1、真空鍍膜技術近代物理實驗中心實驗背景 傳統(tǒng)水電鍍由于對環(huán)境的污染及需要使用一傳統(tǒng)水電鍍由于對環(huán)境的污染及需要使用一些劇毒原料些劇毒原料,已經(jīng)被國家及各級地方政府所限制發(fā)已經(jīng)被國家及各級地方政府所限制發(fā)展展.目前一些企業(yè)設立了集中污水處理的水電鍍工目前一些企業(yè)設立了集中污水處理的水電鍍工業(yè)園業(yè)園,在一定程度上改變了污水亂排放的現(xiàn)象在一定程度上改變了污水亂排放的現(xiàn)象.但污但污水處理成本高、能耗高，而且造成水資源的浪費水處理成本高、能耗高，而且造成水資源的浪費.在此背景下在此背景下,目前迫切需要尋找一種替代傳統(tǒng)水電目前迫切需要尋找一種替代傳統(tǒng)水電鍍的表面處理方法鍍的表面處理方法,使傳統(tǒng)水電鍍行業(yè)進行

2、技術升使傳統(tǒng)水電鍍行業(yè)進行技術升級、技術改造級、技術改造,既符合國家環(huán)保政策既符合國家環(huán)保政策,又可以滿足產(chǎn)又可以滿足產(chǎn)品出口的要求品出口的要求,同時提高同時提高出口產(chǎn)品的附加值出口產(chǎn)品的附加值.真空電鍍相對于傳統(tǒng)水電鍍有以下優(yōu)勢： 1).沉積材料廣泛：可沉積鋁、鈦、鋯等濕法電鍍無法沉積的低電位金屬。 2).節(jié)約金屬材料：由于真空涂層的附著力、致密度、硬度、耐腐蝕性能等相當優(yōu)良，沉積的鍍層厚度可以遠遠小于常規(guī)濕法電鍍鍍層，達到節(jié)約材料的目的。 3).無環(huán)境污染：由于所有鍍層材料都是在真空環(huán)境下通過等離子體沉積在工件表面，沒有溶液污染，所以對環(huán)境沒有危害。 所以真空鍍膜技術是一種新穎的材料合成與

3、加工的新技術,是表面工程技術領域的重要組成部分.真空鍍膜技術是利用物理化學手段將固體表面涂覆一層特殊性能的鍍膜,從而使固體表面具有耐磨損、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、防輻射、導電、導磁、絕緣和裝飾燈許多優(yōu)于固體材料本身的優(yōu)越性能,達到提高產(chǎn)品質量、延長產(chǎn)品壽命、節(jié)約能源和獲得顯著技術經(jīng)濟效益的作用. 因此,真空鍍膜技術被譽為最具有發(fā)展前途的重要技術之一,并已在高技術產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展中展現(xiàn)出誘人的市場前景.這種新興的真空鍍膜技術已在國民經(jīng)濟各個領域得到應用,如航天、航空、電子、機械、化工、軍事等領域. 實驗目的1、了解真空技術的基本知識；、了解真空技術的基本知識；2、掌握低、高真空的獲得和測量的基本原理

4、及方掌握低、高真空的獲得和測量的基本原理及方法；法；3、了解真空鍍膜的基本知識；、了解真空鍍膜的基本知識；4 4、學習掌握蒸發(fā)鍍膜的基本原理和方法、學習掌握蒸發(fā)鍍膜的基本原理和方法. .實驗儀器實驗儀器實驗原理 1 1、真空技術的基本知識：、真空技術的基本知識： 1643年,意大利物理學家托里拆利(E.Torricelli)首創(chuàng)著名的大氣壓實驗,獲得真空.真空：低于一個大氣壓的氣體狀態(tài).自然真空：氣壓隨海拔高度增加而減小,存在于宇宙空間. 人為真空：用真空泵抽掉容器中的氣體. 真空度：真空度： 真空度是對氣體稀薄程度的一種客觀度量,單位體積中的氣體分子數(shù)越少,表明真空度越高.由于氣體分子密度不

5、易度量,通常真空度用氣體壓強來表示,壓強越低真空度越高. 真空量度單位 1標準大氣壓=760mmHg=760(Torr) 1標準大氣壓=1.013x105 Pa 1Torr=133.3Pa 真空區(qū)域的劃分 目前尚無統(tǒng)一規(guī)定,常見的劃分為： 粗真空 105-103pa(760-10Torr) 低真空 103-10-1pa(10-10-3Torr) 高真空 10-1-10-6pa(10-3-10-8Torr) 超高真空 10-6-10-10pa(10-8-10-12Torr) 極高真空 10-10pa(p2,實現(xiàn)了抽氣.旋片機械泵 工作過程是： 吸氣壓縮排氣. 定子浸在油中起潤滑,密封和堵塞縫隙的

6、作用.擴散泵 擴散泵是利用氣體擴散現(xiàn)象來抽氣的.它沒有機械泵那樣的轉動和壓縮部件.擴散泵是一種次級泵,需要機械泵作為前級泵. 工作原理：是通過電爐加熱處于泵體下部的專用油,沸騰的油蒸汽沿著傘形噴嘴高速向上噴射,遇到頂部阻礙后沿著外周向下噴射,此過程中與氣體分子發(fā)生碰撞,使得氣體分子向泵體下部運動進入前級真空泵. 泵體通過冷卻水降溫,運動到下部的油蒸汽與冷的泵壁接觸,有凝結為液體,循環(huán)蒸發(fā).工作過程是：油蒸發(fā)噴射凝結,重復循環(huán). 油擴散泵是一種蒸氣射流泵,當油蒸汽從傘形噴咀(如I級噴咀)以超音速噴出后,其速度逐漸增大,壓力及密度逐漸降低,射流上邊的被抽氣體A因密度差要向蒸汽射流中擴散并被射流攜帶

7、到水冷的泵壁處B,在B處,工作蒸汽大部分被冷凝成油滴沿泵壁流回到油鍋中循環(huán)使用,而被抽氣體在B處堆積、壓縮,最后被下級射流攜帶走,以達到逐級壓縮,最后被前級泵抽走. 真空計 測量真空度的裝置稱為真空計.真空計的種類很多,由于被測量的真空度范圍很廣,一般采用不同類型的真空計分別進行相應范圍內(nèi)真空度測量.常用的有熱偶真空計和電離真空計.熱耦真空計也叫熱耦規(guī),常用來測量低真空,它是利用低壓下氣體的熱傳導與壓強成正比的特點制成的. 電離真空計也叫電離規(guī),是根據(jù)電子與氣體分子碰撞產(chǎn)生電離電流隨壓強變化的原理制成的.原理： 當氣體分子平均自由程大于容器的線度d時,它的熱傳導系數(shù)正比于壓強P.將一根金屬絲通

8、以恒定的加熱電流時,由于氣體導走了一部分熱量,故當達到熱平衡時,金屬絲便保持一定的溫度.氣體的壓強高,導走的熱量多,平衡溫度就低.所以熱絲的溫度是氣體壓強的函數(shù),可以通過測量熱絲的溫度而求得壓強的大小可以通過測量熱絲的溫度而求得壓強的大小. .熱偶真空計即是用一熱電偶來測量熱絲的溫熱偶真空計即是用一熱電偶來測量熱絲的溫度度從而得到壓強值的真空計從而得到壓強值的真空計.熱電偶由兩種不同的金屬絲連接而成,當兩接點溫度不同時就產(chǎn)生熱電勢,溫差越大,熱電勢越高.熱電偶的一個接點與熱絲相接觸,另一接點處于室溫,這樣經(jīng)過校正,即可由熱電勢的值轉換為壓強的值. 原理： 電子在電場中飛行時從電場獲得能量,若與

9、氣體分子碰撞,將使氣體分子以一定幾率發(fā)生電離,產(chǎn)生正離子和次級電正離子和次級電子子.其電離幾率與電子能量有關.電子在飛行路途中產(chǎn)生的正離子數(shù),正比于氣體密度n,在一定溫度下正比于氣體的壓力p.因此,可根據(jù)離子電流的大小指示真空度.這就是電離真空計工作原理.為了實現(xiàn)以上的過程,需要有一個熱陰極來發(fā)射電子,一個給電子以能量的加速并收集電子的加速極,以及一個收集離子的收集極.收集極與放大顯示電路相連結就構成了真空計.熱陰極燈絲加熱后發(fā)射熱電子,柵陽極具有較高的正電壓,熱電子在柵狀陽極作用下加速并被陽極吸收.由于柵狀陽極的特殊形狀,除了一部分電子被吸收外,其它的電子流向帶有負電的板狀收集板,再返回陽極

10、.也就是說,部分電子要回返幾次才能最終被陽極吸收.可以想象,在電子運動的過程中,一定會與氣體分子碰撞并電離,電離的陽離子被吸收極吸收并形成電流.電子流 、陽離子電流 與氣體壓強之間滿足如下關系： 由此可以確定氣壓.對于很高真空度的情況,氣體分子很稀薄,所以被電離的氣體分子數(shù)目很小,因此需配置微電流放大器和燈絲穩(wěn)流裝置.蒸發(fā)鍍膜 蒸發(fā)鍍膜就是在真空中通過電流加熱、電子束轟擊加熱和激光加熱等方法,使薄膜材料蒸發(fā)成原子或分子,它們隨即以較大的自由程做直線運動,碰撞基片表面而凝結,形成薄膜.蒸發(fā)鍍膜要求鍍膜室內(nèi)殘余氣體分子的平均自由程大于蒸發(fā)源到基片的距離,盡可能減少蒸發(fā)物的分子與氣體分子碰撞的機會,

11、這樣才能保證薄膜純凈和牢固,蒸發(fā)物也不至于氧化. 蒸發(fā)鍍膜最常用的方法是電流加熱,采用鎢、鉬、鉑等高熔點化學性能穩(wěn)定的金屬,做成適當?shù)募訜嵩?，其上裝入待蒸發(fā)材料,讓電流通過,對蒸發(fā)材料進行直接加熱蒸發(fā). 在真空鍍膜中,飛抵基片的氣化原子或分子,除一部分反射外,其余的被吸附在基片的表面上.被吸附的原子或分子在基片表面上進行擴散運動,一部分因在運動中相互碰撞而積聚成團,另一部分經(jīng)過一段時間的滯留后,被蒸發(fā)而離開基片表面.聚團可能會與表面擴散原子或分子發(fā)生相互碰撞時捕獲原子或分子而增大,也可能因單個原子或分子脫離而變小. 當聚團增大到一定程度時,便會形成穩(wěn)定的核,核再捕獲到飛抵的原子或分子,或在基片

12、表面進行擴散運動的原子或分子就會生長.在生長過程中,核與核合成而形成網(wǎng)絡結構,網(wǎng)絡被填實即生成連續(xù)的薄膜.顯然基片的表面條件、基片的溫度以及薄膜的沉淀速率都影響薄膜的質量.實驗步驟1、實驗前準備(準備材料、清洗等);2、水循環(huán)事先處于工作狀態(tài)(避免忘記而造成事故)；3、工作選擇開關狀態(tài):(a)打開總電源；(b)選擇開關置于機械泵前級閥自動打開(蝶閥關閉)觀看V2檔氣壓計的數(shù)值變化(即真空室氣壓值)，當當V2檔數(shù)值在3Pa左右時，進入(C)操作；( C)開關置于擴散泵預熱狀態(tài)，前級閥自動關閉，蝶閥關閉(切斷真空室與擴散泵連接)，這時只對擴散泵抽氣，此時電磁閥打開，擴散泵和管路連為一體，觀看管路氣

13、壓(V1)數(shù)值變化，當V1為3Pa左右時，進入( d )操作；(d)置于擴散泵工作狀態(tài)，這時擴散泵加熱電流有指示，穩(wěn)定在3A左右，大約15min后打開蝶閥，觀看V2值在0.1Pa以下，打開燈絲開關，繼續(xù)觀察真空室氣壓值的變化，大約45min，真空室氣壓值為5x10-3Pa，這時可以進入( e)操作 ;(e)鍍膜；(1)打開鍍膜開關,增加真空室內(nèi)兩極的電壓,當電壓大于等于75V,發(fā)現(xiàn)鎢絲發(fā)紅,鋁絲跟著發(fā)紅熔化,在增加點電壓,鋁絲瞬間變?yōu)殇X蒸汽,使基片和鐘罩全部鍍上一層薄膜；(2)鍍膜結束后迅速關閉鍍膜開關,并關閉蝶閥；(3)接著將選擇開關置于擴散泵預熱狀態(tài),機械泵繼續(xù)工作,冷卻水繼續(xù)循環(huán),同時關閉燈絲開關；(4)按下充氣