第二部分第五章真空技术

5.1概述真空：低于大气压力的气体状态。单位：Pa低真空：10-1-103Pa；高真空：10-6-10-1Pa；超高真空：低于10-6Pa。真空技术的应用，发展了一系列的冶金新工艺，提高了产品质量，同时，出现了大量真空冶金物理化学问题待冶金工作者去研究。在现代分析测试技术中也需要真空技术的配合。1第1页，共33页，2023年，2月20日，星期一真空在冶金中的应用：1）过滤；2）保存易腐物质；3）熔点、沸点下降，有利于干燥、提纯、分离；4）传热速度下降，有利于隔热；5）电绝缘性良好；6）分子碰撞机会少，可制作加速器；7）固体对气体吸附少，有利于物料的表面分析。2第2页，共33页，2023年，2月20日，星期一5.2真空获得抽真空：获得真空的过程，也叫排气。5.2.1真空泵简介真空泵：获得真空的设备。

前级泵：能使气压从一大气压开始变小的真空泵；出口压力1atm

次级泵：只能从较低的气压抽到更低的气压的真空泵；出口压力<1atm

极限真空度：真空系统在排气足够长的时间后所能达到的真空度。抽速：规定气压下单位时间抽出的气体体积。3第3页，共33页，2023年，2月20日，星期一获得真空的基本方法：1、利用机械运动排走气体；如活塞运动、转子运动等。2、利用高速蒸气流排走气体；3、利用吸附使气体由气相变为固相；如分子筛吸附泵、低温吸附泵4、利用低温冷凝气体；利用液态氮，可得到温度为4k的极冷表面，而液氨可得到20k的低温表面。气体如O2、CO、H2O等打到此表面上后立即失去热量并立即凝固，分子不断打到冷表面，空间分子密度不断下降。4第4页，共33页，2023年，2月20日，星期一真空泵按工作特点可分为两类：1、传输泵：把气体直接或间接传输到大气中，又分容量泵和动量泵。容量泵：往复式、滑阀式、旋转式。动量泵：分子泵、喷射泵。2、捕集泵：将气体暂时或永久贮存在泵中，不排到大气。如吸附泵、升华泵、低温泵。5第5页，共33页，2023年，2月20日，星期一真空泵简介：1、往复式真空泵可获得粗真空；103Pa2、水蒸气喷射真空泵10-1Pa3、滑阀式真空机械泵7×10-2Pa4、油真空增压泵实际上是一种喷射泵10-25、机械增压泵10-2Pa6、涡轮式分子真空泵10-6Pa7、复合式钛离子真空泵10-7Pa8、分子筛吸附泵10-2Pa9、溅射离子泵10-6Pa10、低温泵液氨致冷10-8Pa

液氮致冷10-11Pa6第6页，共33页，2023年，2月20日，星期一机械泵：利用机械旋转造成吸气和排气获得真空机械泵结构图7第7页，共33页，2023年，2月20日，星期一5.2.2旋片式真空泵1）结构旋片式机械泵主要由进气口、定子、转子、翼片、排气阀等组成。如图！1排气管，2进气管，3外壳，4排气阀5真空泵油，6定子，7转子8翼片，9弹簧8第8页，共33页，2023年，2月20日，星期一2）工作原理9第9页，共33页，2023年，2月20日，星期一

有害空间的存在影响泵的极限真空度；抽可凝性气体时需装气镇阀。

10第10页，共33页，2023年，2月20日，星期一3）注意事项（1）机械泵装机位置要便于观察、清洗、换油；（2）停止工作时应向泵中放入干燥空气；（3）不能反转；（4）不能有硬物落入泵中；（5）不能混入易蒸发的杂质；（6）定期清洗泵体和更换泵油。11第11页，共33页，2023年，2月20日，星期一5.2.3扩散泵结构：加热部分、喷射部分和冷却部分。有几级喷嘴就称几级泵。1进气口,2冷阱,3水冷壁,4喷嘴,5油蒸气导管,6排气口,7泵油,8漏油导管,9加热电炉.12第12页，共33页，2023年，2月20日，星期一13第13页，共33页，2023年，2月20日，星期一扩散泵只能作为次级泵使用！存在两个反扩散：1）泵底部和上部被抽气体的密度差形成的反扩散；2）油分子与被抽气体分子碰撞，改变方向进入被抽系统。改进措施：改善喷嘴设计、提高扩散泵油质量、加装冷阱。14第14页，共33页，2023年，2月20日，星期一使用扩散泵注意事项。抽到预备真空才能开始工作。装配前须清洗并装入足够工作液体。未通冷却水，不得加热扩散泵。开关机顺序：（开前级泵→开冷却水→加热扩散泵）→（停止加热→冷却后停冷却水→停前级泵）油扩散泵极限真空度可达10-5Pa。超高真空可达5×10-8Pa。15第15页，共33页，2023年，2月20日，星期一其他类型的真空泵水环式真空泵罗茨式真空泵16第16页，共33页，2023年，2月20日，星期一17第17页，共33页，2023年，2月20日，星期一课堂作业1、27℃下，1升容器中，当压强为1Pa时，容器中有多少气体分子？2、什么叫真空？3、影响机械泵极限真空度的因素有哪些？4、影响扩散泵极限真空度的因素有哪些？PV=nRT1mol=>6.02×102318第18页，共33页，2023年，2月20日，星期一5.3真空的测量测量真空的仪器叫真空计，也称真空规。1、直接测量压力的麦克劳真空计，是一种绝对真空计，工作原理是气体方程，可用来校正其它真空计。绝对真空计测量时操作复杂，不能连续读数，测试工作缓慢。2、利用与压强有关的物理量的变化来间接测量真空的相对真空计，这一类真空计能连续快速测量，但准确度较低。这类仪器能做到数量级准确就可以了。常用的相对真空计有热电阻真空计、热偶真空计、热阴极电离真空计等。19第19页，共33页，2023年，2月20日，星期一两种测量方式的比较：

汞柱：105~102Pa液柱油柱：104~1Pa直接测量麦氏规：105~10-3弹性元件：105~104Pa电容：10-1~10-3热导式电阻：102~10-1间接测量电偶：10-4~10-1电离式10-1~10-6其它10-6以上20第20页，共33页，2023年，2月20日，星期一5.3.1热电阻真空计1）构造：如图所示

21第21页，共33页，2023年，2月20日，星期一2）工作原理： 当气体压强较高时，气体导热系数与压强无关，当气体压强较低时，气体导热系数与压强有关。热电阻真空计通过测量与温度有关的物理量(电阻)的变化来测量真空。r1:具有高的温度系数；r2:具有低的温度系数；r3=r4，固定电阻。随抽真空的进行，压强降到足够低时，因气体浓度降低，与热丝碰撞的气体分子减少，气体分子带走的热量减少，但加热电流不变，故热丝的温度随真空度的上升而上升,电阻发生变化。电阻~真空度关系曲线。测量范围：102~10-1Pa，高、低真空不能测。用补偿管代替r2减少室温的影响。22第22页，共33页，2023年，2月20日，星期一23第23页，共33页，2023年，2月20日，星期一5.3.2热偶真空计热偶真空计的原理与热电阻真空计类似，只是热偶真空计测量的是温度的变化，如图5-8。24第24页，共33页，2023年，2月20日，星期一测量端实际上是一个热电偶，测量热丝温度的变化。测量时维持热丝加热电流不变，当热丝处在真空中时，随真空度上升，热丝温度上升，热电偶的输出电势增大，热电势的大小间接的反映了真空度的高低。热偶与热电阻两种真空计的优缺点：

优点：能连续读数，结构简单、使用方便，可远距离测量。系统突然漏气时真空计不会损坏。

缺点：读数与气体种类有关，刻度曲线不能通用；有热惯性；外界温度对测量结果有影响；热丝表面情况对测量也有影响。25第25页，共33页，2023年，2月20日，星期一5.3.3热阴极电离真空计

26第26页，共33页，2023年，2月20日，星期一1）工作原理：电子通过稀薄气体时可使气体电离，在一定温度下，气压低于10-1Pa时，电离产生的正离子电流与电子电流的比值正比于气体压强：P∝I+/I-I+：正离子电流，I-：电子电流如果定义压强为102Pa，电子电流为1mA时的离子电流K为电离真空计的灵敏度，则可得：P∝I+/KI-=I+/C（I-保持恒定时）C称为电离真空计的常数，取决于真空计的结构、连接线路、电子电流的大小以及两极的电位，也取决于残余气体的种类。27第27页，共33页，2023年，2月20日，星期一2）电离真空计的刻度和测量范围电离真空计的刻度也是与绝对真空计相比较而得出的，除高压段和低压段外，在10-1~10-6Pa之间，其刻度曲线是一条很好的直线，因而热阴极真空计的测量范围在10-1~10-6Pa。不同气体的刻度曲线是不一样的。通常，热阴极电离真空计的刻度曲线是对空气作出的。如图:28第28页，共33页，2023年，2月20日，星期一3）优缺点优点：可连续读数、可远距离测量、体积小、惯性小；可用于制作超高真空计；缺点：易损坏、正离子吸附可影响测量、玻璃与电极间的放气影响测量。29第29页，共33页，2023年，2月20日，星期一复合真空计30第30页，共33页，2023年，2月20日，星期一5.4真空系统5.4.1真空材料金属管道1）结构材料玻璃管道橡胶管道2）密封材料：真空封油、真空封蜡、真空封泥、真空漆、环氧树脂。当然，以上介绍的密封材料都是半永久性的。永久性：焊接静密封：半永久性：封蜡、胶密封可拆性：法兰、螺纹、磨口动密封：活塞、密封圈31第31页，共33页，2023年，2月20日，星期一5.4.2常用附件真空活塞：有金属的，也有玻璃的；连接与开关真空阀门：同活塞冷阱：可使某些气体在冷阱中被捕捉从而进一步提高真空度或对某些气体进行分离。5.4.3真