《真空原理与技术应用》课件

真空原理与技术应用课程概述课程目标掌握真空基础理论主要内容真空原理与应用技术学习成果第一章真空的基本概念真空的定义真空度分类低于大气压力的气体环境低真空、中真空、高真空、超高真空压力单位真空的历史发展早期真空研究1托里拆利水银实验现代真空技术2真空管和电子学发展重要里程碑3半导体制造推动超高真空技术真空物理基础气体分子运动理论平均自由程气体分子无规则运动，不断碰撞分子两次碰撞间的平均距离分子流与粘性流取决于气体密度和容器尺寸真空度与压力关系真空系统的特征高度洁净节省能源材料性质变化无气体污染的环境减少热传导和摩擦损失表面特性显著改变第二章真空获得方法物理吸附利用低温或分子筛吸附气体机械排气通过物理手段排出气体化学吸附通过化学反应移除气体真空泵的分类容积式真空泵通过改变容积排气动力式真空泵利用高速运动传递动量捕集式真空泵通过吸附或固化气体机械真空泵旋片真空泵往复式真空泵罗茨真空泵适用于低真空，结构简单达到中等真空度，无油污染大抽速，通常作为前级泵分子泵和涡轮分子泵工作原理性能特点应用范围高速旋转叶片撞击气体分子•无油污染•半导体制造•高抽速•表面分析利用分子动量传递排出气体•快速启动•粒子加速器扩散泵结构与原理利用高速油蒸汽喷射捕获气体优缺点高抽速但有油污染风险应用领域冶金、真空镀膜、太空环境模拟低温泵20K

99.9%工作温度氢气捕获率低温表面捕获气体分子捕获几乎所有气体种类10^-8极限真空度Pa可获得超高真空环境离子泵和钛升华泵类型工作机制优势局限性离子泵高压电离气体无振动无油污染抽速低成本高钛升华泵钛蒸汽化学吸附简单可靠需定期更换钛丝第三章真空测量技术机械真空计U型管真空计麦克劳真空计压力差引起液柱高度变化压缩气体提高测量精度测量范围101325~100Pa，低真空区间热偶真空计工作原理热传导率随压力变化原理测量范围10^3~10^-1Pa，中真空区间优缺点分析结构简单但精度有限电离规冷阴极电离规热阴极电离规应用与局限性•无需灯丝•需加热灯丝•高真空测量•寿命长•精度高•灯丝易烧•测量范围窄•广泛使用•需校准维护其他真空测量方法电容式真空计皮拉尼真空计膜片形变改变电容值电阻丝温度与气体压力关系新型真空测量技术谐振式传感器与光学测量法第四章真空系统设计真空系统组成设计原则真空室、真空泵、管道、阀门气流阻力最小，泄漏最少检验验收常见问题真空度测试，泄漏检测泄漏、排气速度、系统兼容性真空管道与接头管道材料接头类型密封技术不锈钢、铝合金、铜合金KF、CF、ISO标准接头金属垫片、橡胶O型圈真空阀门阀门分类选择标准截止阀、蝶阀、闸阀、角阀抽速要求、真空度级别、成本考虑应用注意事项防止污染，定期维护真空系统泄漏检测检漏方法氦质谱检漏、压力上升法常见泄漏原因密封不良、材料缺陷预防措施严格加工工艺，合理设计真空材料材料类型典型应用优点缺点不锈钢腔体、管道强度高、耐腐蚀成本高铝合金真空室重量轻、易加工强度较低玻璃观察窗透明、气密性好易碎真空密封密封原理密封材料密封结构设计形成气密连接，防止泄橡胶、铜、铝、金属垫平面、O型圈、楔形密漏片封第五章真空蒸发与薄膜制备真空蒸发原理材料加热汽化后凝结成膜薄膜生长机制岛状生长与层状生长工艺参数控制蒸发速率、基板温度、真空度蒸发源电阻加热蒸发源电子束蒸发源分子束外延通电加热蒸发材料高能电子束轰击材料精确控制原子层堆积•简单经济•可蒸发高熔点材料•高质量单晶薄膜•适用于低熔点材料•蒸发速率大•极高纯度溅射沉积离子镀工作原理设备构成离子轰击增强沉积过程蒸发源、离子源、基片架、电极系统应用领域硬质涂层、装饰性涂层、光学薄膜化学气相沉积（）CVDCVD原理气态前驱体化学反应沉积工艺类型热CVD、等离子增强CVD应用实例金刚石薄膜、半导体器件原子层沉积（）ALDALD技术特点单原子层自限制生长工艺流程前驱体脉冲-清洗-反应物脉冲-清洗最新发展空间选择性ALD，高宽比结构涂覆第六章真空热处理真空热处理原理设备类型避免氧化的高温处理水平炉、垂直炉、钟罩炉工艺控制升温曲线、保温时间、冷却方式真空退火真空淬火淬火过程设备要求质量控制加热固溶-急速冷却•精确温控•硬度测试•高效冷却系统•金相检验控制温度曲线关键•气体快速循环•尺寸变形测量真空烧结高性能材料密度高，性能优异工艺控制温度、压力、时间精确控制原理机制颗粒接触、颈部生长、孔隙消除真空钎焊钎焊原理熔融填充金属渗入连接处工艺流程清洁-装配-加热-保温-冷却典型应用热交换器、电子封装、航空零件第七章真空干燥技术真空干燥原理设备类型降低沸点加速水分蒸发箱式、转筒式、带式真空干燥器应用领域工艺参数食品、药品、材料制备温度、压力、时间真空冷冻干燥工作原理设备构成应用领域冻结-升华-脱附•冷冻系统•食品保存•真空系统•药品制备避开液态阶段直接升华•加热系统•生物样本保存•控制系统真空微波干燥80%70%95%能源效率时间缩短营养保留率比传统干燥节能显著干燥时间大幅减少保持产品原有品质第八章真空摩擦学真空摩擦特性润滑技术气体分子吸附层缺失特殊润滑材料与方法应用挑战冷焊现象与材料选择真空润滑材料液体润滑剂低蒸气压油、全氟聚醚固体润滑剂二硫化钼、石墨、PTFE新型润滑材料碳纳米管、金刚石类碳薄膜真空密封与轴承密封设计轴承选择维护要点磁流体密封、波纹管密陶瓷轴承、特殊钢轴承定期检查，避免污染封第九章真空等离子技术等离子基础真空等离子源气体电离形成带电粒子集合射频、微波、电弧放电应用领域表面处理、沉积、蚀刻等离子清洗清洗机理工艺参数应用实例活性粒子与污染物反应功率、气体种类、处理时间电子器件、医疗器械、光学元件等离子刻蚀刻蚀类型特点分辨率典型应用反应离子刻蚀各向异性微米级一般半导体器件深反应离子刻高深宽比亚微米MEMS器件蚀感应耦合等离高密度纳米级先进集成电路子刻蚀等离子表面改性改性机制处理方法应用案例表面能调整，官能团引入接枝、活化、刻蚀高分子材料增强，生物相容性改善第十章真空分析技术真空中的表面分析常用分析方法无干扰杂质分子环境电子能谱，质谱，探针显微仪器介绍XPS、SIMS、SPM、AES电子能谱分析（）XPS/AES工作原理光电子或俄歇电子能量分析仪器构成X光源、能量分析器、探测器应用领域3材料表面成分和化学状态分析二次离子质谱（）SIMS扫描探针显微镜（）SPM原子分辨率可观察单原子结构多种模式AFM、STM、MFM样品要求表面平整度高，清洁第十一章真空技术在科学研究中的应用真空技术在半导体产业中的应用晶圆制造封装测试质量控制光刻、刻蚀、离子注入真空密封，环境测试表面分析，粒子检测真空技术在光学行业中的应用光学镀膜激光器制造特种光学元件•反射膜•腔体密封•光纤预制棒•增透膜•光学元件处理•X射线光学•滤光膜•高纯气体灌封•红外光学元件真空技术在新能源领域的应用锂电池极片干燥，电解质注入太阳能电池薄膜沉积，钝化处理氢能源燃料电池膜电极制备真空技术在航空航天领域的应用10^-7-180°C空间真空度Pa最低测试温度模拟太空环境极端环境适应性测试50m³大型真空舱容积整星测试能力真空技术在食品工业中的应用真空包装真空冷冻干燥延长保鲜期，防止氧化保持风味和营养成分真空油炸降低油脂含量，保持口感真空技术在医疗领域的应用医疗器械灭菌药品生产生物样本保存低温灭菌，适用于热敏材料药物冻干，延长保质期低温真空保存生物材料第十二章真空技术的未来发展趋势极高真空技术10^-12Pa级真空度智能化真空系统自诊断自优化系统新型真空材料低气体释放率材料开发真空技术面临的挑战与机遇技术瓶颈市场需求创新方向极限真空度，材料脱气高效低能耗真空设备微型化，智能化，集成问题化课程总结核心概念回顾真空原理，获得方法，测量技术应用领域总览从微电子到航天，从材料到食品学习资源推荐专业书籍，在线课程，实验室实践。