現(xiàn)代表面工程

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

“真空”這一術(shù)語(yǔ)譯自拉丁文Vacuo，其意義是虛無(wú)。其實(shí)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，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(dú)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(cè)量和檢漏、真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)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(lái)越重要。

真空：低于一個(gè)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(shí)驗(yàn)，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(diǎn)

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(méi)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(qiáng)，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(qiáng)為時(shí)將長(zhǎng)于50km。電子和離子在氣體中的平均自由程分別時(shí)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(qiáng)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(shí)，對(duì)于室溫下的氮?dú)?，，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(gè)分子計(jì)算，一個(gè)“干凈”的表面只要一秒多鐘就被覆蓋滿了一個(gè)單分子層的氣體分子：而在超高真空或時(shí)，由同樣的估計(jì)可知“干凈”表面吸附單分子層的時(shí)間將達(dá)幾小時(shí)到幾十小時(shí)之久。因此超高真空可以提供一個(gè)“原子清潔”的固體表面，可有足夠的時(shí)間對(duì)表面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。這是一項(xiàng)重大的技術(shù)突破，它導(dǎo)致了近二十年來(lái)新興不明科學(xué)研究的蓬勃發(fā)展。無(wú)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(zhǎng)足的發(fā)展。超高真空的這一特點(diǎn)還為得到超純的或精確摻雜的鍍膜或分子束外延生長(zhǎng)晶體創(chuàng)造了必要的條件，這促進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(qiáng)了絕熱性；可以降低物質(zhì)的沸點(diǎn)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(guó)際技術(shù)會(huì)議曾建議采用“托”(Torr)作為測(cè)量真空度的單位。國(guó)際單位制(SI)中規(guī)定壓力的單位為帕(Pa)。我國(guó)采用SI規(guī)定。1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1atm)≈1.013×105Pa(帕)1Torr≈1/760atm≈1mmHg1Torr≈133Pa

我國(guó)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(guó)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(yàn)。

原理：當(dāng)泵工作后，形成壓差，p1>p2，實(shí)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(dá)到抽氣目的的真空泵，例如旋片機(jī)械泵、油擴(kuò)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(jìn)氣口任意給定壓強(qiáng)下，單位時(shí)間內(nèi)流入泵內(nèi)的氣體體積

或表示為：其中，Q為單位時(shí)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(qiáng)

(極限真空)最高工作壓強(qiáng)工作壓強(qiáng)范圍（）泵能正常工作的壓強(qiáng)范圍幾種常用真空泵的工作壓強(qiáng)范圍旋片機(jī)械泵吸附泵擴(kuò)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(jī)械泵工作過(guò)程是：

吸氣—壓縮—排氣。定子浸在油中起潤(rùn)滑，密封和堵塞縫隙的作用。主要參量是：

抽速和極限壓強(qiáng)。由于極限壓強(qiáng)較高，

常用做前級(jí)泵(預(yù)抽泵)。旋片式機(jī)械泵2.油擴(kuò)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(guò)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(kuò)散泵不能單獨(dú)使用，一般采用機(jī)械泵為前級(jí)泵，以滿足出口壓強(qiáng)(最大40Pa)，如果出口壓強(qiáng)高于規(guī)定值，抽氣作用就會(huì)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(guò)程是：高速旋轉(zhuǎn)葉片(30000轉(zhuǎn)/分)—對(duì)氣體分子施以定向動(dòng)量—壓縮—排氣。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)油，潔凈，啟動(dòng)快，制動(dòng)快，可忍受大氣沖擊。缺點(diǎn)：由于高速旋轉(zhuǎn)，不能在磁場(chǎng)中使用，否則會(huì)產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致葉輪發(fā)熱、變形等嚴(yán)重后果，對(duì)氫氣等輕質(zhì)氣體抽速較小，

價(jià)格昂貴。1.動(dòng)葉輪；2.泵殼；3.渦輪排；4.中頻電動(dòng)機(jī)；5.底座；6.出氣口法蘭；7.潤(rùn)滑油池；8.靜葉輪；9.電機(jī)冷卻水管.

（4）真空測(cè)量方法

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

1.絕對(duì)真空計(jì)

直接測(cè)量真空度的量具，如U型計(jì)、壓縮真空計(jì)(麥克勞真空計(jì))。

壓縮型真空計(jì)測(cè)量范圍：103

～10-3PaU型計(jì)測(cè)量范圍：105

～10Pa2.相對(duì)真空計(jì)2.1熱偶真空計(jì)(熱傳導(dǎo)真空計(jì))

測(cè)量范圍：100—10-1Pa

測(cè)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(qiáng)無(wú)關(guān)。熱電偶規(guī)管及其電路原理直接測(cè)量與壓強(qiáng)有關(guān)的物理量，再與絕對(duì)真空計(jì)相比較進(jìn)行標(biāo)定的真空計(jì)。熱陰極電離真空計(jì)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(jì)的靈敏度，是單位電子電流、單位壓強(qiáng)下的離子流。測(cè)量范圍：1.33×10-1

～1.33×10-5Pa測(cè)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(qiáng)無(wú)關(guān)。

電離計(jì)線路圖電離規(guī)管理論解釋：當(dāng)p較高時(shí)，kx/p<<k，此時(shí)當(dāng)p很低時(shí)，kx/p>>k，此時(shí)與壓強(qiáng)無(wú)關(guān)B—A真空計(jì)(超高真空熱陰極電離計(jì))

50年代初，Bayard

和Alpert經(jīng)過(guò)改進(jìn)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(cè)量下限也降低100—1000倍。Ф0.2mm的鎢絲測(cè)量下限可達(dá)10-8~10-9paФ4μm

的鎢絲測(cè)量下限可達(dá)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(jì)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(guò)濾、成形等技術(shù)。1879年愛(ài)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(lái)，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(jì)得到迅速發(fā)展，并有廣泛的應(yīng)用。二十世紀(jì)初，在真空獲得和測(cè)量的設(shè)備方面取得進(jìn)展，如旋轉(zhuǎn)式機(jī)械泵，皮氏真空計(jì)，擴(kuò)散泵，熱陰極電離真空計(jì)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(kuò)散泵，冷陰極電離真空計(jì)的出現(xiàn)使高真空的獲得及測(cè)量取得一大進(jìn)展．五十年代，真空技術(shù)進(jìn)入超高真空時(shí)代，發(fā)明了B-A規(guī)，離子泵，渦輪分子泵．近二十年來(lái)，高能加速器，受控?zé)岷朔磻?yīng)裝置、空間技術(shù)，表面物理，超導(dǎo)技術(shù)筍，對(duì)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(jī)械泵，機(jī)械泵是運(yùn)用機(jī)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(jī)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(jìn)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(dòng)是由馬達(dá)帶動(dòng)的，定子置于油箱中，油起到密切、潤(rùn)滑與冷卻的作用。當(dāng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空氣由被抽容器通過(guò)進(jìn)氣管被吸入，旋片隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)使與進(jìn)氣管相連的區(qū)域不斷擴(kuò)大，而氣體就不斷地被吸入。當(dāng)轉(zhuǎn)子達(dá)到一定位置時(shí)，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(qiáng)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(dòng)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(kuò)散泵。擴(kuò)散泵是利用氣體擴(kuò)散現(xiàn)象來(lái)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(kuò)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(kuò)散，一般能達(dá)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(kuò)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?，?jīng)由三級(jí)傘形噴口向下噴出。噴口外面的壓強(qiáng)較油蒸汽壓低，于是便形成一股向出口方向運(yùn)動(dòng)的高速蒸汽流，使之具有很好的運(yùn)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(dòng)量交給氣體分子自己慢下來(lái)，而氣體分子獲得向下運(yùn)動(dòng)的動(dòng)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(zhǎng)期滯留，因而界面內(nèi)氣體分子濃度較小．由于這個(gè)濃度差，使被抽氣體分得以源源不斷地?cái)U(kuò)散進(jìn)入蒸汽流而被逐級(jí)帶至出口，并被前級(jí)泵抽走．慢下來(lái)的蒸汽流在向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中碰到水冷的泵壁，油分子就被冷凝下來(lái)，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(jìn)入被抽容器。（2）真空度的測(cè)量真空度的測(cè)量可通過(guò)雙熱偶程控復(fù)合真空計(jì)來(lái)進(jìn)行。熱偶計(jì)數(shù)顯窗口顯示的是儲(chǔ)氣桶處的壓強(qiáng)，而復(fù)合真空計(jì)數(shù)顯窗口顯示的是鍍膜室內(nèi)的壓強(qiáng)。復(fù)合真空計(jì)由熱電偶真空計(jì)和電離真空計(jì)組成，并且由熱偶計(jì)控制電離計(jì)的啟動(dòng)。其面板如圖所示：①熱偶真空計(jì)是用在低氣壓下氣體的熱導(dǎo)率與氣體壓強(qiáng)間有依賴關(guān)系制成的。它通常用來(lái)測(cè)量低真空，可測(cè)范圍為13.33~0.1333Pa。其中有一根細(xì)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(qiáng)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(dòng)勢(shì)越大。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)定標(biāo)后，就可以通過(guò)測(cè)量熱偶絲的電動(dòng)勢(shì)來(lái)指示真空度了。

②電離真空計(jì)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(lái)測(cè)量高真空度，可測(cè)范圍為0.133~1.33×10-6Pa。實(shí)驗(yàn)表明，在壓強(qiáng)P≤10-1Pa時(shí)，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(qiáng)，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?jiàn)，Ie不變，經(jīng)過(guò)用絕對(duì)真空計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，I+的值就可以指示真空度了。注意，只有在真空度達(dá)到10-1Pa以上時(shí)，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(guò)該表面的反射光特性或透射光持性發(fā)生變化，許多機(jī)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(zhǎng)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(guò)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