材料物理综合实验调研报告
数控冲孔加工物理与能源学院 材料物理专业
2012 级 地籍测量 材料物理 班
学 号： **********90
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2014 年 09 月 15 日
一、文献综述
真空技术就是研究低于1个大气压力下空间里的气体状态的技术。基本内容包括：真空获得与测量技术，真空系统的设计技术，真空物理，真空系统下的材料制备技术，如 薄膜制备技术，纳米材料制备技术等。在实验技术层面，真空技术主要包括：真空获得，真空测量，真空下材料加工技术。在真空获得技术中，目前用以获得真空的技术方法有两种，一种是通过某此机构的运动把气体直接从密闭容器中排出的气体传输泵；另一种是通过物理、化学等方法将气体分子吸附或冷凝在低温表面上的气体捕捉泵。 二、实验原理
1.真空的概念
真空是指气体压力低于1个标准大气压的特定空间。真空的基本特点：空间气体压力低于1个标准大气压，气体分子密度小，气体分子空间自由程长，气体分子之间气体分子与容器壁之间碰撞几率降低。真空度和压强是表征真空状态气体稀薄程度的物理量。真空度越高，气体压强越低，气体越稀薄，单位体积空间内分子个数越少。一般真空按压力不同分为4个区域：粗真空 10^5～10^3 Pa；低真空10^3～10^(-1) Pa；高真空10^(-1)～lO^(-6)Pa；超高真空10^(-6) ～10^(-10)Pa。 flag标签抗体
2.真空的获得
真空的获得主要通过各种真空泵来获得。它是应用机械的、物理的或化学的方法制成为能够达到抽气目的的设备或元件。
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(1)真空泵的分类：按其工作条件及作用，真空泵可分为两大类： 1)能直接在大气压下工作的真空泵称为前级泵(如机械泵、低温吸附泵等)，用以产 生预备真空； 2)需在一定的前置真空条件下才能开始工作，以继续提高真空度的真空泵称为次级泵(如扩散泵、分子泵、吸气型钛泵、钛离子泵、冷凝泵等)。
按照抽气方式又可分为两种．外排型和内吸型。
1)外排型是指将气体排出以提高真空度，如机械泵，扩散泵和分子泵等；
2)内吸型是指气体吸附在泵内的某种固体表面上，如吸附泵，离子泵，低温冷凝泵等。
(2)真空泵主要有以下三个性能参量：
1)极限真空度：无负载（无被抽容器）时泵入口处可达到的最低压强（最高真空度）。
2)抽气速率，在一定的温度压力下，压强下，单位时间从被抽容器中抽除的气体体积。
3)启动压强：泵能够开始正常工作的最高压强。
（1）机械真空泵
机械真空泵按改变空腔容积方式分，有活塞往复式、定片式和旋片式等。它们的工作原理 是建立在理想气体的波意尔一马略特定律基础之上，即PV—RT(P为压强，V为容器体积，T 为绝对温度，R为常数)，在等温过程中，一个容器内的体积和压强的乘积等于常数。这样，只 要使容器的体积在等温条件下不断扩大，就可不断降低容器的压强。
旋片式机械泵的主体为圆柱形钢筒定子空腔，内有一转子，偏心安置在钢筒定子内旋转，转速一般为350～750转／分。装在转子沟槽内的两旋片依靠弹簧力和离心力保持与泵体充分接触。定子上有一个与被抽系统相连的进气口和一个附有单向活塞阀门的出气口。工作原理可用图(a)～(d)四个过程示意图描述。当转子顺时针转动时，由进气口进入转子与定子之间部分空间V，的体积不断扩大，而出气口与转子、定子间的部分空问V。体积不断缩小，前者相当于扩大了真空室容积，所以相应的压强不断减小，而后者V：的体积缩小，其相应的气体压强最终大于大气压而被排人大气。
机械泵可以从大气压开始进行工作，常用来获得高真空泵的前级真空和高真空系统的预备真空。上述单级泵一般所能达到的极限真空约为10 Torr。其抽速一般在每秒零点几升到几十升之间。转子转速愈快，则抽速愈大，但在高的转速下保证密封极为困难。为了保证不漏气，通常采用蒸气压较低的机械泵油作密封填隙，并起润滑作用。
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限制单级泵极限真空的因素如下：
①空腔内左右两侧空间之间的密封性。在压强为10。Torr时，密封处两端的压强差可达5个数量级，漏气量取决于该压强差，此时若要继续改善单级泵似乎无多大余地。 引向器
②排气口附近的“死角”空间。如果进气口压强已经很低，以至泵内气体被压缩到“死角”空间处压强不足以顶开活塞，则气体不能排出泵外，构成极限压强。可采用两个旋片泵串联结构的双级泵来降低后级泵的压强差及极限压强。双级泵能达到的极限真空为10～～10_4 Torr数量级。
③泵油的饱和蒸气压强，以及使用过程中油被玷污和裂变的情况。
机械泵运用时要求有一定的转向和转速，有的泵还要求通以一定的冷却水，以降低油的蒸气压。操作机械泵时要注意，泵启动时，先接通泵上附属电动机电源，等泵正常工作后再与被抽系统接通。在工作结束时必须把大气放入V。。因为机械泵工作时V，和被抽容器还处于真空状态，而泵的出气端始终是大气压，如工作后不及时放气，大气压就会由于连通管原理迫使叶片翻转，密封油随之冲人真空室而使系统污染，此即返油现象。防止返油的办法可在停机械泵之前，用铁夹夹住泵与系统连接的橡皮管，然后再关掉电动机电源；或者采用电磁阀，它能在停泵时立即自动切断管路并对泵内灌人大气。操作机械泵时还应注意，转子的转动方向一定要按箭头指示方向，不可反转。机械泵对于各种气体应有相同的抽气速率。但对于一些低沸点蒸气如水蒸气等，会在压缩过程中凝结为液体不能被排出，这使得密封油易受污染而导致蒸气压提高，故机械泵用一段时间后要换密封油。
（2）高真空泵
油机械泵比机械泵能获得更高的真空度，它的工作压力范围是10^(-1)-10^(-6)Pa，起始压力正好是机械泵的极限压力。因此，油机械泵通常要利用机械泵作为前级泵，将真空度抽到10^（-1）Pa后扩散泵才开始工作。
油扩散泵工作原理如图所示。在扩散泵底部装有真空泵油的蒸发器，真空泵底外装有加热用的电炉。当泵内的油经外部电炉加热沸腾后，产生一定的蒸汽压向上部传输，经三级喷嘴向下喷射，同时带动泵内气体分子向下喷射，考虑到油在高温下会发生氧化，必须对扩散泵加上前级泵，使扩散泵内气压先达到1．33 Pa。热油蒸汽碰到泵壁经过水冷却，再次液化降到底部，其中所夹带气体被释放出在出气口被前级泵抽走。这个循环不断进行，会形成稳定的上下压差。在稳定工作时，排气VI压力一般为1．33～0．133 Pa，在进气口极限压力一般为1．33×10～1．33×10 Pa，这个压力是我们一般二级真空系统所得到的最常用的高真空了。考虑到真空系统中，除了系统接口处出现漏气等原因，还有真空器壁所吸附的分子慢慢释放的问题，所以实际所获得的真空系
统都是动态真空，若要保持极限压力，真空泵必须持续不断地工作。使用扩散泵时必须注意，必须先由机械泵对扩散泵室抽气，使其达到1．33 Pa的预备真空，然后才能打开扩散泵加热电源，同时打开冷却水并持续保持冷却水畅通。停止工作时，应该先关断扩散泵加热电源，继续通冷却水，使扩散泵油继续冷却，大约30 min后，再断开冷却水，最后关闭机械泵电源，停止机械泵工作。
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