第1講 真空科學(xué)的發(fā)展及應(yīng)用

1、一、真空科學(xué)發(fā)展的歷史回顧一、真空科學(xué)發(fā)展的歷史回顧人們或許是受翻譯國外書刊的影響，通常在回顧真空科學(xué)發(fā)展史時，常常誤認(rèn)為1643年托里析利的壓力實驗和1650年葛利克發(fā)明抽氣機是對真空這一現(xiàn)象的最早發(fā)現(xiàn)，其實早在公元前六世紀(jì)我國在冶鐵技術(shù)中即采用了風(fēng)箱鼓風(fēng)法，那時稱風(fēng)箱為“鞲鞴”。戰(zhàn)國時期“老子道德經(jīng)”一書說“鞲鞴”是虜而不屈、動而愈出”，這是利用真空吸氣原理的有記載的描述。而歐州到十六世紀(jì)才發(fā)明這種設(shè)備。中國晉朝煉丹家和醫(yī)生葛洪(公

2、元218～3l6年)在“肘后備急方”中所介紹的利用氣體的熱脹冷縮、創(chuàng)造的“拔火罐”醫(yī)療法、正是真空技術(shù)在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的具體例證。因為發(fā)生在火罐里的現(xiàn)象正是一個獲得真空和應(yīng)用真空的完好過程。這種獲得真空的方法比托里析利用水銀趕走玻璃管中的大氣而獲得的真空方法還要高明。因為在罐內(nèi)燃紙加熱大氣、不但能趕走罐內(nèi)的部分大氣，而且還可以把罐中的氧氣燒掉、這至少可以使罐中產(chǎn)生五分之四個大氣壓力的真空。即相當(dāng)于在罐中獲得6104Pa的低壓。至于葛利克的抽

3、氣機與我國古代所采用的風(fēng)箱抽氣比較，在抽氣原理上是相同的。不過在我國“天工開物”一書中記載的利用“風(fēng)箱鼓風(fēng)煉鐵”要比葛利克抽出他的“金屬半球”中的氣體，在時間上至少早幾百年，因此在我們回顧真空科學(xué)發(fā)展歷程時，是不應(yīng)當(dāng)忘記我們的祖先、對人類在早期發(fā)展真空技術(shù)所做出的貢獻。二、真空及其應(yīng)用二、真空及其應(yīng)用1、真空的含義及特點、真空的含義及特點在真空科學(xué)中，真空的含義是指在給定的空間內(nèi)低于一個大氣壓力的氣體狀態(tài)。人們通常把這種稀薄的氣體狀態(tài)稱

4、為真空狀況。這種特定的真空狀態(tài)與人類賴以生存的大氣在狀態(tài)相比較，主要有如下幾個基本特點：（1）真空狀態(tài)下的氣體壓力低于一個大氣壓，因此，處于地球表面上的各種真空容器中，必將受到大氣壓力的作用，其壓強差的大小由容器內(nèi)外的壓差值而定。由于作用在地球表面上的一個大氣壓約為10135Nm2，因此當(dāng)容器內(nèi)壓力很小時，則容器所承受的大氣壓力可達到一個大氣壓。不同壓強下單位面積上的作用力，如表1所示。表1不同壓力下單位面積上的作用力不同壓力下單位面積

5、上的作用力壓力(Pa)作用力(kgcm2)壓力(Pa)作用力(kgcm2)10510332851036.7975510251046.7975510111031.3595110231044.0785310151026.7975510311041.3595110111021.35951103（2）真空狀態(tài)下由于氣體稀薄，單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)，即氣體的分子密度小于大氣壓力的氣體分子密度。因此，分子之間、分子與其他質(zhì)點（如電子、離子等）之間以

6、及分子與各種表面（如器壁）之間相互碰撞次數(shù)相對減少，2、不同真空狀態(tài)下的真空工藝技術(shù)、不同真空狀態(tài)下的真空工藝技術(shù)隨著氣態(tài)空間中氣體分子密度的減小，氣體的物理性質(zhì)發(fā)生了明顯的變化，人們就是基于氣體性質(zhì)的這一變化，在不同的真空狀態(tài)下、應(yīng)用各種不同的真空工藝、達到為生產(chǎn)及科學(xué)研究服務(wù)的目的。目前，可以說，從每平方厘米表面上有上百個電子元件的超大規(guī)模集成電路的制造，到幾公里長的大型加速器的運轉(zhuǎn)，從民用裝飾品的生產(chǎn)到受控核聚變、人造衛(wèi)星、航天飛

7、機的問世，都與真空工藝技術(shù)密切相關(guān)。不同真空狀態(tài)下所引發(fā)出來的各種真空工藝技術(shù)的應(yīng)用概況如表4所示。表4不同真空狀態(tài)下各種真空工藝技術(shù)的應(yīng)用概況不同真空狀態(tài)下各種真空工藝技術(shù)的應(yīng)用概況真空狀態(tài)氣體性質(zhì)應(yīng)用原理應(yīng)用概況粗真空105~103（Pa）760~10（Tr）氣體狀態(tài)與常壓相比較只有分子數(shù)目由多變少的變化，而無氣體分子空間特性的變化分子相互間碰撞頻繁利用真空與大氣的壓力差產(chǎn)生的力及感差力均勻的原理實現(xiàn)真空的力學(xué)應(yīng)用1.真空吸引和輸運

8、固體、液體、膠體和微粒；2.真空吸盤起重、真空醫(yī)療器械；3.真空成型，復(fù)制浮雕；4.真空過濾；5.真空浸漬。低真空103~101（Pa）10~103（Tr）氣體分子間，分子與器壁間的相互碰撞不相上下，氣體分子密度較小利用氣體分子密度降低可實現(xiàn)無氧化加熱利用氣壓降低時氣體的熱傳導(dǎo)及對流逐漸消失的原理實現(xiàn)真空隔熱和絕緣利用壓強降低液體沸點也降低的原理實現(xiàn)真空冷凍真空干燥1.黑色金屬的真空熔煉，脫氣、澆鑄和熱處理2.真空熱軋、真空表面滲鉻；3

9、.真空絕緣和真空隔熱；4.真空蒸餾藥物、油類及高分子化合物；5.真空冷凍、真空干燥；6.真空包裝、真空充氣包裝；7.高速空氣動力學(xué)實驗中的低壓風(fēng)洞高真空101~106（Pa）103~108（分子間相互碰撞極少、分子與器壁間碰撞頻繁氣體分子密度利用氣體分子密度小任何物質(zhì)與殘余氣體分子的化學(xué)作用徽弱的特點進行真空冶金、真空鍍膜及1.稀有金屬、超純金屬和合金、半導(dǎo)體材料的真空熔煉和精制；常用結(jié)構(gòu)材料的真空還原冶金；2.純金屬的真空蒸餾精練；放