真空在纳米科学研究中的应用

2014年01月19日

　　纳米科学与技术研究的对象，是结构尺寸在0.1~100nm范围内物质的性质和应用。在纳米尺寸下，由于物质出现了许多新的规律和特性，如物理、化学中的量子效应，生物学中的基因转化、剪裁、对接、电子学中的统计涨落特性，机械学中微小摩擦的新规律等都会逐一的凸现出来。因此，崛起于20世纪90年代的这门新学科，问世后发展十分迅速。由于物质的最小单元是原子，氢原子的直径为0.1nm，一般的金属原子直径为0.3~0.4nm，即一个纳米大体相当于4个原子的直径，可见纳米科学中所研究的问题，实际上就是研究单独原子或分子的问题。因此，为研究这一领域提供一个良好的清洁环境，是十分必要的，这就是大多数纳米粒子在制备与应用研究中应采用真空技术的根本原因。

真空科学的应用领域很广，目前已经渗透到车辆、土木建筑工程、机械、包装、环境保护、医药及医疗器械、石油、化工、食品、光学、电气、电子、原子能、半导体、航空航天、低温、专用机械、纺织、造纸、农业以及民用工业等工业部门和科学研究工作中。现就其主要的几个领域简述如下：

1、真空在输运、吸引、起吊及真空造型等设备中的应用

　　真空输运、真空吸盘及起吊设备、都是利用真空与大气间存在压力差所产生的力来做功的。由于这种机械能存在着压强处处均匀的特点，因此可绝对密接地施加到任何形状的平面上。目前、这些真空设备大多用在吸鱼、粮食、面粉、煤粉、烟草、水泥、泥浆、纸浆、粉状矿物粉状化工产品，水泥地板，预制板、机场及公路水泥跑的快速吸干、车间起吊、机床夹具，玻璃装运，吸乳、吸尘。人工流产吸引胎儿：吸痰、吸胸膜积水、脓液、吸肠以及吸引原子弹爆炸所产生的辐射尘埃等生产作业中。这些设备均具有结构简单，易于操作维护、运输、起吊吸引过程中无震动、生产效率高、运送易损坏物件安全可靠、对环境无污染等特点。因此具有广阔的应用范围和前景。

　　真空造型也是利用压差力的一个重要方面，近年来在立体军用地图、盲人书籍、示数摸型、高级陶瓷、混凝土予制件、电冰箱洗衣机板件、玩具、复制浮雕和文物、行波管和返波管中的细旋支柱成形、质谱仪中分析室以及微波系统的波导制作方面、都广泛的采用了这一技术。

　　真空力学应用的另一个领域是真空过滤和真空浸渍。目前化工，制糖，水泥等工业部门已开始大量采用的连续真空过滤、很容易将粘度大的悬浮液利用压差力的作用、通过微细筛孔而将其悬浮液中的液体与固体分离。在染料工业中利用真空过滤法可以大量节省棉布。真空浸渍是把片状或纤维状的疏松物质，进行先抽真空，再在液体中浸渍充填一些新的物质的一种新型工艺。这种工艺用在含油轴承、鱼网纤维、皮革、非电解电容，变压器、电动机定子线圈等产品上已经显著的提高了产品质量。此外这种工艺对疏松劣质木材进行聚脂树脂浸，对铅笔木进行蜡类浸渍使其改变原有的天然性能达到化劣质为优质的目的、并已达到了予期的效果。

2、真空在电真空器件中的应用

　　由于各种电真空器件的工作原理是基于电场、磁场来控制电子在空间的运动借以达到放大、振荡、显示图象等目的。因此避免电子与气体分子间的碰撞，保证电子在空间的运动规律，防止发射热电子的阴极氧化中毒，把电子器件内抽成不同电真空器件所要求的不同真空度、保证电子器件的正常工作，是绝对必要的。目前电真空工业中所生产的电真空器件主要有各种真空断路器、真空管 ( 整流管、发射管、收信管、速调管、行波管、磁控管、光电管等 ) ;各种离子管 ( 泵弧整流管、引燃管、计数管、闸流管、噪音管、雷达电线开关等 ) ;各种电子束管 ( 示波管、摄象管、显象管、 x 光管、变象管等 ) ;各种电光源管 ( 照明灯，光谱灯、仪器用灯等 ) 以及中子管、电子衍射仪、电子显微镜、 x 光显微镜，各种粒子加速器、质谱仪、核辐射谱仪、气体激光器以及利用真空中电子束进行除气、熔炼、区域提纯、难熔金属和介质的熔化和钻孔，开槽切割、放射性同位素的蒸发，难熔金属的焊接等许多方面。这些电子器件及工艺，在近代科学和近代大工业生产中所起的作用是不言而喻的。这里不再赘述。

3、直空在冶金工业中的应用

　　在真空中对金属及其合金进行真空冶金范围很广，包括真空蒸馏、矿石及其半产品的真空分离，金属化合物真空还原、钢液炉外真空脱气和精炼、金属真空熔铸、真空烧结，真空热处理、真空钎焊及真空固态接合等多种工艺方法。真空冶金工业自二十世纪五十年代发展以来之所以得到极为广泛地应用，是因为真空环境在冶金过程中具有一系列的特点所致。首先是真空环境中物质与残余气体分子间的化学作用十分微弱，因此非常适宜对黑色金属、稀有金属，超纯金属及其合金、半导体材料的熔炼和精制。其次，在真空环境中可通过降低单一气体分子的分压强、达到钢液脱气精炼、真空碳脱氧的目的。真空环境的另一个特点还在于它在较低的温度下、具有进行一定反应的能力，例如在同样温度下，有些反应过程在大气中则难以进行，但是在低压下就十分容易。这就是真空化合物分解和有色金属冶炼的基本原理。表 4 给出了各种不同真空冶金领域中所采用的各种工艺方法和它们的适用范围。供读者参阅。表 4 中给出的真空冶金中，尚应包括真空镀膜工艺，但是由于这一领域，目前已成为真空表面处理技术中的一个重要组成部分，因此我们将在下一节中详述。

表5 真空冶金的主要领域、工艺方法及其适用范围

领域	工艺方法	运用范围
真空熔炼	真空感应熔炼	铁镍钴铜铍铀系金属及其合金钛铍系金属及其合金、铁镍钴系高级合金钢、铀系合金、硅、锆、铁、铌、铂的区域精炼
自耗电极真空弧熔炼	铁镍钴系高级合金钢及低合金钢，高级合金钨铝铑钽钛系金属及其合金
非 耗电极真空电弧熔炼	铀钛锆及碳化铀熔炼
真空弧热源在水冷铜坩埚中精炼及铸造	钛锆钼铌钨钽及铀等金属合金
真空电子束熔炼同时在水冷铜坩埚中凝固成锭	钨、钼、铌、钽、铪、铍等尔难熔金属及全金高级合金钢、超级合金、起纯金属
电子束热源在水冷 铜坩埚中皮壳精练然后进行离子铸造或精密铸造	铝、钼、铌、钽、锆、钛等，滚球轴承钢等，高级合金钢
溢流法电子束多重熔床熔炼及冷凝成锭	高纯金属、高纯合金及高级合金钢
等离子弧熔炼	合金钢及工具材料
等离子弧重熔	钛及合金钢
等离子弧感应熔炼	耐热钢及耐热合金
真空精练	合金钢精练及脱气
真空脱气及炉外精炼	钢包静态真空脱气	处理合金钢
真空浇注	碳钢合金钢大锻件钢锭
倒包脱气	结构钢
出钢脱气	与电炉组合处理各种合金钢
出钢脱气加真空浇注	大钢件钢锭处理浇注
出钢脱气加例包脱气	各种钢
提升处理（ DH 法）	碳钢、低合金锡、弹簧钢、轴承钢、不锈钢电工钢
循环处理（ RH 法）	同上
电磁搅拌真空脱气	轴承钢、超高强度钢
真空钢包吹氩	低合金钢
真空电弧加热脱气	高合金钢
真空吹氧脱碳精练	不锈钢及其他合金、高纯铁素体不锈钢
电弧加热电磁搅拌真空精炼	合金钢、不锈钢、轴承钢
真空吹氧精炼	不锈钢
氩氧精炼	不锈钢、结构钢、轴承钢、工具钢
水蒸气混氧精炼	不锈钢、猛铬钢
真空热处理	真空退火	铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、工具模具钢、钼、铝、钛、锆、铀、铜、钛合金
真空气体淬火真空高压气淬	高速钢、马氏体铬钢、冷作工具钢、热处工具钢、钛合金铸件
真空油淬火	工具钢、高速钡
电子束淬火	活塞环槽脊、汽车凸轮轴及有关零件
辉光离子氮化	铬钢、高速钢、球未铸铁零件
真空渗碳真空离子渗碳	轴凿轮模具等零件
真空接合	电子束焊接	难熔金属活性金属、耐热钢、不锈钢、弹簧钢、高速钢
真空钎焊	不锈钢、铝和铝合金、钛及其合金铍与不锈钢、铍 – 钛、铍 – 铌、铍 – 陶瓷
真空固态结合（扩散焊）	镍悬超合金，钛合金 Cu-Ni ， Ti- 钢 Cu-Nb 、铜 – 钢
真空烧结	真空精类冶金	高纯度耐热金属及合金，复合金属、高磁性磁铁、不锈钢零件
真空蒸馏浓缩和结晶	真空蒸馏	有机油类、合成树脂原料、高级酒精、高级脂肪酸、维生素 A 、 E 、苯乙烯、香乙醇、制酒、香精分离、钛给锆去掉镁杂质和二氧化碳
真空浓缩	合成氨、合成尿素、制盐糖、制酸、合成洗涤剂、制碱、浮制品、果汁、果酱
真空结晶	氯化钾、氯化钠、合成尿素、合成氨

真空科学在科研领域应用领域

　　真空科学的应用领域很广，目前已经渗透到车辆、土木建筑工程、机械、包装、环境保护、医药及医疗器械、石油、化工、食品、光学、电气、电子、原子能、半导体、航空航天、低温、专用机械、纺织、造纸、农业以及民用工业等工业部门和科学研究工作中。现就其主要的几个领域简述如下：

1、真空在输运、吸引、起吊及真空造型等设备中的应用

　　真空输运、真空吸盘及起吊设备、都是利用真空与大气间存在压力差所产生的力来做功的。由于这种机械能存在着压强处处均匀的特点，因此可绝对密接地施加到任何形状的平面上。目前、这些真空设备大多用在吸鱼、粮食、面粉、煤粉、烟草、水泥、泥浆、纸浆、粉状矿物粉状化工产品，水泥地板，预制板、机场及公路水泥跑的快速吸干、车间起吊、机床夹具，玻璃装运，吸乳、吸尘。人工流产吸引胎儿：吸痰、吸胸膜积水、脓液、吸肠以及吸引原子弹爆炸所产生的辐射尘埃等生产作业中。这些设备均具有结构简单，易于操作维护、运输、起吊吸引过程中无震动、生产效率高、运送易损坏物件安全可靠、对环境无污染等特点。因此具有广阔的应用范围和前景。

　　真空造型也是利用压差力的一个重要方面，近年来在立体军用地图、盲人书籍、示数摸型、高级陶瓷、混凝土予制件、电冰箱洗衣机板件、玩具、复制浮雕和文物、行波管和返波管中的细旋支柱成形、质谱仪中分析室以及微波系统的波导制作方面、都广泛的采用了这一技术。

　　真空力学应用的另一个领域是真空过滤和真空浸渍。目前化工，制糖，水泥等工业部门已开始大量采用的连续真空过滤、很容易将粘度大的悬浮液利用压差力的作用、通过微细筛孔而将其悬浮液中的液体与固体分离。在染料工业中利用真空过滤法可以大量节省棉布。真空浸渍是把片状或纤维状的疏松物质，进行先抽真空，再在液体中浸渍充填一些新的物质的一种新型工艺。这种工艺用在含油轴承、鱼网纤维、皮革、非电解电容，变压器、电动机定子线圈等产品上已经显著的提高了产品质量。此外这种工艺对疏松劣质木材进行聚脂树脂浸，对铅笔木进行蜡类浸渍使其改变原有的天然性能达到化劣质为优质的目的、并已达到了予期的效果。

2、真空在电真空器件中的应用

　　由于各种电真空器件的工作原理是基于电场、磁场来控制电子在空间的运动借以达到放大、振荡、显示图象等目的。因此避免电子与气体分子间的碰撞，保证电子在空间的运动规律，防止发射热电子的阴极氧化中毒，把电子器件内抽成不同电真空器件所要求的不同真空度、保证电子器件的正常工作，是绝对必要的。目前电真空工业中所生产的电真空器件主要有各种真空断路器、真空管 ( 整流管、发射管、收信管、速调管、行波管、磁控管、光电管等 ) ;各种离子管 ( 泵弧整流管、引燃管、计数管、闸流管、噪音管、雷达电线开关等 ) ;各种电子束管 ( 示波管、摄象管、显象管、 x 光管、变象管等 ) ;各种电光源管 ( 照明灯，光谱灯、仪器用灯等 ) 以及中子管、电子衍射仪、电子显微镜、 x 光显微镜，各种粒子加速器、质谱仪、核辐射谱仪、气体激光器以及利用真空中电子束进行除气、熔炼、区域提纯、难熔金属和介质的熔化和钻孔，开槽切割、放射性同位素的蒸发，难熔金属的焊接等许多方面。这些电子器件及工艺，在近代科学和近代大工业生产中所起的作用是不言而喻的。这里不再赘述。

3、直空在冶金工业中的应用

　　在真空中对金属及其合金进行真空冶金范围很广，包括真空蒸馏、矿石及其半产品的真空分离，金属化合物真空还原、钢液炉外真空脱气和精炼、金属真空熔铸、真空烧结，真空热处理、真空钎焊及真空固态接合等多种工艺方法。真空冶金工业自二十世纪五十年代发展以来之所以得到极为广泛地应用，是因为真空环境在冶金过程中具有一系列的特点所致。首先是真空环境中物质与残余气体分子间的化学作用十分微弱，因此非常适宜对黑色金属、稀有金属，超纯金属及其合金、半导体材料的熔炼和精制。其次，在真空环境中可通过降低单一气体分子的分压强、达到钢液脱气精炼、真空碳脱氧的目的。真空环境的另一个特点还在于它在较低的温度下、具有进行一定反应的能力，例如在同样温度下，有些反应过程在大气中则难以进行，但是在低压下就十分容易。这就是真空化合物分解和有色金属冶炼的基本原理

4、真空在镀膜工业中的应用

　　真空镀膜技术是真空应用技术的一个重要分支，它已广泛地应用于光学、电子学、能源开发，理化仪器、建筑机械、包装、民用制品、表面科学以及科学研究等领域中。真空镀膜所采用的方法主要有蒸发镀、溅射镀、离子镀、束流沉积镀以及分子束外延等。此外还有化学气相沉积法。如果从真空镀膜的目的是为了改变物质表面的物理、化学性能的话，这一技术又是真空表面处理技术中的重要组成部分，其分类如表 6 所示。现就其几个主要应用方面做一简单介绍。首先在光学方面，一块光学玻璃或石英表面上镀一层或几层不同物质的薄膜后，即可成为高反射或无反射(即增透膜)或者作任何预期比例的反射或透射材料，也可以作成对某种波长的吸收，而对另一种波长的透射的滤色片。高反射膜从大口径的天文望远镜和各种激光器开始、一直到新型建筑物的大窗镀膜茉莉，都很需要。增透膜则大量用于照相和各种激光器开始、一直到新型建筑物的大窗镀膜玻璃，都很需要。增透膜则大量用于照相机和电视摄象机的镜头上。在电子学方面真空镀膜更占有极为重要的地位。各种规模的继承电路。包括存贮器、运算器、告诉逻辑元件等都要采用导电膜、绝缘膜和保护膜。作为制备电路的掩膜则用到铬膜。磁带、磁盘、半导体激光器，约瑟夫逊器件、电荷耦合器件( CCD )也都甬道各种薄膜。在显示器件方面，录象磁头、高密度录象带以及平面显示装置的透明导电膜、摄像管光导膜、显示管荧光屏的铝衬等也都是采用真空镀膜法制备。在元件方面，在真空中蒸发镍铬，铬或金属陶瓷可以制造电阻，在塑料上蒸发铝、一氧化硅、二氧化钛等可以制造电容器，蒸发硒可以得到静电复印机用的硒鼓、蒸发钛酸钡可以制造磁致伸缩的起声元件等等。真空蒸发还可以用于制造超导膜和惯性约束巨变反应用的微珠镀层。此外还可以对珠宝、钟表外壳表面、纺织品金属花纹、金丝银丝线等蒸镀装饰用薄膜，以及采用溅射镀或离子镀对刀具、模具等制造超硬膜。近两年内所兴起的多弧离子镀制备钛金制品，如不锈钢薄板、镜面板、包柱、扶手、高档床托架、楼梯栏杆等目前正在盛行。

5、真空在食品包装及冷冻干燥工业中的应用

　　近二十年来利用真空气氛对食品进行保鲜的包装技术发展较快。因为这种包装不但具有免除氧气使食品不易腐烂变质，贴体和充气包装即可不受昆虫危害又可抑制霉菌生长，可提高和延长食品保鲜程度和存放时间等特点，而且包装设备大多结构简单，操作方便，价格低廉，采用的塑料包装材料成本低、美观大方、易于普及。真空包装的食品种类较多，如榨菜、大头菜、海带、香肠、扒鸡、烧鸭、豆制品、奶粉、麦乳精等等。由于新鲜的产品从收获到另售过程中所经过的中间环节时间较长，损失严重易提高销售价格，而真空包装工艺的推广，将使新鲜产品的价格和冷藏费用降低，从而可缓和供需之间的矛循。因此真空保鲜必将成为潜力极大的市场而活跃在人们的生活中。

　　真空冷冻干燥技术最早出现于二十世纪初，近年来发展很快。这是因为它与通常的热晒、热风干燥，红外干燥，高频干燥相比较具有很多的优点。由于冷冻干燥的工艺过程是先将被干物料冻结，然后抽真空，使物料中已冻结成冰的水份不经过液态而直接升华去掉。因此冻干后的制品、不但可以呈现多孔性状态而保持原来的形状，便其加水后易恢复原状，而且低温干燥还可以防止物料热分解。同时由于真空气氛下干燥的物料免除了氧化作用，因此干燥后的制品，其物理、化学和生物性能可完全不变。真空冷冻干燥的应用范围正在逐年扩大

6、真空在航天工业中的应用

　　真空科学与航天技术密切相关的主要环节来至于空间的环境模拟，因为运载火箭、人造卫星、载人飞船、空间站、宇宙探测器以及航天飞机等各种空间飞行器，在空间飞行的过程中、都是在宇宙的自然真空中进行的。因此他们除了直接的受到空间真空环境的影响外，还要受到太阳辐射、各种带电粒子及温度的影响。这些因素将造成材料性能的改变或损伤;仪器灵敏度的失灵，从而会破坏这些飞行器的工作，甚至会造成宇航员的伤亡。为此，在地面上建立模拟空间环境的宇宙空间模拟实验装置，是非常必要的。因为只有在各种飞行器上天之前通过地面的模拟实验。掌握航天器在空间工作的条件和特性，消除飞行中的各种隐患，才能确保飞行器及宇航员的安全。为了满足这些要求，目前在地面上建立起的各种模拟装置较多

7、真空在加速器及受控核聚变中的应用

　　加速器是对粒子加速使被加速的粒子获得高能源的装置，在加速器中能够产生各种能量的电子、质子、氘、a粒子及其它重离子。利用这些粒子与物质的相互作用，还可以产生各种带电和不带电的次级粒子，如7粒子、中子、多种介子、超子、反粒子等。加速器产 生的粒子和射线已经用于核物理的研究以及医疗、工业、农业食品等部门。

　　为确保粒子与残余气体分子不发生碰撞 散射现象、真空度必须达到保证粒子直线运动的要求，否则不但会引起束流损失或粒子达不到高的能 量，而且也易发生真空绝缘不够导致加 速器击穿，使加速器不能处于正常工作状态。表9是各种加速器的分类及它们所要求 的真空 度