真空科學與技術的一些前沿課題
真空科學與技術的一些前沿課題 徐成海 (東北大學機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽 110004)
摘要：試論述真空科學與技術領域的z*近、z*新的學術動態，分析研究內容、研究方向和前沿課題，希望能達到為生產、教學和科研導向起到參考作用。
關鍵詞：真空；鍍膜；干燥；冶金；熱處理中圖分類號：TB7;O484;TB71+.1;TF13;TG156 文獻標識碼:C 文章編號：1002-0322(2002)06-0003-04 Some front subjects of the vacuum science and technology (School of Mechanical Engineering and Automation,Northeastern University,Shenyang 110004,China) Atract:This paper tries to discu the latest academic trends and analytses the research contents and directio and the front subjects in the field of vacuum science and technology.We hope that it can be available for reference in production、teching and research. Key word:vacuum;film coating;desiccatiometallurgy;heat treatment 真空產品生產廠家、真空行業的科技工作者每時每刻都應該掌握自己工作領域內z*近、z*新的學術動態，研究自己工作范圍內的前沿課題，以便給自己定位，確定自己的對策，找出自己前進的方向，積極參加市場競爭，不斷改革創新，才能立于不敗之地。尤其是我國加入WTO之后，真空科技工作者的目光應該更遠大，獲取科技信息就顯得更為重要，它是企業存在的保障，是科技工作者的生命線。
1 真空泵 真空泵的種類很多，可按下表進行分類。
真空泵的前沿課題主要有：
①號稱21世紀綠色真空泵的各種無油泵（干泵）的研制；
②噴射泵、擴散泵的理論研究與設計計算；③探索創新泵的工作原理，研制新型泵。
2 真空計量
真空計量目前研究的主要內容有：
①真空度(全壓力)測量與校準；
②真空質譜分析，分壓力的測量與校準；
③氣體微流量(漏率)的測量與校準；
④材料放氣率的測量；
⑤真空泵抽速測量。
真空計量研究的前沿課題可歸納為：
①研究非平衡態分子流理論，非平衡態分子流校準系統，超音速分子流校準系統，為空間真空測量和校準解決難題；
②研究微小漏氣率測量、校準技術；
③研究解決極高真空的測量、校準問題，尋找新的測量理論；
④研究材料微量放氣率測量與放氣成分分析技術
⑤研究解決擴散泵返油率的測量問題，尋找新的測量方法。
3 真空鍍膜 真空鍍膜是真空科學技術領域中z*活躍的一門應用技術，它涉及到鍍膜設備、工藝、膜材、靶材等諸多方面，薄膜的種類很多，這里只能簡單論述其中的一部分。
3.1 硬質薄膜 自然界中金剛石z*硬，立方氮化硼第二，碳化硼第三。 ①金剛石膜(CVD法生產): 熱絲CVD法金剛石膜沉積速率可達 2.5μm/h，HV40~50GPa； ②B4C 碳化硼：用磁控濺射法生產，高溫熱穩定性好，1100℃以上，它是z*硬材料，HV50.4gPa； ③復合膜：TiN-第1代；TiCN、TiAlN--第二代; 第三代是多組元復合膜和多層膜體系;TiN/TiCN、TiN/、TiN/TiAlN、TiN/CrN、TaN/(氮化鉭/氮化鈮)，HV55.6GPa，發展成多層納米梯度膜- TiAl、TiAl1、TiAl2、ZrN(氮化鋯)。發展方向：提高膜的韌性、耐磨性、耐熱性、耐蝕性。
3.2 金剛石涂層刀具 研究方向：①提高金剛石涂層與基體之間附著力，設計中間過渡層，開發多涂層刀具; ②增大沉積面積，提高生長速率; ③研究PVD法金剛石涂層理論和工藝。
3.3 光、電、 磁各種功能膜 這些功能膜種類繁多，性能各異，這里僅舉部分例證。
①發光薄膜：Y2O3:Eu(尿素D溶液法)Eu(射頻濺射法);
②冷光膜- 可見光區高反射，紅外光區高透射，實現冷光照射，達到保護被照物目的;
③有機光電薄膜：金屬酞菁膜：CuPc-c;CuPc/Z 酞菁氧鈦具有極高光敏系數;
④光電功能復合膜- Ag-Au-SiO2，Ag-BaO，Ag-SiO2,Ag-MgF2，其中Ag-MgF2納米金屬陶瓷薄膜具有光吸收特性，Ag-BaO具有光電發射特性； ⑤透明導電膜：ITO(In2O3:),ZAO(ZnO:Al)，IMO(In2O3:Mo);
⑥光致變色薄膜：18烷基取代螺吡喃薄膜(-18),在紫外光照下變色，在可見光照下恢復無色，可用于光信息存儲、光控開關等；
⑦磁光記錄薄膜：FeCo(鉛鐵鈷);
⑧超大規模集成電路(VLSI)： 在Si基片上濺射Cu或Al，實現多層布線;
⑨半導體膜：SiC、ZnO；
⑩其它光電磁等特性功能膜： LiF、CaF2用于平面型場發射顯示器; Fe/Cr多層膜有巨磁電阻(GMR) ; Fe=SiO2膜具有隧道磁電阻效應(TMR); TiO2膜具有優良的介電、壓電、氣敏和光催化功能; Cu-SCN-Al(有機絡和物)有極性記憶效應; 三乙胺- 四氰-P-醌二甲烷(TEA(TCNQ)2)單晶是一種可以用來進行高密度信息存儲的有機復合材料; YBCO屬高溫超導(HTS)膜。
3.4 裝飾膜
研究方向：
①對薄膜材料的研究正向復合化、 多種類、高性能、新工藝方向發展
②研究復合膜的設計、性能檢測、制備方法;
③研究薄膜應力( 牢固度) ;
④研究大面積靶材制作技術，提高靶材利用率。
3.5 前沿課題
①發現具有新特性的新的膜層材料;
②設計具有特殊功能的新的膜系(復合膜);
③發展高科技產業，例如集成電路產業，信息存儲產業，平面顯示器產業，包括液晶顯示器(LCD)，等離子體顯示器(PDP)， 場致發射顯示器(EL)；
④深入膜層結構與特性關系等理論研究。
4 空間真空技術 空間真空技術是航天技術和真空技術相結合的新的增長點。宇宙模擬是近年來開展的主要工作。
① 航天器在軌排氣技術有效載荷艙中的高真空容器，常利用管道接通到航天器外，利用環境真空抽氣。有效載荷裝置要求超高真空時， 利用環境抽氣達不到要求，因而需發展帶真空泵的抽氣系統， 利用環境真空作為前級泵，再增加超高真空抽氣系統，要求這類系統的體積小，質量輕，能耗低。
② 空間的真空測量技術在解決 10-11~10-13的極高真空度測量方面還存在很多困難，要用現有的真空計測量空間真空中所遇到的特殊條件下的壓力，還需要在工藝、結構、材料、原理、理論等方面進行研究。
③ 空間材料的真空效應 空間材料的真空效應指航天器材料與空間真空環境的作用。材料的許多性能在真空中可能發生變異，其原因是蒸發、升華、出氣，從而導致材料的質量減少。質量減少的百分量稱為“質量損失”(ML)。材料在空間減少的質量逸出到真空環境中， 改變了真空環境的狀態，包括壓力、密度和粒子飛行方向。有些物質可能凝結在航天器的冷表面上，對航天器敏感表面造成污染。 這些重新凝結的物質稱為“可凝性揮發物”(VCM)。航天器在無際的空間運行，選材的出發點是：在額定壽命期由航天器是否能耐受空間真空環境原材料逸出物對敏感表面的污染程度。空間材料出氣的主要指標不是出氣速率、出氣量，而是ML和VCM這些性能的測量成了關鍵技術。
④ 質譜與檢漏 質譜分析儀是在航天器上使用的主要真空儀器，在空間探測、載人航天、航天器誘發污染環境監測、火箭技術和地面模擬中會得到新的應用。各種質譜儀的完善和數據采集的計算機化是發展的必然。檢漏技術在空間真空技術中既有理論性探討，也有實際應用問題。為確保航天器密封性及低溫流體安全輸送和長期貯存，快速、準確地大容器檢漏是關鍵技術。要求靈敏度高、可靠性強、檢測周期短。
⑤ 空間真空新工藝 在軌航天器上空間真空條件下的焊接，表面改性等。
⑥空間熱、質傳遞理論 軌道上的航天器受到太陽輻射，地球反照的太陽光而吸收熱量。同時又向冷黑的空間輻射熱量，發射時承受大氣層的氣動加熱。典型航天器表面溫度高至10000℃以上，低至-200℃以下。航天器本身還有功耗和結構傳熱，使航天器溫度平衡和溫度分布問題十分復雜。要使航天器上的材料、元件、電子儀器不受傷害，必須控制溫度在一定的范圍內，特別是載人航天器允許溫度范圍更小。 因此，航天器的熱設計和熱模擬實驗正發展成空間熱物理學。航天器用材料在空間“質量損失”原理、 損失速率、損失后對材料性能的改變、如何控制材料的損失等都是傳質學研究的內容。例如，衛星的機械消旋軸承、探測儀、攝像機、照相機等儀器的轉動、滑動部件，在真空中摩擦系數加大以后，轉動部件運動遲緩，甚至發生冷焊而卡死。
⑦ 空間真空環境的利用 宇宙真空環境是清潔、無菌的、為微生物研究提供了新途徑，為抗生素生產、疫苗培養提供了條件，為超純金屬冶煉研究提供了方便、可靠的環境。
5 真空干燥 真空干燥是在低壓下進行的，物料中水分在低壓下汽化溫度低，可干燥熱敏性物料；干燥室內空氣稀薄，含氧量低，可干燥易氧化、易燃、易爆危險品；能起到消毒無菌作用，可干燥藥品和生物制品。
5.1 真空干燥設備的種類 箱式真空干燥設備 圓筒攪拌型真空干燥設備 雙錐回轉型真空干燥設備 耙式真空干燥設備 滾筒型真空干燥設備 帶式真空干燥設備 振動流動真空干燥設備 圓盤刮板真空干燥機 木材真空干燥設備 氣相真空干燥設備 低頻真空干燥設備 真空冷凍干燥設備 5.2 真空干燥的前沿課題
①新型真空干燥設備的研制，如干燥、粉碎、造粒多功能，噴霧凍干機，連續式凍干機等；
②新材料、新工藝的開發，如生物醫學材料、離體生物組織、納米中藥、“生物導彈”等；
③新理論的研究，如凍干過程中保持生命活性的傳熱傳質理論，汽--固相變理論等。
6 真空熱處理 真空熱處理技術是材料改性先進制造技術的重要領域，是高精度、 優質、節能和清潔無污染的材料熱處理加工技術。
6.1真空熱處理爐的分類 還有按作業性質、結構型式、熱源等分類方法。
6.2 真空熱處理的前沿課題
①真空高壓氣淬熱處理工藝、設備(風機、換熱器)及智能控制系統，0.6~2.0MPa；
②真空高壓氣淬快速換熱理論、氣體流動理論；
③真空連續熱處理生產線及智能控制系統；
④真空高溫高壓燒結技術及理論。
7 真空冶金
7.1 真空冶金的特點
① O2 含量少，金屬在高溫下不易氧化；
② 與大氣環境隔絕，減少了對金屬的污染；
③抽氣過程可以減少冶煉過程產生的有害氣體夾雜，提高了產品質量；
④金屬沸點降低(例如鉛在常壓下沸點1740℃，在真空中1000℃)，起到了節能的作用。
7.2 真空冶金的種類
7.3 真空冶金的前沿課題
① 設備問題：大型水蒸汽噴射泵的設計與計算；大功率電子槍的設計與計算；大型感應加熱源的設計與計算；
② 工藝問題：大容器檢漏技術；大量生產超細金屬微粉技術；
③ 真空冶金新方法的研究
8 結束語 真空科學與技術發展迅速，涉及的內容很廣，本文只對其中的幾個方面進行探討: 還有很多內容: 諸如真空爬壁機器人，磁流體動密封，真空焊接，磁力驅動耦合器等都沒有討論。因此，本文并不是對真空科學與技術前沿課題的全面討論。
本文不包括真空科學與技術的高精尖的， 前瞻性較強的科技領域，也沒有涉及到生產實踐中的難題: 請讀者諒解。本文原本是給學生的一篇報告，屬于知識綜述的范疇，內容涉及到許多書籍和論文作者的辛勤勞動，因篇幅所限不能一一列出參考文獻: 在此一并感謝。 受文章整理時間和本人水平所限，文中不妥之處歡迎指正。
摘要：試論述真空科學與技術領域的z*近、z*新的學術動態，分析研究內容、研究方向和前沿課題，希望能達到為生產、教學和科研導向起到參考作用。
關鍵詞：真空；鍍膜；干燥；冶金；熱處理中圖分類號：TB7;O484;TB71+.1;TF13;TG156 文獻標識碼:C 文章編號：1002-0322(2002)06-0003-04 Some front subjects of the vacuum science and technology (School of Mechanical Engineering and Automation,Northeastern University,Shenyang 110004,China) Atract:This paper tries to discu the latest academic trends and analytses the research contents and directio and the front subjects in the field of vacuum science and technology.We hope that it can be available for reference in production、teching and research. Key word:vacuum;film coating;desiccatiometallurgy;heat treatment 真空產品生產廠家、真空行業的科技工作者每時每刻都應該掌握自己工作領域內z*近、z*新的學術動態，研究自己工作范圍內的前沿課題，以便給自己定位，確定自己的對策，找出自己前進的方向，積極參加市場競爭，不斷改革創新，才能立于不敗之地。尤其是我國加入WTO之后，真空科技工作者的目光應該更遠大，獲取科技信息就顯得更為重要，它是企業存在的保障，是科技工作者的生命線。
1 真空泵 真空泵的種類很多，可按下表進行分類。
真空泵的前沿課題主要有：
①號稱21世紀綠色真空泵的各種無油泵（干泵）的研制；
②噴射泵、擴散泵的理論研究與設計計算；③探索創新泵的工作原理，研制新型泵。
2 真空計量
真空計量目前研究的主要內容有：
①真空度(全壓力)測量與校準；
②真空質譜分析，分壓力的測量與校準；
③氣體微流量(漏率)的測量與校準；
④材料放氣率的測量；
⑤真空泵抽速測量。
真空計量研究的前沿課題可歸納為：
①研究非平衡態分子流理論，非平衡態分子流校準系統，超音速分子流校準系統，為空間真空測量和校準解決難題；
②研究微小漏氣率測量、校準技術；
③研究解決極高真空的測量、校準問題，尋找新的測量理論；
④研究材料微量放氣率測量與放氣成分分析技術
⑤研究解決擴散泵返油率的測量問題，尋找新的測量方法。
3 真空鍍膜 真空鍍膜是真空科學技術領域中z*活躍的一門應用技術，它涉及到鍍膜設備、工藝、膜材、靶材等諸多方面，薄膜的種類很多，這里只能簡單論述其中的一部分。
3.1 硬質薄膜 自然界中金剛石z*硬，立方氮化硼第二，碳化硼第三。 ①金剛石膜(CVD法生產): 熱絲CVD法金剛石膜沉積速率可達 2.5μm/h，HV40~50GPa； ②B4C 碳化硼：用磁控濺射法生產，高溫熱穩定性好，1100℃以上，它是z*硬材料，HV50.4gPa； ③復合膜：TiN-第1代；TiCN、TiAlN--第二代; 第三代是多組元復合膜和多層膜體系;TiN/TiCN、TiN/、TiN/TiAlN、TiN/CrN、TaN/(氮化鉭/氮化鈮)，HV55.6GPa，發展成多層納米梯度膜- TiAl、TiAl1、TiAl2、ZrN(氮化鋯)。發展方向：提高膜的韌性、耐磨性、耐熱性、耐蝕性。
3.2 金剛石涂層刀具 研究方向：①提高金剛石涂層與基體之間附著力，設計中間過渡層，開發多涂層刀具; ②增大沉積面積，提高生長速率; ③研究PVD法金剛石涂層理論和工藝。
3.3 光、電、 磁各種功能膜 這些功能膜種類繁多，性能各異，這里僅舉部分例證。
①發光薄膜：Y2O3:Eu(尿素D溶液法)Eu(射頻濺射法);
②冷光膜- 可見光區高反射，紅外光區高透射，實現冷光照射，達到保護被照物目的;
③有機光電薄膜：金屬酞菁膜：CuPc-c;CuPc/Z 酞菁氧鈦具有極高光敏系數;
④光電功能復合膜- Ag-Au-SiO2，Ag-BaO，Ag-SiO2,Ag-MgF2，其中Ag-MgF2納米金屬陶瓷薄膜具有光吸收特性，Ag-BaO具有光電發射特性； ⑤透明導電膜：ITO(In2O3:),ZAO(ZnO:Al)，IMO(In2O3:Mo);
⑥光致變色薄膜：18烷基取代螺吡喃薄膜(-18),在紫外光照下變色，在可見光照下恢復無色，可用于光信息存儲、光控開關等；
⑦磁光記錄薄膜：FeCo(鉛鐵鈷);
⑧超大規模集成電路(VLSI)： 在Si基片上濺射Cu或Al，實現多層布線;
⑨半導體膜：SiC、ZnO；
⑩其它光電磁等特性功能膜： LiF、CaF2用于平面型場發射顯示器; Fe/Cr多層膜有巨磁電阻(GMR) ; Fe=SiO2膜具有隧道磁電阻效應(TMR); TiO2膜具有優良的介電、壓電、氣敏和光催化功能; Cu-SCN-Al(有機絡和物)有極性記憶效應; 三乙胺- 四氰-P-醌二甲烷(TEA(TCNQ)2)單晶是一種可以用來進行高密度信息存儲的有機復合材料; YBCO屬高溫超導(HTS)膜。
3.4 裝飾膜
研究方向：
①對薄膜材料的研究正向復合化、 多種類、高性能、新工藝方向發展
②研究復合膜的設計、性能檢測、制備方法;
③研究薄膜應力( 牢固度) ;
④研究大面積靶材制作技術，提高靶材利用率。
3.5 前沿課題
①發現具有新特性的新的膜層材料;
②設計具有特殊功能的新的膜系(復合膜);
③發展高科技產業，例如集成電路產業，信息存儲產業，平面顯示器產業，包括液晶顯示器(LCD)，等離子體顯示器(PDP)， 場致發射顯示器(EL)；
④深入膜層結構與特性關系等理論研究。
4 空間真空技術 空間真空技術是航天技術和真空技術相結合的新的增長點。宇宙模擬是近年來開展的主要工作。
① 航天器在軌排氣技術有效載荷艙中的高真空容器，常利用管道接通到航天器外，利用環境真空抽氣。有效載荷裝置要求超高真空時， 利用環境抽氣達不到要求，因而需發展帶真空泵的抽氣系統， 利用環境真空作為前級泵，再增加超高真空抽氣系統，要求這類系統的體積小，質量輕，能耗低。
② 空間的真空測量技術在解決 10-11~10-13的極高真空度測量方面還存在很多困難，要用現有的真空計測量空間真空中所遇到的特殊條件下的壓力，還需要在工藝、結構、材料、原理、理論等方面進行研究。
③ 空間材料的真空效應 空間材料的真空效應指航天器材料與空間真空環境的作用。材料的許多性能在真空中可能發生變異，其原因是蒸發、升華、出氣，從而導致材料的質量減少。質量減少的百分量稱為“質量損失”(ML)。材料在空間減少的質量逸出到真空環境中， 改變了真空環境的狀態，包括壓力、密度和粒子飛行方向。有些物質可能凝結在航天器的冷表面上，對航天器敏感表面造成污染。 這些重新凝結的物質稱為“可凝性揮發物”(VCM)。航天器在無際的空間運行，選材的出發點是：在額定壽命期由航天器是否能耐受空間真空環境原材料逸出物對敏感表面的污染程度。空間材料出氣的主要指標不是出氣速率、出氣量，而是ML和VCM這些性能的測量成了關鍵技術。
④ 質譜與檢漏 質譜分析儀是在航天器上使用的主要真空儀器，在空間探測、載人航天、航天器誘發污染環境監測、火箭技術和地面模擬中會得到新的應用。各種質譜儀的完善和數據采集的計算機化是發展的必然。檢漏技術在空間真空技術中既有理論性探討，也有實際應用問題。為確保航天器密封性及低溫流體安全輸送和長期貯存，快速、準確地大容器檢漏是關鍵技術。要求靈敏度高、可靠性強、檢測周期短。
⑤ 空間真空新工藝 在軌航天器上空間真空條件下的焊接，表面改性等。
⑥空間熱、質傳遞理論 軌道上的航天器受到太陽輻射，地球反照的太陽光而吸收熱量。同時又向冷黑的空間輻射熱量，發射時承受大氣層的氣動加熱。典型航天器表面溫度高至10000℃以上，低至-200℃以下。航天器本身還有功耗和結構傳熱，使航天器溫度平衡和溫度分布問題十分復雜。要使航天器上的材料、元件、電子儀器不受傷害，必須控制溫度在一定的范圍內，特別是載人航天器允許溫度范圍更小。 因此，航天器的熱設計和熱模擬實驗正發展成空間熱物理學。航天器用材料在空間“質量損失”原理、 損失速率、損失后對材料性能的改變、如何控制材料的損失等都是傳質學研究的內容。例如，衛星的機械消旋軸承、探測儀、攝像機、照相機等儀器的轉動、滑動部件，在真空中摩擦系數加大以后，轉動部件運動遲緩，甚至發生冷焊而卡死。
⑦ 空間真空環境的利用 宇宙真空環境是清潔、無菌的、為微生物研究提供了新途徑，為抗生素生產、疫苗培養提供了條件，為超純金屬冶煉研究提供了方便、可靠的環境。
5 真空干燥 真空干燥是在低壓下進行的，物料中水分在低壓下汽化溫度低，可干燥熱敏性物料；干燥室內空氣稀薄，含氧量低，可干燥易氧化、易燃、易爆危險品；能起到消毒無菌作用，可干燥藥品和生物制品。
5.1 真空干燥設備的種類 箱式真空干燥設備 圓筒攪拌型真空干燥設備 雙錐回轉型真空干燥設備 耙式真空干燥設備 滾筒型真空干燥設備 帶式真空干燥設備 振動流動真空干燥設備 圓盤刮板真空干燥機 木材真空干燥設備 氣相真空干燥設備 低頻真空干燥設備 真空冷凍干燥設備 5.2 真空干燥的前沿課題
①新型真空干燥設備的研制，如干燥、粉碎、造粒多功能，噴霧凍干機，連續式凍干機等；
②新材料、新工藝的開發，如生物醫學材料、離體生物組織、納米中藥、“生物導彈”等；
③新理論的研究，如凍干過程中保持生命活性的傳熱傳質理論，汽--固相變理論等。
6 真空熱處理 真空熱處理技術是材料改性先進制造技術的重要領域，是高精度、 優質、節能和清潔無污染的材料熱處理加工技術。
6.1真空熱處理爐的分類 還有按作業性質、結構型式、熱源等分類方法。
6.2 真空熱處理的前沿課題
①真空高壓氣淬熱處理工藝、設備(風機、換熱器)及智能控制系統，0.6~2.0MPa；
②真空高壓氣淬快速換熱理論、氣體流動理論；
③真空連續熱處理生產線及智能控制系統；
④真空高溫高壓燒結技術及理論。
7 真空冶金
7.1 真空冶金的特點
① O2 含量少，金屬在高溫下不易氧化；
② 與大氣環境隔絕，減少了對金屬的污染；
③抽氣過程可以減少冶煉過程產生的有害氣體夾雜，提高了產品質量；
④金屬沸點降低(例如鉛在常壓下沸點1740℃，在真空中1000℃)，起到了節能的作用。
7.2 真空冶金的種類
7.3 真空冶金的前沿課題
① 設備問題：大型水蒸汽噴射泵的設計與計算；大功率電子槍的設計與計算；大型感應加熱源的設計與計算；
② 工藝問題：大容器檢漏技術；大量生產超細金屬微粉技術；
③ 真空冶金新方法的研究
8 結束語 真空科學與技術發展迅速，涉及的內容很廣，本文只對其中的幾個方面進行探討: 還有很多內容: 諸如真空爬壁機器人，磁流體動密封，真空焊接，磁力驅動耦合器等都沒有討論。因此，本文并不是對真空科學與技術前沿課題的全面討論。
本文不包括真空科學與技術的高精尖的， 前瞻性較強的科技領域，也沒有涉及到生產實踐中的難題: 請讀者諒解。本文原本是給學生的一篇報告，屬于知識綜述的范疇，內容涉及到許多書籍和論文作者的辛勤勞動，因篇幅所限不能一一列出參考文獻: 在此一并感謝。 受文章整理時間和本人水平所限，文中不妥之處歡迎指正。
