教學(xué)用金屬真空蒸發(fā)鍍膜實驗裝置的研制

安奎生，付申成，谷德山

(東北師范大學(xué)，吉林 長春 130024)

教學(xué)用金屬真空蒸發(fā)鍍膜實驗裝置的研制

安奎生，付申成，谷德山

(東北師范大學(xué)，吉林 長春 130024)

介紹了自制的金屬真空蒸發(fā)鍍膜實驗裝置，分析了真空鍍膜的實驗原理，詳述了真空蒸發(fā)鍍膜裝置的操作流程。

真空系統(tǒng)；蒸發(fā)鍍膜；鍍膜室

真空鍍膜屬于薄膜技術(shù)和薄膜物理范疇,廣泛應(yīng)用在電真空，電子學(xué)、光學(xué)、能源開發(fā)、現(xiàn)代儀器、建筑機械、包裝、民用制品、表面科學(xué)、以及原子能工業(yè)和空間技術(shù)中。由于真空鍍膜技術(shù)的迅速發(fā)展，使得電子計算機的微型化成為可能，進而促進了人造衛(wèi)星、火箭和宇航技術(shù)的發(fā)展。

真空鍍膜是指在真空中將金屬或金屬化合物沉積在基體表面上，從技術(shù)角度可分為：蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜、離子鍍膜和束流沉積等4種。真空鍍膜的優(yōu)點是：它可用一般金屬(鋁，鈦等)代替日益缺乏的貴重金屬(金，銀)進行鍍膜，從而降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量；由于在真空環(huán)境下鍍膜，分子碰撞少，污染少，可獲得表面物理研究中所要求的純凈、致密的薄膜；鍍膜時間可人為控制，可得到厚度均勻或非均勻薄膜；被鍍件表面不受損壞，薄膜與基體具有同等的光潔度。

本文介紹了自制金屬真空蒸發(fā)鍍膜實驗裝置，并以在載玻片上鍍鋁膜為例，詳述了裝置的實驗操作流程。

1 實驗裝置

自制金屬真空蒸發(fā)鍍膜實驗裝置主要由真空系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、水循環(huán)制冷系統(tǒng)等3部分組成。裝置設(shè)計尺寸為1 200 mm×800 mm×1 100 mm，極限真空度為5×10-3Pa，總功率為2.5 kW，其實物如圖1所示。

圖1 金屬真空蒸發(fā)鍍膜實驗裝置

1.1 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)由真空獲得設(shè)備、真空測量器件、真空玻璃鍍膜室和真空組裝配件構(gòu)成。

(1)真空獲得設(shè)備

型號為2XZ-4旋片式機械真空泵1臺，TK-150T金屬油擴散泵擴散泵1臺,DN200冷阱1個。

(2)真空測量器件

ZD-I-LED數(shù)字復(fù)合真空計1臺，真空規(guī)管接頭2個，ZJ-53熱電偶規(guī)管1只，JZ-27熱陰極電離規(guī)管1只。

(3)真空玻璃鍍膜室

真空蒸發(fā)鍍膜室是立式圓筒形玻璃鐘罩結(jié)構(gòu)，其直徑為280 mm，高為320 mm，蒸發(fā)器鎢絲直徑為0.5～1 mm,玻璃鐘罩和金屬法蘭采用真空橡膠圈過渡連接。

(4)真空組合配件

GI-150高真空蝶閥1個,DDC-JQ25A電磁真空充氣閥1個,GD-25高真空擋板閥2個,微調(diào)充氣閥1個，波紋管3根，過渡法蘭4個，不銹鋼連接管道(三通、彎頭等)若干件，實驗臺架1個。

1.2 電源控制系統(tǒng)

裝置面板上安有機械泵、擴散泵和蒸發(fā)電源(通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)蒸發(fā)電流，輸出直流0～40 A)控制開關(guān)。外部配置電源電壓分別為380 V，220 V。

1.3 循環(huán)水系統(tǒng)

壓強為1.5 kg/cm2～2.5 kg/cm2，水溫低于20 ℃，冷卻水管長度為8 m，用于金屬油擴散泵冷卻。

2 實驗原理

在平衡狀態(tài)下，若金屬克分子蒸發(fā)熱ΔH與溫度無關(guān)，則飽和蒸氣壓pS和絕對溫度T的關(guān)系為

式中R為氣體普適常數(shù)，k為積分常數(shù)。

在真空環(huán)境下，若金屬表面靜壓強為p，則單位時間內(nèi)從單位凝聚相材料表面蒸發(fā)出的質(zhì)量(蒸發(fā)率)為

式中α為蒸發(fā)系數(shù)，M為克分子量，T為凝聚相材料的溫度。

若真空度很高(P≈0)時蒸發(fā)的分子全部被凝結(jié)而無返回蒸發(fā)源，并且蒸發(fā)出向外飛行的分子也沒有因相互碰撞而返回，此時蒸發(fā)率為

式中k為波爾茲曼常數(shù)，n為氣體分子密度。

p/Pa10001001011×10-11×10-21×10-3λ/m5×10-65×10-55×10-45×10-35×10-25×10-15

3 實驗裝置操作流程

自制金屬真空鍍膜裝置簡圖如圖2所示。

圖2 金屬真空蒸發(fā)鍍膜裝置簡圖

(1)準備工作

將被鍍物(載玻片)清洗烘干后，放在蒸發(fā)器下面法蘭上，在蒸發(fā)器上掛上一定數(shù)量的鋁條(蒸發(fā)物)，蓋上玻璃鐘罩。

(2)抽真空

關(guān)K1，開機械泵電源，慢慢打開K2(此時用手輕輕按住鐘罩，待壓緊為好)，開K3，K4閥門，打開復(fù)合真空計電源，當真空度指示為5 Pa時，打開擴散泵水源和電源，關(guān)上K2。

(3)鍍膜

當真空度達到8 Pa時，將蒸發(fā)調(diào)節(jié)旋鈕逆時針轉(zhuǎn)到零點，開蒸發(fā)電源開關(guān)，順時針緩慢旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)調(diào)節(jié)鈕，當電流在10 A左右，蒸發(fā)物從固體融化成液體，再到氣體，當蒸發(fā)物全部蒸發(fā)完畢時，鍍膜結(jié)束，將蒸發(fā)調(diào)節(jié)降到零，關(guān)掉蒸發(fā)電源開關(guān)。

(4)關(guān)機

關(guān)真空計電源，關(guān)擴散泵電源，關(guān)K4；開K1向鍍膜室內(nèi)充氣，取出鍍件(如圖3所示)；在關(guān)掉擴散泵電源30 min后，關(guān)K3；關(guān)機械泵電源(此時電磁放氣閥DK自動打開充氣)，關(guān)水源，結(jié)束實驗。

圖3 載玻片鍍膜前后比較圖

4 結(jié) 論

該裝置由于實驗現(xiàn)象直觀、狀態(tài)穩(wěn)定、操作方便、造價低，因此非常適合于真空實驗課教學(xué)。管道閥K2，K3與高真空蝶閥K4、充氣閥K1配合，可以將鍍膜室隔離出來，實現(xiàn)在不停真空泵情況下連續(xù)鍍膜，亦可隨時調(diào)整安裝蒸發(fā)器及蒸發(fā)物，而擴散泵仍處在高真空的工作狀態(tài)，這對連續(xù)鍍膜的生產(chǎn)是很有意義的。

[1] 徐成海.真空工程技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006:12-19.

[2] 王欲知，陳旭.真空技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007:21-23.

[3] 達道安.真空設(shè)計手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1991:29-32.

[4] 華中一.真空實驗技術(shù)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社出版，1985:73-79.

[5] 高雁.真空蒸發(fā)鍍膜膜厚的測量[J].大學(xué)物理實驗，2008(4)：72-79.

Development of Experimental Apparatus for Vacuum Evaporation Coating Film

AN Kui-sheng，F(xiàn)U Shen-cheng，GU De-shan

(Northeast Normal University，Jilin Changchun 130024)

Introduced homemade metal vacuum evaporation coating experimental device,analyzed the experimental principle of vacuum coating,detailing operational processes vacuum evaporation coating apparatus.

vacuum system；evaporation coating film；coating chamber

2016-06-20

1007-2934(2016)06-0098-03

O 4-33

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.026