ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

     ГОУ ВПО «Воронежский государственный  технический университет»

     Кафедра оборудования и технологии сварочного производства

     КУРСОВАЯ  РАБОТА

       по дисциплине теоретические  основы прогрессивных технологий

     Тема: «Использование вакуума в современных технологиях»

 
 
 
 
 
 
 
 

     Выполнил:

     Руководитель:

        Защищена _____________                   Оценка ______________ 
 
 
 
 
 

     Воронеж 2009

     Содержание

     Введение…………………………………………………………………3

     1. Вакуум и немного истории ………………………….……………….4

     2. Вакуум в технологиях………………………………………………..9

     2.1 Вакуумное напыление…………………………………………..…..11

     2.2 Вакуумная пайка………………………………………………..…...18

     2.3 Вакуумная сварка…………………………………………………….18

     Заключение………………………………………………………………24

     Список  литературы……………………………………………………...25

     Введение

     Необходимость всесторонней интенсификации экономики  неразрывно связана с ускорением научно-технического прогресса, важнейшими направлениями которого являются создание и освоение принципиально новой  техники и технологии, автоматизация и механизация производства. Выполнение этих задач требует, в частности, развития вакуумной техники, оказывающей определяющее влияние на создание и производство изделий электроники и все более широко используемой в других отраслях промышленности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1. Вакуум и немного истории

     Вакуум, как его понимают в технике, —  это  сильно разреженный газ. Приборы  и устройства, в которых тем  или иным образом используется вакуум, широко применяются в самых разных областях науки и техники. Вакуум был известен еще в далекой древности.  Считается, что первые приборы для получения разреженного воздуха были созданы греческими учеными из Александрии Ктесибием (I век до н. э.) и Героном (I век н. э.). Но долгое время их приборы оставались лишь забавными игрушками — достаточно насущной потребности в вакуумной технике у человечества не возникало вплоть до начала XIX века. В Энциклопедическом словаре Ф. А. Брокгауза и И. А. Ефрона (13 издание, 1890 г.) и Энциклопедическом словаре Гранат (11 издание, 1910 г.) вакууму отведено примерно 0,0002% объема. Доля места, выделяемая этой теме в энциклопедиях, стремительно увеличивается между 1910 и 1930 гг., достигая 0,01% в Большой Советской Энциклопедии (БСЭ, 1 издание). Далее медленно увеличивается еще в 3 раза к 1950 г. (Американская энциклопедия, 22 издание и БСЭ, 2 издание) и затем почти не изменяется вплоть до 1970 г. (Британская энциклопедия, 15 издание и БСЭ, 3 издание). Вакуум нашел свое место, «определился».

       Основной рост объема статей о вакууме в энциклопедиях, пришедшийся на первую треть нашего века, был связан с созданием электровакуумных приборов — ламп накаливания, электронных ламп, кинескопов. Умение достигать высокой степени разрежения газа позволило физикам сделать в конце XIX — начале XX века ряд открытий. Так, например, Т. А. Эдисоном в 1883 г. была открыта термоэлектронная эмиссия и после нескольких лет исследований, проводившихся разными учеными,  Ричардсоном в 1903 г. были установлены ее основные закономерности. А в 1915—1916 гг. И. Ленгмюр нашел законы, которым подчиняются взаимодействие газа с твердым телом и прохождение тока в вакууме. Именно тогда, на заре XX века, были созданы прообразы многих типов современных насосов. А. Малиньяни применил связывание в замкнутом сосуде молекул газа парами фосфора с образованием нелетучих соединений. Дж. Дьюар осуществил разрежение газа путем поглощения его активированным углем, охлаждаемым жидким азотом, В. Гедэ разработал ротационный ртутный насос и молекулярный насос, В. Гедэ, И. Лемгмюр и С А. Боровик — ртутные диффузионные насосы, К. Бэрг — паромасляный диффузионный насос. В те же годы были созданы основные типы приборов для измерения вакуума — компрессионный (Г. Мак-Леод), тепловой (М. Пирани) и ионизационный (О. Бакли) манометры. Без этих насосов и приборов, а также без развития теории вакуумных приборов не получило бы широкого распространения ни электрическое освещение, ни радио, ни телевидение. Трудно представить себе, как выглядела бы в этом случае сейчас человеческая цивилизация. Развитие вакуумной техники позволило установить к концу первой трети нашего столетия наличие трех элементарных частиц — протона, нейтрона, электрона. Вторая волна бурного развития вакуумной науки и техники была связана с созданием крупных ускорителей, установок для получения управляемого термоядерного синтеза и для имитации космического пространства. За первую треть XX века вакуумная техника прошла путь от настольных установок и небольших приборов, давление в которых составляло 0,01 атмосферного, до установок таких же размеров, но в которых достигалось давление на восемь порядков ниже атмосферного.  Во второй трети XX века был совершен переход от настольных приборов к установкам, внутри которых можно поставить не то что стол, но даже небольшой домик. За рубежом с 70-х го- годов объем производства вакуумной техники растет на 30% в год, т. е. в 5 раз быстрее, чем общий объем промышленного производства.

     Если  приглядеться повнимательнее, то в  истории развития вакуумной техники  можно выделить три основных направления: 1) улучшение вакуума (т. е. уменьшение давления газа или концентрации его молекул), 2) увеличение размеров вакуумных приборов и 3) увеличение потоков газа, удаляемого из приборов и установок. Второе и третье направления взаимосвязаны. Казалось бы, размеры сосуда влияют только на время удаления из него газа (откачку) — из большего сосуда придется откачивать дольше. Но это не совсем так. Задача достижения очень малого давления газа — получение так называемого высокого вакуума — состоит не только в том, чтобы просто удалить молекулы газа из сосуда и затем поплотнее его закупорить. Необходимо еще и уметь поддерживать в нем это сильное разрежение среды. Все мы знаем из опыта — если из банки с вареньем съесть все варенье, то бесполезно ждать, пока она наполнится сама. С вакуумом ситуация принципиально иная, и скоро мы узнаем, почему. Процесс «порчи» вакуума настолько важен, что часто говорят не о получении вакуума, а о его получении и поддержании. Потоки газа, которые поступают в установки больших размеров, обычно больше, чем в маленькие. Поэтому проблема больших установок и проблема удаления больших потоков газа часто возникают одновременно.

     Существует  много самых разных вакуумных  приборов, и поэтому многообразны задачи, которые приходится решать при создании этих приборов.

     Если  условно разделить приборы на малые и большие, а также на высоко- и низковакуумные, то получится  четыре группы приборов, каждая со своими характерными особенностями.

     Большинство людей полагают, что вакуум –  это пространство, в котором абсолютно ничего нет. Однако, как утверждают учёные, подобное просто невозможно. Они считают, что не существует такого места, где не было б вообще никакой материи: ни единой молекулы газа или частички пыли. Таким образом, вакуум в действительности является пространством, где очень мало материи. Глубокий вакуум означает почти полное её отсутствие. Однако главную роль в этой фразе играет слово «почти». Одним из наиболее простых способов получения вакуума является откачка воздуха из сосуда, в котором он создаётся. В настоящее время существуют достаточно мощные насосы, способные создавать очень глубокий вакуум, необходимый как для научных, так и для различных производственных целей. Такие насосы, например, создают вакуум в электрических лампочках при их производстве. Если б в лампочке оставался кислород, содержащийся в воздухе, то при её включении нить накаливания сгорела бы за долю секунды.

     Ва́куум (от лат. vacuum — пустота) — среда, содержащая газ при давлениях значительно ниже атмосферного. Вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа λ и характерным размером процесса d. Под d может приниматься расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т.д. В зависимости от величины соотношения λ/d различают низкий (λ/d<<1), средний (λ/d~1) и высокий (λ/d>>1) вакуум.

     Следует различать понятия физического вакуума и технического вакуума.

     Технический вакуум

     На  практике сильно разреженный газ  называют техническим вакуумом. В макроскопических объёмах идеальный вакуум недостижим на практике, поскольку при конечной температуре все материалы обладают ненулевой плотностью насыщенных паров. Кроме того, многие материалы (в том числе толстые металлические, стеклянные и иные стенки сосудов) пропускают газы. В микроскопических объёмах, однако, достижение идеального вакуума в принципе возможно. Мерой степени разрежения вакуума служит длина свободного пробега молекул газа < λ > , связанной с их взаимными столкновениями в газе, и характерного линейного размера l сосуда, в котором находится газ. Строго говоря, техническим вакуумом называют газ в сосуде или трубопроводе с давлением ниже, чем в окружающей атмосфере. Согласно другому определению, когда молекулы или атомы газа перестают сталкиваться друг с другом, и газодинамические свойства сменяются вязкостными (при давлении около 1 Торр) говорят о достижении низкого вакуума(λ < < l). Обычно низковакуумный насос стоит между атмосферным воздухом и высоковакуумным насосом, создавая предварительное разрежение, поэтому низкий вакуум часто называют форвакуум. При дальнейшем понижении давления в камере, увеличивается средняя длина свободного пробега λ молекул газа. При λ > > l молекулы газа уже не сталкиваются друг с другом, а свободно перемещаются от стенки до стенки, в этом случае говорят о высоком вакууме(10^-5 Торр). Сверхвысокий вакуум соответствует давлению 10^-9 Торр и ниже. Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже, в дальнем же космосе и вовсе может достигать 10^-30 Торр и ниже. Высокий вакуум в микроскопических порах некоторых кристаллов достигается при атмосферном давлении, что связано именно с длиной свободного пробега газа.

     Аппараты, используемые для достижения и поддержания  вакуума, называются вакуумными насосами. Для поглощения газов и создания необходимой степени вакуума используются геттеры. Более широкий термин вакуумная техника включает также приборы для измерения и контроля вакуума, манипулирования предметами и проведения технологических операций в вакуумной камере, и т. д.

     Стоит отметить, что даже в идеальном  вакууме при конечной температуре всегда имеется некоторое тепловое излучение (газ фотонов). Таким образом, тело, помещённое в идеальный вакуум, рано или поздно придёт в тепловое равновесие со стенками вакуумной камеры за счёт обмена тепловыми фотонами.

     Физический вакуум

     Под физическим вакуумом в современной  физике понимают полностью лишённое вещества пространство. Даже если бы удалось  получить это состояние на практике, оно не было бы абсолютной пустотой. Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. В некоторых конкретных теориях поля вакуум может обладать нетривиальными топологическими свойствами, но не только, а также в теории могут существовать несколько различных вакуумов, различающихся плотностью энергии, и т. д.

     Некоторые из этих предсказаний теории поля уже  были успешно подтверждены экспериментом. Так, эффект Казимира и лэмбовский сдвиг  атомных уровней объясняется нулевыми колебаниями электромагнитного поля в физическом вакууме. На некоторых других представлениях о вакууме базируются современные физические теории. Например, существование нескольких вакуумных состояний (так называемых ложных вакуумов) является одним из главных основ инфляционной теории Большого взрыва.

     Но, пожалуй, самым наглядным из явлений, которые нельзя объяснить, не используя  идею о нулевых колебаниях вакуума, это спонтанное излучение. Самые  обыкновенные излучающие спонтанно  лампы накаливания не светились бы, если бы вакуум был абсолютной пустотой. Дело в том, что любой объект (а, значит, и возбужденный атом), помещенный в абсолютно пустое пространство, представляет собой замкнутую систему. А поскольку такая система стабильна во времени, то никакого излучения не происходило бы. Уже из этого простого рассуждения понятно, что объяснение спонтанного излучения требует привлечения более сложной модели вакуума, чем классическая абсолютная пустота.

     2. Вакуум в технологиях

     Вакуумные установки больших объемов  понадобились, как это ни странно, для получения высокого вакуума в установках и приборах малых объемов. По мере развития вакуумной техники стало выясняться, что выделение газов из различных материалов, из которых изготовлены отдельные детали прибора, мешает получать высокий вакуум в приборах.

     Действительно: мы удаляем молекулы газа из объема прибора, а в это время другие молекулы выделяются из деталей прибора  и попадают в объем. Но откуда берутся  газы, например, в  металлах? Они содержатся в исходных рудах и, кроме того, попадают в металлы из атмосферы во время различных  технологических процессов, связанных с нагревом, — плавки, сварки, и т. п. Казалось бы, простейший способ этого избежать — проводить в вакууме все технологические процессы,  связанные с нагревом металла. Установки для проведения  технологических процессов в вакууме называют вакуумными  технологическими установками. О таких установках и о происходящих в них процессах пойдет речь в этой главе.

     Однако  легко сказать — поместить в вакуум плавильную печь или прокатный стан! Несмотря на огромную трудность решения такой задачи, все же делались попытки создать даже целые металлургические производства в вакуумированных или наполненных инертными газами помещениях (инертные газы в металлах не растворяются или растворяются слабо). Люди в таких цехах работали в специальных скафандрах,  напоминающих космические (скафандр космонавта — тоже  вакуумный прибор!). Однако широкого распространения эти производства не получили — очень уж дорога и сложна их  организация. Но отдельные технологические процессы в вакууме  проводят. В основном это процессы, связанные с сильным  нагревом легко окисляюшихся металлов: плавка, пайка, а также сварка и резка электронным или лазерным лучом вольфрама, молибдена, тантала, ниобия и титана. Кроме того, в вакууме производят очистку металлических деталей путем сильного  нагрева или очистку металлов переплавом. При нагреве увеличивается скорость диффузии и металл быстро обезгаживается при условии, что он нагревается и плавится в вакууме или в инертном газе. Например, удаление водорода из  металла будет происходить при переплаве металла в аргоне,  хотя оно будет происходить медленнее, чем при переплаве в вакууме. При переплаве в аргоне удаление водорода идет медленнее потому, что часть уходящих из металла молекул водорода будет сталкиваться с атомами аргона и тут же возвращаться в металл, а в хорошем вакууме вероятность такого явления много меньше.