薄膜材料-第1章

1.4.5低温吸附泵 影响真空度的因素： 主要有低温温度、 吸附物质的表面积、 被吸附气体的种类 等。 Po = Ps(300/T)0.5
工作特点：极限温度可达10-1－10-8Pa；成本高， 可在无油高真空环境中使用。除气：在200oC。
1.4.6溅射离子泵
1.4.7钛升华泵
为了克服钛升华 泵吸附惰性气体 差的缺点，通常 把它与溅射离子 泵配合使用或组 合成复合钛泵， 这样就可发挥各 自的长处。
f(P)=K2P QG=K1+K2P Q=QR+QL+K1+K2P=K+K2P Q可以通过热电偶上的电动势ε来表示。
ε→P。
工作特点： 热偶真空规对不同气体的测量结果是不同的， 这是由于各种气体分子的热传导性能不同，因 此在测量不同气体时，需进行一定的修正。对 不同气体，各有不同的修正系数。 测量大致范围102-10-1Pa，过低或过高，会使得 其灵敏度下降。 1.5.2皮拉尼(Pirani)真空规
42%
50%
刀具
金属陶瓷刀具
2%
陶瓷刀具
6%
注:数控刀具及高速洗削中的球头铣刀100% 涂层
TiN是第一个产业化并广泛应用的硬质薄膜材料。
TiC 和TiCN，其显微硬度也从TiN 的20GPa提高 到大约28GPa。
类金刚石薄膜：DLC(Diamond like carbon)，最具工业应用 前景，最具魅力的薄膜材料。 特点： 表面极其平滑，摩擦系数低， 具有极好的润滑性，高硬度， 高耐磨性，绝缘膜。
Chapt.7 薄膜材料的应用
薄膜材料的应用
1.机械工业: 力功 能(硬质,润滑). 2.电子学: 电功能 (超导). 3.磁学: 磁功能. 4.光学: 光功能 (隐身).
1.机械工业 1.1硬质薄膜材料
欧美发达国家各种刀具所占比例
分类
所占比例 涂层比例
硬质合金刀具
50%
80%
高速钢与工具钢
R
P
高真空最常用的测量手段： 电离真空规，薄膜真空规 1.5.3电离真空规
工作原理： 阴极发射出来的电子将在飞向阳极的过程中碰 撞气体分子，使气体分子电离。由离子收集极 接收电离的离子。 离子电流强度Ii与发射电子流Ie、气体的压强P 有如下线性关系 Ii＝kIeP。 工作特点： 可测压力上限不得超过1Pa左右，下限一般控制 在 10-6Pa ； 在 使 用 之 前 ， 常 进 行 除 气 处 理 (510min)。
2.电子学 2.1新型半导体薄膜材料
2.2高温超导薄膜材料
3.磁学
4.光学
隐形薄膜
Chapt.1 真空技术
1.1气体分子运动论基本概念 1.1.1气体分子的平均运动速度
1.1.2气体的温度与压力 PV = nRT
1.1.3气体分子的通量 Φ = nv/4 赫兹-克努森(Hertz-Knudsen)公式： Φ = 3.52×1022 P/(MT)0.5 (Torr/cm2.s)
1.4.1旋片式机械真空泵
极限真空度可达10-1Pa
1.4.2罗茨泵 工作原理：在泵腔内，有 二个“8”字形的转子相互 垂直地安装在一对平行轴 上，由传动比为1的一对齿 轮带动作彼此反向的同步 旋转运动。在转子之间， 转子与泵壳内壁之间，保 持有一定的间隙，可以实 现高转速运行。
0° 90°
180°
1.5真空的测量 真空规 低真空最常用的测量手段： 热偶真空规，皮拉尼（Pirani）真空规 1.5.1热偶真空规
工作原理：
体系中的压强与热电
偶的电动势之间存在
这样一种关系
P↓→ε↑。因此，测
ε
出了电动热，就可以
求出体系的压力。
具体的定量关系：
Q=QR+QL+QG Q-电热丝总发热量, QR-热辐射, QL-支持架的热传 导, QG -气体分子与热丝碰撞而带走的热量 QG=K1+f(P) 在低气压下，气体的导热系数与P成正比，
1.5.4薄膜真空规
工作原理：
C
P
1.5.5真空规适用范围
1.5.6温度对真空测量的影响 黏滞流态：
温度差造成的测量误差趋近于零。 分子流状态：
pc Tc
pm
Tm
Tc,Tm分别是真空室和测量点处气体的温度， Pm,Pc为测量气压和实际气压。
1.3.3真空区域划分
1.4真空的获得 真空泵 >输运式真空泵： 通过将气体不断吸入并排出真空泵而达到排气的目 的。 旋片式机械真空、罗茨泵、涡轮分子泵、油扩散泵。 >捕获式真空泵： 利用各种吸气材料所特有的吸气作用将被抽空间的 气体吸附，以达到所需真空度。 低温吸附泵、溅射离子泵、钛泵 。
Байду номын сангаас
>前级泵： 直接从大气压下开始抽气，如机械泵、吸附泵等。 >次级泵： 只能从比大气压低的某一定压强下开始抽气，使 系统达到更高极限真空度，如扩散泵、钛泵等。
>毫米汞柱(mmHg) >托(Torr) >帕斯卡(Pa) >标准大气压(atm) >巴(bar) >工程大气压(at)
1atm=1.01325×105 Pa; 1mmHg=133.322 Pa; 1Torr=133.322 Pa; 1bar=105 Pa; 1at=9.80665×104 Pa.
使用扩散泵时要注意： 开扩散泵前必须先用机械泵将系统包括扩散泵本 身抽至1帕的预备真空，然后先通水后通电加热 泵油。工作过程中必须保证冷却水畅通。停机时， 先断开扩散泵加热电源，大约３０分钟泵油降至 室温时，再断冷却水，最后断开机械泵电源。这 样操作可防止或减小泵油氧化变质，提高真空的 清洁程度，延长使用寿命，保证系统的极限真空 度。 1-10-6Pa范围内工作。
使用要求： 启动钛升华泵需要1～10-2帕的预真空，同时进行 烘烤去气（泵每次暴露于大气压后都要进行烘烤 去气）。烘烤去气是获得超高真空的必要条件。 泵经彻底烘烤去气后，可以获得低的极限压力和 缩短达到极限压力的抽气时间，还能使泵壁更清 洁，沉积的钛膜不易脱落和避免放气等。一般以 300～400℃温度烘烤12～24小时。泵启动后泵壁 不宜马上冷却，应让升华的钛在其上沉积几分钟 后再冷却，这样钛膜就不易脱落。
1.1.4气体分子的平均自由程
1.2气体的流动状态 分子流状态： 黏滞流状态：层流状态，紊流状态
Kn准数: Kn D

分子流状态 Kn<1
黏滞流状态 Kn>110
过渡态
Kn=1-110
Re准数: Re vd
紊流状态 Re>2200 层流状态 Re<1200 过渡状 Re=1200-2200
工具，模具及摩擦运动零部件表面改性的理想材 料。
1.2超硬薄膜 指维氏硬度在40GPa以上的硬质薄膜。
1.2.1 纳米超晶格超硬复合膜
1.2.2 纳米晶-非晶超硬复合膜
这类硬质薄膜的结构特点是一种硬质相,通常是
过渡金属的氮化物以纳米尺度的微细晶粒嵌含在 另一种非晶中,可以获得超过40GPa的超高硬度。 硬质相的晶粒尺寸是影响复合膜硬度的主要因 素。 第二相为非晶,它应具有足够可塑性,和纳米晶粒 形成坚固的界面,避免晶界滑移是提高复合膜硬 度的关键技术。
“硬质薄膜材料的最新发展及应用”---《真空》, 2003,6,1-5.
1.3 装饰用薄膜 1.4 固体润滑膜 固体润滑材料是一种重要的润滑材料，它是一类概念上 与传统润滑材料（润滑油、润滑脂）完全不同的新型润 滑材料，与传统润滑材料在摩擦界面上形成某种形式的 流体或半流体膜而起到有效的润滑作用相对应，固体润 滑材料主要是依靠材料本身及其转移膜的低剪切特性而 具有优良的抗磨和减摩的作用。固体润滑材料在性能上 极大突破了传统液体润滑材料的使用极限，这为解决现 代航天航空高技术机械急需解决的超低温、高温、超高 真空、微重力、强辐射、高速高负载、特殊介质等典型 特殊工况条件下的摩擦磨损问题提供了强有力的技术支 持。
特点： 靠新鲜钛膜的化学吸附作用抽气的真空泵。这 种泵具有结构简单、抽速大、无油污染、抗辐 射和无振动噪声等特点,启动压力为1～10-2帕， 工作压力范围为10-2～10-8帕,是获得无油超高 真空的重要真空泵。钛升华泵在电子器件、高 能加速器、可控热核反应装置和空间模拟装置， 以及表面物理试验等方面都得到广泛的应用。 极限压强：可达10-10Pa。
45° 135°
极限真空 度可达102Pa，实际 工作压力 范围为 0.1-103Pa
1.4.3涡轮分子泵
http://www.edwardsvacuum.com.cn/products/edwards_turbo_pump.asp
1.4.4油扩散泵
工作原理： 油扩散泵用前级泵预抽到低于1帕真空时，油 锅可开始加热。沸腾时喷嘴喷出高速的蒸气流 ﹐热运动的气体分子扩散到蒸气流中﹐与定向 运动的油蒸气分子碰撞。气体分子因此而获得 动量﹐产生和油蒸气分子运动方向相同的定向 流动。到前级﹐油蒸气被冷凝﹐释出气体分子 ﹐即被前级泵抽走而达到抽气目的。
1.3真空的基本知识 真空技术发展到今天已广泛的渗透到各项科学技 术和生产领域，它日益成为许多尖端科学、经济 建设和人民生活等方面不可缺少的技术基础。作 为现代科学技术主要标志的电子技术、核技术、 航天技术的发展都离不开真空，它涉及冶金、化 工、医药、制盐、制糖、食品等工业都广泛使用 真空技术。
1.3.1真空定义 自然真空 人为真空 真空：一种比较科学的定义是，真空就是低于一个 标准大气压的气体状态。 目前所能获得的最高真空度约为1×10-11Pa。 1.3.2真空度量单位 真空度的高低可用多个参量来度量，最常用的有 “真空度”和“压强”。此外，也可用气体分子密 度、气体分子的平均自由程等来表示。
扩散泵油成分一般为有机硅类化合物。在扩散 泵的工作过程中，泵油起着重要的作用。一般 对泵油有如下要求： 1）理论上讲，扩散泵的极限真空取决于泵油的 蒸气压。在室温下，一般要求油的饱和蒸气压 应低于10-4Pa。 2）在蒸发温度下，泵油应具有尽可能大的蒸气 压。 3）泵油应具有良好的化学稳定性、热稳定性和 抗氧化性。