)氮，可得到溫度為4k的極冷表面，而液氨可得到20k的低溫表面。氣體如O2、CO、H2O等打到此表面上后立即失去熱量并立即凝固，分子不斷打到冷表面，空間分子密度不斷下降。4第四頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一真空泵按工作特點(diǎn)可分為兩類：1、傳輸泵：把氣體直接或間接傳輸?shù)酱髿庵?，又分容量泵和?dòng)量泵。容量泵：往復(fù)式、滑閥式、旋轉(zhuǎn)式。動(dòng)量泵：分子泵、噴射泵。2、捕集泵：將氣體暫時(shí)或永久貯存在泵中，不排到大氣。如吸附泵、升華泵、低溫泵。5第五頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一真空泵簡(jiǎn)介：1、往復(fù)式真空泵可獲得粗真空；103Pa2、水蒸氣噴射真空泵10-1Pa3、滑閥式真空機(jī)械泵7×10-2Pa4、油真空增壓泵實(shí)際上是一種噴射泵10-25、機(jī)械增壓泵10-2Pa6、渦輪式分子真空泵10-6Pa7、復(fù)合式鈦離子真空泵10-7Pa8、分子篩吸附泵10-2Pa9、濺射離子泵10-6Pa10、低溫泵液氨致冷10-8Pa

液氮致冷10-11Pa6第六頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一機(jī)械泵：利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)造成吸氣和排氣獲得真空機(jī)械泵結(jié)構(gòu)圖7第七頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一5.2.2旋片式真空泵1）結(jié)構(gòu)旋片式機(jī)械泵主要由進(jìn)氣口、定子、轉(zhuǎn)子、翼片、排氣閥等組成。如圖！1排氣管，2進(jìn)氣管，3外殼，4排氣閥5真空泵油，6定子，7轉(zhuǎn)子8翼片，9彈簧8第八頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一2）工作原理9第九頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一

有害空間的存在影響泵的極限真空度；抽可凝性氣體時(shí)需裝氣鎮(zhèn)閥。

10第十頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一3）注意事項(xiàng)（1）機(jī)械泵裝機(jī)位置要便于觀察、清洗、換油；（2）停止工作時(shí)應(yīng)向泵中放入干燥空氣；（3）不能反轉(zhuǎn)；（4）不能有硬物落入泵中；（5）不能混入易蒸發(fā)的雜質(zhì)；（6）定期清洗泵體和更換泵油。11第十一頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一5.2.3擴(kuò)散泵結(jié)構(gòu)：加熱部分、噴射部分和冷卻部分。有幾級(jí)噴嘴就稱幾級(jí)泵。1進(jìn)氣口,2冷阱,3水冷壁,4噴嘴,5油蒸氣導(dǎo)管,6排氣口,7泵油,8漏油導(dǎo)管,9加熱電爐.12第十二頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一13第十三頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一擴(kuò)散泵只能作為次級(jí)泵使用！存在兩個(gè)反擴(kuò)散：1）泵底部和上部被抽氣體的密度差形成的反擴(kuò)散；2）油分子與被抽氣體分子碰撞，改變方向進(jìn)入被抽系統(tǒng)。改進(jìn)措施：改善噴嘴設(shè)計(jì)、提高擴(kuò)散泵油質(zhì)量、加裝冷阱。14第十四頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一使用擴(kuò)散泵注意事項(xiàng)。抽到預(yù)備真空才能開始工作。裝配前須清洗并裝入足夠工作液體。未通冷卻水，不得加熱擴(kuò)散泵。開關(guān)機(jī)順序：（開前級(jí)泵→開冷卻水→加熱擴(kuò)散泵）→（停止加熱→冷卻后停冷卻水→停前級(jí)泵）油擴(kuò)散泵極限真空度可達(dá)10-5Pa。超高真空可達(dá)5×10-8Pa。15第十五頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一其他類型的真空泵水環(huán)式真空泵羅茨式真空泵16第十六頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一17第十七頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一課堂作業(yè)1、27℃下，1升容器中，當(dāng)壓強(qiáng)為1Pa時(shí)，容器中有多少氣體分子？2、什么叫真空？3、影響機(jī)械泵極限真空度的因素有哪些？4、影響擴(kuò)散泵極限真空度的因素有哪些？PV=nRT1mol=>6.02×102318第十八頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一5.3真空的測(cè)量測(cè)量真空的儀器叫真空計(jì)，也稱真空規(guī)。1、直接測(cè)量壓力的麥克勞真空計(jì)，是一種絕對(duì)真空計(jì)，工作原理是氣體方程，可用來校正其它真空計(jì)。絕對(duì)真空計(jì)測(cè)量時(shí)操作復(fù)雜，不能連續(xù)讀數(shù)，測(cè)試工作緩慢。2、利用與壓強(qiáng)有關(guān)的物理量的變化來間接測(cè)量真空的相對(duì)真空計(jì)，這一類真空計(jì)能連續(xù)快速測(cè)量，但準(zhǔn)確度較低。這類儀器能做到數(shù)量級(jí)準(zhǔn)確就可以了。常用的相對(duì)真空計(jì)有熱電阻真空計(jì)、熱偶真空計(jì)、熱陰極電離真空計(jì)等。19第十九頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一兩種測(cè)量方式的比較：

汞柱：105~102Pa液柱油柱：104~1Pa直接測(cè)量麥?zhǔn)弦?guī)：105~10-3彈性元件：105~104Pa電容：10-1~10-3熱導(dǎo)式電阻：102~10-1間接測(cè)量電偶：10-4~10-1電離式10-1~10-6其它10-6以上20第二十頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一5.3.1熱電阻真空計(jì)1）構(gòu)造：如圖所示

21第二十一頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一2）工作原理： 當(dāng)氣體壓強(qiáng)較高時(shí)，氣體導(dǎo)熱系數(shù)與壓強(qiáng)無關(guān)，當(dāng)氣體壓強(qiáng)較低時(shí)，氣體導(dǎo)熱系數(shù)與壓強(qiáng)有關(guān)。熱電阻真空計(jì)通過測(cè)量與溫度有關(guān)的物理量(電阻)的變化來測(cè)量真空。r1:具有高的溫度系數(shù)；r2:具有低的溫度系數(shù)；r3=r4，固定電阻。隨抽真空的進(jìn)行，壓強(qiáng)降到足夠低時(shí)，因氣體濃度降低，與熱絲碰撞的氣體分子減少，氣體分子帶走的熱量減少，但加熱電流不變，故熱絲的溫度隨真空度的上升而上升,電阻發(fā)生變化。電阻~真空度關(guān)系曲線。測(cè)量范圍：102~10-1Pa，高、低真空不能測(cè)。用補(bǔ)償管代替r2減少室溫的影響。22第二十二頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一23第二十三頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一5.3.2熱偶真空計(jì)熱偶真空計(jì)的原理與熱電阻真空計(jì)類似，只是熱偶真空計(jì)測(cè)量的是溫度的變化，如圖5-8。24第二十四頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一測(cè)量端實(shí)際上是一個(gè)熱電偶，測(cè)量熱絲溫度的變化。測(cè)量時(shí)維持熱絲加熱電流不變，當(dāng)熱絲處在真空中時(shí)，隨真空度上升，熱絲溫度上升，熱電偶的輸出電勢(shì)增大，熱電勢(shì)的大小間接的反映了真空度的高低。熱偶與熱電阻兩種真空計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：能連續(xù)讀數(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，可遠(yuǎn)距離測(cè)量。系統(tǒng)突然漏氣時(shí)真空計(jì)不會(huì)損壞。

缺點(diǎn)：讀數(shù)與氣體種類有關(guān)，刻度曲線不能通用；有熱慣性；外界溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響；熱絲表面情況對(duì)測(cè)量也有影響。25第二十五頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一5.3.3熱陰極電離真空計(jì)

26第二十六頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一1）工作原理：電子通過稀薄氣體時(shí)可使氣體電離，在一定溫度下，氣壓低于10-1Pa時(shí)，電離產(chǎn)生的正離子電流與電子電流的比值正比于氣體壓強(qiáng)：P∝I+/I-I+：正離子電流，I-：電子電流如果定義壓強(qiáng)為102Pa，電子電流為1mA時(shí)的離子電流K為電離真空計(jì)的靈敏度，則可得：P∝I+/KI-=I+/C（I-保持恒定時(shí)）C稱為電離真空計(jì)的常數(shù)，取決于真空計(jì)的結(jié)構(gòu)、連接線路、電子電流的大小以及兩極的電位，也取決于殘余氣體的種類。27第二十七頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一2）電離真空計(jì)的刻度和測(cè)量范圍電離真空計(jì)的刻度也是與絕對(duì)真空計(jì)相比較而得出的，除高壓段和低壓段外，在10-1~10-6Pa之間，其刻度曲線是一條很好的直線，因而熱陰極真空計(jì)的測(cè)量范圍在10-1~10-6Pa。不同氣體的刻度曲線是不一樣的。通常，熱陰極電離真空計(jì)的刻度曲線是對(duì)空氣作出的。如圖:28第二十八頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一3）優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：可連續(xù)讀數(shù)、可遠(yuǎn)距離測(cè)量、體積小、慣性?。豢捎糜谥谱鞒哒婵沼?jì)；缺點(diǎn)：易損壞、正離子吸附可影響測(cè)量、玻璃與電極間的放氣影響測(cè)量。29第二十九頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一復(fù)合真空計(jì)30第三十頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一5.4真空系統(tǒng)5.4.1真空材料金屬管道1）結(jié)構(gòu)材料玻璃管道橡膠管道2）密封材料：真空封油、真空封蠟、真空封泥、真空漆、環(huán)氧樹脂。當(dāng)然，以上介紹的密封材料都是半永久性的。永久性：焊接靜密封：半永久性：封蠟、膠密封可拆性：法蘭、螺紋、磨口動(dòng)密封：活塞、密封圈31第三十一頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期一5.4.2常用附件真空活塞：有金屬的，也有玻璃的；連接與開關(guān)真空閥門：同活塞冷阱：可使某些氣體在冷阱中被捕捉從而進(jìn)一步提高真空度或?qū)δ承怏w進(jìn)行分離。5.4.3真