真空技术的发展与展望

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-12-23 17:11:49 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:真空技术的发展与展望

众所周知:20世纪,真空工业的发展极为显著,引起各界的关注。真空科学与技术在科学研究中只是一门实验技术,而在现代工业生产中却成了一门基本技术而得到广泛应用。
    真空工业的如此发展,是否归究于技术方面的重大发明或发现呢?根本不是。而全世界真空工业发展的原因只是由于其他工业技术领域对真空的需求增加了。如日本国的真空设备厂家的销售额中,仅电子工业就占40%左右,正说明这一领域对真空技术的需求增加了。
    进入21世纪,真空工业又将如何发展,赖以发展的需求又是什么?在科学与技术不断的发展的今天,真空技术又会起到什么新的作用?又能取得什么新成就?这许多未知的问题,令人关注,值得思考。
    过去我们谈真空技术的发展动向,通常去查找学术论文和专利资料,以了解真空状态下的物理现象的应用,真空获得和测量仪器的进展等情况。而现在我们应改变以往的做法,要抓住真空的需求关系,从这个侧面来展望真空技术的发展动向。也就是,应从某些重要的真空应用领域中探讨与真空技术的关系,来展望21世纪真空技术本身的发展动向。
    一、需要不断扩大真空的应用领域
    在21世纪,真空的需求是增长还是减少?今后的发展趋势又将如何?这主要取决于真空应用的领域是否增加,需求是否增长。
    在20~30年前,真空书籍中就指出:真空技术的应用,一是靠压力差,二是通过空间的电子或分子排除干扰,三是降低粒子撞击表面的次数。用于各自的需求不同,所需的真空度当然也就不同了。所谓排除空间障碍物,即粒子的平均自由程要比装置的特征尺寸长。真空蒸发、电子管和加速器就是利用了真空的这一特点。除大功率的电子管外,其他大部分做成固体元件,这样就不再需要真空了。暖水瓶是真空技术在人们日常生活中的重要应用,如果以后能生产出优良的绝热材料,且很便宜,那么真空在暖水瓶的生产过程中将会失去作用。从降低表面粒子入射频率的必要性看,超高真空技术定会得到发展,它可使表面长时间地维持其清洁。目前,真空技术的应用的特点是:利用真空环境来研制一些新材料和新工艺。使真空应用领域得到进一步扩大,例如超微粉和纳米颗粒的制作以及固体元件的工艺开发。另一个应用领域是为了减少化学反应过程和核聚变反应中的不纯物,有时也要利用真空。真空室的器壁本身与反应过程有着极其密切地关系。
    人们对真空的需求将会扩大。如日本三井物产公司把铅掺入铝中,然后用高温使铝蒸发,利用这种方法炼铝就会扩大对真空泵的需求。因此,对于真空设备厂来说将会有一个很大的真空泵的销售市场。过去炼铝采用电解法,现正在研究熔炉还原法。在熔炉内还原时,由于耐火材料与铝的混合,使分离非常困难。如果把熔炉中出现的含有铝的不纯物溶解于铅溶液中就可以对含铝的铅和不纯物进行分离。利用真空可以分离由此形成的铝铅混合物。由此可见,新工艺的出现,就会直接影响到真空行业,对真空的需求也会随之急剧增加。前几年我国真空炼镁工艺的出现,曾一度使真空设备厂产的滑阀泵和罗茨泵供不应求。造成畸形发展。但这也说明一个问题,即新工艺、新材料等出现,势必要带动真空产业等发展。
    在2l世纪,表面处理在内的表面技术成为相当大的一个真空应用领域。因为人们对材料可靠性的要求,尤其对表面技术的应用定会有所增长。现在人们都喜欢用防锈、防氧化的材料。铝合金虽己生产出来了,但就原有工艺稍加改进,就会在性能上大有改观,如用氧化膜将材料与大气隔开,就能满足用户上述的要求。这种情况,只要提示一下与真空厂家合作就能开拓一个相当可观的市场。又如过去作超纯铝箔的方法很费事,又要把真空设备应用到这个项目的生产过程中去,就一定会产生更好地超纯铝箔来。如果真空厂家能积极地参与到这一应用领域中去,人们对真空的需求自然会大大加强。
    今后电子技术领域对真空的需求也会继续有所增长。由于真空是个很纯净的空间,而电子元件的生产工艺也需要纯净,因此真空是制作电子元件的理想环境。如分子束外延,半导体产品多是在真空状态中进行的。
    搞分子束外延似乎都在以超大规模集成电路为目标。要想达到这一目标就要求有非常微细的结构。在这种情况下,最大的障碍就是灰尘。如果一系列的操作都能在真空中进行,从底片进入真空室到最终处理完成也在真空中进行是最理想的。如何去掉灰尘,首先是避免人与元件的直接接触。但真空设备不一定都是干净的。一般认为放气、排气或者切换开关时就会扬起灰尘,所以还是存在一定的问题。有时也需要给装置搞一个清洁的表面,清洁的表面是极其容易受污染对,当必须使表面维持清洁状态的时候,有一个受到控制的气体环境往往比处于超高真空状态更为理想。为了充入某种气体以保证清洁度,就要在充分处理本底之后,再充入干净的气体。例如在溅射成膜时的真空度并不高。然而充入气体之前的本底压力则对膜的质量有很大的影响,所以溅射装置必须给创造一个良好的本底真空度。
    有时由于充入其它气体,而使得真空度略有下降,但就在这种真空度稍有改变的情况下,也可以进行同样的操作。真空技术不仅仅建立狭义上的真空,而且制作高纯气体,再受控制的环境下维持所需表面,这也是真空技术的应用。如果这样考虑,真空技术的应用也就更广泛了。
    真空设备似乎可以作为工具使用。人们随着对高级产品的需求,也迫切需要真空技术更加简便,并可应用于高新技术领域。因此,在21世纪真空技术将会继续得到发展。
    二、真空技术在能源方面的应用
    最近,人们对能源危机的关注已逐渐淡薄,但如何根本问题并没有得到解决。能源问题是一个长期地、不容乐观地重要问题。从长远的观点看,要研究用新能源代替旧能源。如太阳能利用技术,在不久的将来,有可能达到实用化。日本曾提出到1990年,总能源的需要量的2%将由新能源代替。将核聚变装置列为2l世纪达到实用化的目标。现在各国都在进行太阳热利用技术。典型的太阳热利用技术即对太阳热发电系统的研究。
    日本于1981年在香川县建成了第一座1MW的太阳热实验发电厂。采用塔式聚光和曲面聚光两种方式。这两种方式的额定输出均为1000kW。在美国、法国、俄罗斯、德国、西班牙及意大利等国都将太阳热发电厂的研究开发列入了国家计划。这些工厂的容量为500kW~10MW,并已建成应用。
    太阳热发电系统是由聚热装置、热传输管、蓄热装置、发电机和计量控制装置所组成。
    太阳热发电的聚热温度范围很宽,约为150~550℃。要想获得150℃以上的热能,就必须有聚光装置。聚光的方式有很多种,但多数都采用反射镜。镜面材料多使用银和铝等。表面镜由于膜面暴露在大气之中,受氧化和摩擦等因素的影响,会使反射率较低。黑面镜的缺陷是在于基板和膜面的界面上,发生污染。
    近来,由于高分子材料制作的软镜具有重复性好、透过率高、能大量生产、成本低等特点,而倍受重视。
    选择吸收面对有效利用太阳能极为重要。在选择吸收面的制作上,采用了真空技术。高温聚热装置中采用了聚热管。为防止由聚热管造成的对流损失,用透明玻璃管覆盖在聚热管外面,玻璃管内保持真空状态。
    下面将按原理把选择吸收面的光吸收选择性,分类说明如下:
    (1)利用半导体膜的谱带之间的迁移而产生基础吸收。
    在红外线领域具有高反射率的金属表面上,涂上一层吸收波长为1~3μ的半导体膜,就制成了选择吸收面。用Si、Cu、PbS、Ge、CuO、Cr2O3等材料作为半导体膜。这种结构的膜,它可吸收阳光转变为热能;对红外线则呈透明体。由于金属表面的作用使得辐射率变小,可以更有效地利用太阳能。由于Si、Ge对太阳光的折射率高,涂上SiO2等材料的减反射膜,对太阳光的吸收率变好。
    (2)利用薄模干涉形成减反射效应。
    在基板上制成具有高反射率的金属膜,在膜上叠加干涉滤光镜。干涉滤光镜由电介质膜+半透明金属膜+电介质膜所组成。像这样结构的膜,可见光在电介质膜中被吸收,而红外线透过干涉滤光镜被金属膜面反射而使辐射率变小。
    采用这种方式的选择吸收面的例子如:Al2O3/MO/Al2O3/MO基板,及利用光干涉效应的单层膜一耐温性极好的金属碳化物,金属氮化物,如ZrCx、HfCx等。作成槽型抛物面镜收集器(带有ZrCx/Zr选择吸收面)。
    (3)利用表面和膜结构形成的反射特性与波长的相互关系。
    在加工成深沟和棱角的表面上,垂直入射的太阳光,在沟与棱角的间隙中,经多次反射而被吸收。
    这种面会因高温加热而引起性能劣化,其原因可能由于蒸发、热分解、热膨胀造成的剥离和表面成份变化,紫外线照射引起的化学反应或机械损伤等因素造成的。
    太阳光利用技术,也就是利用太阳光来发电,它是通过太阳电池吸收阳光,先变为直流电再转换为交流电加以利用的。
    太阳电池就是将阳光直接转变为电能的元件。
    这种太阳光利用技术,过去仅被用在宇宙卫星、台灯电源和边远地区的通讯电源。现在的价格仍较高(日本资料报道于1984年时其价格为3000日元/瓦),所以应用范围有限。
    如能在太阳能电池的主体材料上加以研究和改进,降低太阳能电池的成本,改进制作太阳电池生产的工艺,这种技术是会得到进一步发展的。如日本曾在对3Kw的个人住宅,20Kw集体住宅,200Kw学校用装置,lOOKw工厂用装置以及1000Kw集中的大容量装置等进行了研究。这些装置的大部分电力,最终将联接到电力系统上去,同现有发电厂组合运行,向形成综合电力调配系统方向发展。
    非晶硅太阳电池的制造,如辉光放电分解法,反应溅射法,真空蒸发法等,多采用真空技术。
    辉光放电分解法:将被稀释的氢和氩等加入到硅烷等低压气体中引起辉光放电,在等离子区分解硅烷,可使非晶硅堆积在低温基板上。
    另一种是反应溅射法:把结晶硅作为阴极,在10-3~10-1托非活性气体中,加上高压使其放电。因放电产生正离子轰击阴极,阴极材料就被溅射出来。如果在阴极附近安置一块低温基板,基板上将堆积起非晶硅膜。
    太阳电池不仅要求高效、廉价和大面积等特点,而且要求暴露在自然条件下具有良好的稳定性。
    非晶硅的优点很多,能在玻璃、不锈钢、塑料等基板上作成大面积廉价的薄膜;比结晶硅光吸收系数大,能带宽度比结晶硅宽。
    核聚变是人类未来的可靠能源,它的实现是全世界人们的愿望。目前,世界上最先进的磁场封闭式托卡马克型核聚变装置,很多国家都在开发研制。美国正在研制TFTR型,欧洲共同体制作JET型,俄罗斯研制T一15型,日本研制JT一60型的托卡马克型核聚变装置。
    大型聚变装置的建造和运行,大大推动了高新技术的开发,特别是真空技术、低温技术、磁体技术、大功率脉冲电源技术和射频加热技术以及遥控处理技术等。
    核聚变装置的真空室用来长时间包容高温等离子体。例如欧洲联合环JET真空室是一个全焊接的双层壁结构的环型容器。总容积为200m3,焊缝总长达8000m。这种真空室漏气率很低,在室温和500℃时要满足3000余年渗入真空室l升气体的极微小的漏率。可控聚变装置用的高真空泵采用涡轮分子泵和低温泵,前者用于检漏,后者则用于抽排聚变反应废气的主泵。工作于4.5K的具有活性炭吸附剂的低温泵,所吸留的废气中,除了氘氚核反应产物氦灰外,还有大量未能参与核反应的氘和氚。把回收后的氘和氚再注入到大环真空室中,把除氚外的杂质气体按环保要求排放出去。
    这种装置的研究,可通过国际合作攻关,人类有望在2l世纪中期建成氘一氚核聚变示范电站,最终目标是提供市场销售用电的核聚变发电站,为2l世纪的新能源和经济发展做出应有的贡献。
    等离子体科学技术和真空科学技术将会得到协同发展,并将为探索宇宙结构和物质起源等重大基础科学研究中起着重要的作用。
    三、对真空技术未来发展的期望
    对未来真空技术的期望,首先希望厂家能研制出方便耐用的设备,朝着用户与厂家相互满足的方向努力。操作要方便,要缩短运转时间或生产周期。因为花费在抽真空上的时间非常长,所以要加以解决。
    真空装置和仪表要高级化,提高设备的寿命和精度。希望在太空中建立真空应用的工厂。空间站和飞船也会释放出自身的气体,真空并不理想,在空间飞船后100米以外的地方才能获得理想的超高真空。要利用微重力条件下宇宙真空环境,为人类服务。
    铝合金真空装置可能代替不锈钢。实现真空装置铝合金化,硬度问题利用离子镀就可以达到实用化。
    真空技术到21世纪将会做为一种重要的技术被继续存在和发展下去。
    今后的发展方向,一是向微小化领域(纳米科技和固体元件的研制),另一个是向巨大化的领域(如核聚变的研究),其中在巨大化装置和使用多种气体的真空装置方面,希望能研制出能够用于从粘滞流领域到超高真空的宽域型真空泵。希望能研制出不经烘烤的超高真空装置或者烘烤100℃就可以了。总之要以方便用户的操作为出发点,得到全世界用户对欢迎。
    我们希望21世纪中真空科学与技术取得更新的成就。真空行业得到更大的发展。



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