現(xiàn)代表面工程

5.1概述1、薄膜簡介2、真空3、鍍膜技術(shù)一、薄膜簡介二、真空引言

“真空”這一術(shù)語譯自拉丁文Vacuo，其意義是虛無。其實真空應(yīng)理解為氣體較稀薄的空間。在指定的空間內(nèi)，低于一個大氣壓力的氣體狀態(tài)統(tǒng)稱為真空。真空狀態(tài)下氣體稀薄程度稱為真空度，通常用壓力值表示。真空技術(shù)是基本實驗技術(shù)之一。自從1643年托里拆利(E.Torricelli)做了著名的有關(guān)大氣壓力實驗，發(fā)現(xiàn)了真空現(xiàn)象以后，真空技術(shù)迅速發(fā)展?，F(xiàn)在，真空技術(shù)已經(jīng)成為一門獨立的前言學(xué)科。它的基本內(nèi)容包括：真空物理、真空的獲得、真空的測量和檢漏、真空系統(tǒng)的設(shè)計和計算等。隨著表面科學(xué)、空間科學(xué)高能粒子加速器、微電子學(xué)、薄膜技術(shù)、冶金工業(yè)以及材料學(xué)等尖端科技的發(fā)展，真空技術(shù)在近代尖端科學(xué)技術(shù)中的地位越來越重要。

真空：低于一個大氣壓的氣體狀態(tài)。

1643年，意大利物理學(xué)家托里拆利(E.Torricelli)

首創(chuàng)著名的大氣壓實驗，獲得真空。自然真空：氣壓隨海拔高度增加而減小，存在于宇宙空間。人為真空：用真空泵抽掉容器中的氣體。（1）真空的基本特點

在真空中，氣體分子密度低，在某些情況下，真空可以近似地看作沒有氣體“污染”的空間。真空中，氣體分子或帶電粒子的平均自由程為：

其中為分子直徑，p為壓強，T為氣體溫度，k為玻耳茲曼常數(shù)。例如室溫下氮分子的平均自由程在壓強為時將長于50km。電子和離子在氣體中的平均自由程分別時氣體分子平均自由程的5.66和1.41倍。因此除非在宇宙空間，幾乎所有地面上體積有限的超真空系統(tǒng)中，氣體分子之間或氣體分子與帶電粒子之間的碰撞都可以近似忽略。由于上述原因，真空中分子之間碰撞頻率很低，分子與固體表面碰撞的頻率極低。單位面積上氣體分子碰撞頻率ν與壓強p的關(guān)系為：

式中M和T分別為氣體分子的分子量（單位：g）和溫度（單位：K）。在普通高真空，例如時，對于室溫下的氮氣，，如果每次碰撞均被表面吸附，按每平方厘米單分子層可吸附個分子計算，一個“干凈”的表面只要一秒多鐘就被覆蓋滿了一個單分子層的氣體分子：而在超高真空或時，由同樣的估計可知“干凈”表面吸附單分子層的時間將達幾小時到幾十小時之久。因此超高真空可以提供一個“原子清潔”的固體表面，可有足夠的時間對表面進行實驗研究。這是一項重大的技術(shù)突破，它導(dǎo)致了近二十年來新興不明科學(xué)研究的蓬勃發(fā)展。無論在表面結(jié)構(gòu)、表面組分及表面能態(tài)等基本研究方面，還是在催化‘腐蝕等應(yīng)用研究方面都取得長足的發(fā)展。超高真空的這一特點還為得到超純的或精確摻雜的鍍膜或分子束外延生長晶體創(chuàng)造了必要的條件，這促進了半導(dǎo)體器件、大規(guī)模集成電路和超導(dǎo)材料等的發(fā)展，也為在實驗室中制備各種純凈樣品（如電子轟擊鍍膜、等離子鍍膜、真空剖裂等）提供了良好的基本技術(shù)。真空的特點總結(jié)1.排除了空氣的不良影響，防止氧化、物體腐爛；減少雜質(zhì)，提供了清潔的環(huán)境；減少了氣體分子之間的碰撞次數(shù)；增強了絕熱性；可以降低物質(zhì)的沸點或汽化溫度。（2）真空度的單位與區(qū)域劃分

真空狀態(tài)下氣體稀薄程度稱為真空度，通常用壓力值表示。1958年，第一界國際技術(shù)會議曾建議采用“托”(Torr)作為測量真空度的單位。國際單位制(SI)中規(guī)定壓力的單位為帕(Pa)。我國采用SI規(guī)定。1標準大氣壓(1atm)≈1.013×105Pa(帕)1Torr≈1/760atm≈1mmHg1Torr≈133Pa

我國真空區(qū)域劃分為：粗真空、低真空、高真空、超高真空和極高真空。

粗真空低真空

高真空超高真空極高真空（3）.真空獲得—真空泵1654年，德國物理學(xué)家葛利克發(fā)明了抽氣泵，做了著名的馬德堡半球試驗。

原理：當泵工作后，形成壓差，p1>p2，實現(xiàn)了抽氣。真空泵的分類氣體傳輸泵:

是一種能將氣體不斷地吸入并排出泵外以達到抽氣目的的真空泵，例如旋片機械泵、油擴散泵、渦輪分子泵。氣體捕集泵:

是一種使氣體分子短期或永久吸附、凝結(jié)在泵內(nèi)表面的真空泵，例如分子篩吸附泵、鈦升華泵、濺射離子泵、低溫泵和吸氣劑泵。真空泵的主要參數(shù)抽氣速率:定義為在泵的進氣口任意給定壓強下，單位時間內(nèi)流入泵內(nèi)的氣體體積

或表示為：其中，Q為單位時間內(nèi)流入泵的氣體量。泵的抽氣速率S并不是常數(shù)，隨P而變。極限壓強

(極限真空)最高工作壓強工作壓強范圍（）泵能正常工作的壓強范圍幾種常用真空泵的工作壓強范圍旋片機械泵吸附泵擴散泵渦輪分子泵濺射離子泵低溫泵

幾種常用真空泵的工作原理

1.旋片機械泵工作過程是：

吸氣—壓縮—排氣。定子浸在油中起潤滑，密封和堵塞縫隙的作用。主要參量是：

抽速和極限壓強。由于極限壓強較高，

常用做前級泵(預(yù)抽泵)。旋片式機械泵2.油擴散泵是：油蒸發(fā)—噴射—凝結(jié)，重復(fù)循環(huán)由于射流具有工作過程高流速(約200米/秒)、高密度、高分子量(300—500)，故能有效地帶走氣體分子。擴散泵不能單獨使用，一般采用機械泵為前級泵，以滿足出口壓強(最大40Pa)，如果出口壓強高于規(guī)定值，抽氣作用就會停止。水冷套；2.噴油嘴；3.導(dǎo)流管；4.泵殼；5.加熱器3.渦輪分子泵工作過程是：高速旋轉(zhuǎn)葉片(30000轉(zhuǎn)/分)—對氣體分子施以定向動量—壓縮—排氣。優(yōu)點：無油，潔凈，啟動快，制動快，可忍受大氣沖擊。缺點：由于高速旋轉(zhuǎn)，不能在磁場中使用，否則會產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致葉輪發(fā)熱、變形等嚴重后果，對氫氣等輕質(zhì)氣體抽速較小，

價格昂貴。1.動葉輪；2.泵殼；3.渦輪排；4.中頻電動機；5.底座；6.出氣口法蘭；7.潤滑油池；8.靜葉輪；9.電機冷卻水管.

（4）真空測量方法

測量低于大氣壓的氣體壓強的工具稱為真空計。真空計可以直接測量氣體的壓強，也可以通過與壓強有關(guān)的物理量來間接地測量壓強。前者稱為絕對真空計，后者稱為相對真空計。按照真空計的不同原理與結(jié)構(gòu)可以分為：靜態(tài)變形真空計、壓縮式真空計、熱傳導(dǎo)真空計、電離真空計、氣體放電真空計、輻射真空計等。

1.絕對真空計

直接測量真空度的量具，如U型計、壓縮真空計(麥克勞真空計)。

壓縮型真空計測量范圍：103

～10-3PaU型計測量范圍：105

～10Pa2.相對真空計2.1熱偶真空計(熱傳導(dǎo)真空計)

測量范圍：100—10-1Pa

測量下限：熱絲溫度較高，氣體分子熱傳導(dǎo)很小，熱絲引線本身的熱傳導(dǎo)和熱輻射引起的熱量減小占主導(dǎo)地位，這兩部分與壓強無關(guān)。熱電偶規(guī)管及其電路原理直接測量與壓強有關(guān)的物理量，再與絕對真空計相比較進行標定的真空計。熱陰極電離真空計原理：電子與氣體分子碰撞引起分子電離，形成電子和正離，電子最終被加速極收集，正離子被收集極接收形成離子流：

I+=kIep=cp

其中，k稱為電離計的靈敏度，是單位電子電流、單位壓強下的離子流。測量范圍：1.33×10-1

～1.33×10-5Pa測量下限：高速電子打到加速極G→G產(chǎn)生軟x射線→軟x射線射向收集極c→收集極c產(chǎn)生光電發(fā)射→產(chǎn)生電子流Ix→Ix與I+方向相反，與壓強無關(guān)。

電離計線路圖電離規(guī)管理論解釋：當p較高時，kx/p<<k，此時當p很低時，kx/p>>k，此時與壓強無關(guān)B—A真空計(超高真空熱陰極電離計)

50年代初，Bayard

和Alpert經(jīng)過改進電離規(guī)，減小光電流，減小受照面積，制成B-A規(guī)，收集極面積減小了100—1000倍，測量下限也降低100—1000倍。Ф0.2mm的鎢絲測量下限可達10-8~10-9paФ4μm

的鎢絲測量下限可達10-10paB-A真空規(guī)管離子收集極；2.加速極（柵極）3.陰極燈絲；4.外殼十九世紀初，利用低真空產(chǎn)生壓力差的原理發(fā)明了真空提升、真空輸送、吸塵、過濾、成形等技術(shù)。1879年愛迪生發(fā)明白熾燈，抽出燈泡中化學(xué)成份活潑的氣體(氧、水蒸汽等)，防止燈絲在高溫下氧化．同年，克魯克斯發(fā)明陰極射線管，第一次利用真空下氣體分子平均自由程增大的物理特性．后來，在電子管、電視管、加速器、電子顯微鏡、鍍膜、蒸餾等方面也都應(yīng)用了這一特性．1893年發(fā)明杜瓦瓶，這是真空絕熱的首次應(yīng)用．

（6）真空技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

真空技術(shù)在二十世紀得到迅速發(fā)展，并有廣泛的應(yīng)用。二十世紀初，在真空獲得和測量的設(shè)備方面取得進展，如旋轉(zhuǎn)式機械泵，皮氏真空計，擴散泵，熱陰極電離真空計的發(fā)明，為工業(yè)上應(yīng)用高真空技術(shù)創(chuàng)造了條件．接著，油擴散泵，冷陰極電離真空計的出現(xiàn)使高真空的獲得及測量取得一大進展．五十年代，真空技術(shù)進入超高真空時代，發(fā)明了B-A規(guī)，離子泵，渦輪分子泵．近二十年來，高能加速器，受控熱核反應(yīng)裝置、空間技術(shù)，表面物理，超導(dǎo)技術(shù)筍，對真空技術(shù)提出了更新，更高的要求，使真空技術(shù)在超高真空甚至極高真空方面迅速發(fā)展．

1.低真空的獲得獲得低真空常采用機械泵，機械泵是運用機械方法不斷地改變泵內(nèi)吸氣空腔的體積，使被抽容器內(nèi)氣體的體積不斷膨脹，從而獲得真空的裝置。它可以直接在大氣壓下開始工作，極限真空度一般為1.33~1.33×10-2Pa，抽氣速率與轉(zhuǎn)速及空腔體積V的大小有關(guān)，一般在每秒幾升到每秒幾十升之間。

旋片式機械泵通常由轉(zhuǎn)子、定子、旋片等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。偏心轉(zhuǎn)子置于定子的圓柱形空腔內(nèi)切位置上，空腔上連接進氣管和出氣閥門。轉(zhuǎn)子中鑲有兩塊旋片，旋片間用彈簧連接，使旋片緊壓在定子空腔的內(nèi)壁上。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動是由馬達帶動的，定子置于油箱中，油起到密切、潤滑與冷卻的作用。當轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動時，空氣由被抽容器通過進氣管被吸入，旋片隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動使與進氣管相連的區(qū)域不斷擴大，而氣體就不斷地被吸入。當轉(zhuǎn)子達到一定位置時，另一旋片把被吸入氣體的區(qū)域與被抽容器隔開，并將氣體壓縮，直到壓強增大到可以頂開出氣口的活塞閥門而被排出泵外，轉(zhuǎn)子的不斷轉(zhuǎn)動使氣體不斷地從被抽容器中抽出。（1）高真空的獲得

目前，廣泛使用的獲得高真空的泵就是擴散泵。擴散泵是利用氣體擴散現(xiàn)象來抽氣的，它不能直接在大氣壓下工作，而需要一定的預(yù)備真空度（1.33~0.133Pa）。油擴散泵的極限真空度主要取決于油蒸汽壓和氣體分子的反擴散，一般能達到1.33×10-5~1.33×10-7Pa。抽氣速率與結(jié)構(gòu)有關(guān)，每秒幾升~幾百升不等。油擴散泵的結(jié)構(gòu)如示意圖

泵的底部—是裝有真空泵油的蒸發(fā)器，真空泵油經(jīng)電爐加熱沸騰后，產(chǎn)生一定的油蒸汽，蒸汽沿著蒸汽導(dǎo)流管傳輸?shù)缴喜浚?jīng)由三級傘形噴口向下噴出。噴口外面的壓強較油蒸汽壓低，于是便形成一股向出口方向運動的高速蒸汽流，使之具有很好的運載氣體分子的能力。油分子與氣體分子碰撞，由于油分子的分子量大，碰撞的結(jié)果是油分子把動量交給氣體分子自己慢下來，而氣體分子獲得向下運動的動量后便迅速往下飛去．并且，在射流的界面內(nèi)，氣體分子不可能長期滯留，因而界面內(nèi)氣體分子濃度較?。捎谶@個濃度差，使被抽氣體分得以源源不斷地擴散進入蒸汽流而被逐級帶至出口，并被前級泵抽走．慢下來的蒸汽流在向下運動的過程中碰到水冷的泵壁，油分子就被冷凝下來，沿著泵壁流回蒸發(fā)器繼續(xù)循環(huán)使用．冷阱的作用是減少油蒸汽分子進入被抽容器。（2）真空度的測量真空度的測量可通過雙熱偶程控復(fù)合真空計來進行。熱偶計數(shù)顯窗口顯示的是儲氣桶處的壓強，而復(fù)合真空計數(shù)顯窗口顯示的是鍍膜室內(nèi)的壓強。復(fù)合真空計由熱電偶真空計和電離真空計組成，并且由熱偶計控制電離計的啟動。其面板如圖所示：①熱偶真空計是用在低氣壓下氣體的熱導(dǎo)率與氣體壓強間有依賴關(guān)系制成的。它通常用來測量低真空，可測范圍為13.33~0.1333Pa。其中有一根細金屬絲（鉑絲或鎢絲）以恒定功率加熱，則絲的溫度取決于輸入功率與散熱的平衡關(guān)系，而散熱取決于氣體的熱導(dǎo)率。管內(nèi)壓強越低，即氣體分子越稀薄，氣體碰撞燈絲帶走的熱量就越少，則絲溫越高，從而熱偶絲產(chǎn)生的電動勢越大。經(jīng)過校準定標后，就可以通過測量熱偶絲的電動勢來指示真空度了。

②電離真空計是根據(jù)氣體分子與電子相互碰撞產(chǎn)生電離的原理制成的。它用來測量高真空度，可測范圍為0.133~1.33×10-6Pa。實驗表明，在壓強P≤10-1Pa時，有下列關(guān)系成立I+/Ie=K

P

其中Ie為柵極電流，P為氣體壓強，I+為燈絲發(fā)出電子與氣體分子碰撞后使氣體分子電離產(chǎn)生正離子而被板極收集形成的離子電流。K為比例常數(shù)?？梢姡琁e不變，經(jīng)過用絕對真空計進行校準，I+的值就可以指示真空度了。注意，只有在真空度達到10-1Pa以上時，才可以打開電離規(guī)管燈絲。否則，將造成規(guī)管損壞。三、鍍膜技術(shù)真空鍍膜一些光學(xué)零件的光學(xué)表面需要用物理方法或化學(xué)方法鍍上一層或多層薄膜，使得光線經(jīng)過該表面的反射光特性或透射光持性發(fā)生變化，許多機械加工所采用的刀具表面也需要沉積一層致密的、結(jié)合牢固的超硬鍍層而使其得以硬化，延長其使用壽命，改善被加工部件的精度和光潔度。氣相沉積技術(shù)

氣相沉積技術(shù)就是通過氣相材料或使材料氣化后，沉積于固體材料或制品（基片）表面并形成薄膜，從而使基片獲得特殊表面性能的一種新技術(shù)。薄膜的制備方法可分為：液相法和氣相法氣相發(fā)主要是沉積技術(shù)薄膜的制備方法氣相沉積技術(shù)分為：物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積。物理氣相沉