东北大学真空冶金理论与技术期末复习题及答案

真空冶金理论与技术复习题及答案真空冶金理论与技术复习题及答案 真空基础真空基础 1 什么是 气体 分子密度 分子的平均自由程 分子入射率 吸附 解吸 物质的蒸发 速率 流量 2 计算粗真空 中真空 和高真空环境中气体分子的密度 3 简述黏滞流 分子流的基本特征 4 真空系统由哪些部件构成 真空系统应满足哪些基本要求 5 真空系统中要达到 0 1Pa 的压强 需要什么抽气和测压设备 6 流导的大小由什么确定 用公式推证流导对有效抽速的影响 7 扩散泵为什么要在较低压强下工作 其抽气原理是什么 8 金属高真空系统包括哪些结构部件 如何进行操作和维护 9 麦氏真空计的工作原理是什么 为何可以作为校核其他真空计的标准 10 一套真空系统在开始使用后发现真空度达不到要求 可能由哪些因素构成 如何解决 11 真空冶金的主要特点是什么 真空蒸馏真空蒸馏 1 环境压力如何影响金属的蒸发速率 如何解释环境压力与金属蒸发速率之间的关系 2 金属在真空中蒸发和在大气中蒸发有何区别 如何利用其为生产服务 3 什么是蒸气密度 如何判断合金中各组分用真空蒸馏分离的可能性 4 试分析铅 铋合金用真空蒸馏分离的可能性 5 已知锌在 1179K 763K 692 5K 时的饱和蒸气压分别为 1 013 105Pa 1 33 102Pa 13 3Pa 试计算锌在三种条件下的蒸气密度 并计算锌蒸 气从沸点降至熔点时锌的冷凝率 6 如何利用真空技术制备超细金属粉末 7 一级蒸馏和多级蒸馏各自的特点有哪些 8 如何进行铅 铋合金的真空蒸馏分离 真空基础真空基础 1 什么是 气体 分子密度 分子的平均自由程 分子入射率 吸附 解吸 什么是 气体 分子密度 分子的平均自由程 分子入射率 吸附 解吸 物质的蒸发速率 流量 物质的蒸发速率 流量 气体分子密度 气体分子密度 理想状态下单位体积内的分子数 平均自由程 平均自由程 一个分子连续两次碰撞之间移动的距离称为 自由程 在此距离内分子自由运动 没 有发生碰撞 众多分子自由程的平均值被称作 平均自由程 气体分子自由程由气体分子 速度和分子间的碰撞数来确定 分子入射率分子入射率 单位时间内向单位面积的器壁上碰撞的分子数目 吸附 吸附 表面吸附 当气体分子碰撞固体表面时 就可能被该表面所 捕获 暂时停留在其上面 物理吸附 在一个原子距离内气体分子受到固体离子电场吸引的结果 化学吸附 由表面剩余价键力所引起 与气体种类 温度等有关 气体解吸 脱附 吸附在固体表面上的气体分子释放出来的过程 在真空中 分子流的条件下 物质表面的分子飞向空间形成的蒸发 由液相变为气相 或升华 由固体变成气体 达到平衡时飞出的分子数等于分子入射率 即为物质的蒸发速 率 流量 气体量流率 单位时间流过特定界面的气体量 Pa m3 s 2 计算计算粗真空 中真空 和高真空粗真空 中真空 和高真空环境中气体分子的密度 环境中气体分子的密度 PV nRT R 8 314J mol 1 K 1 T 293 15K M 29g mol 计算得粗真空 中真空 和高真空的气体分子密度 3 简述黏滞流 分子流的基本特征 简述黏滞流 分子流的基本特征 黏滞流 湍流状态 气体的压强和流速较高 气体的流动是惯性力起作用 气体流线不直 层流状态 气体压强仍然较高 分子间的碰撞数多于与容器壁的碰撞数 内摩擦力起主要 作用 气体的流线呈直线 分子流状态 气体压强较低 分子与容器壁碰撞为主 内摩擦力已不存在 通过管道的气 体量与管道两端的压差成正比 3 真空系统由哪些部件构成 真空系统应满足哪些基本要求 真空系统由哪些部件构成 真空系统应满足哪些基本要求 真空系统 由真空泵 真空计及其他元件 如阀门 冷阱等 按一定要求组合而成 具有抽气功能的装置 真空系统的基本要求 真空度压强 Pa 粗真空1 01 105 133 31 59 1 2 103g m3 中真空 133 3 1 33 10 1 1 59 10 3 1 59g m3 高真空 1 33 10 1 1 33 10 5 1 59 10 71 59 10 3g m3 1 在被抽器件 工作室 中获得所需的极限真空度和工作真空度 极限真空度 系器件无漏气 无放气时所能达到的真空度 工作真空度 器件在进行真空处理时所能维持的真空 2 在被抽器件 工作室 中获得所需的抽速 抽速大小取决于达到工作真空度所需的时 间 3 在被抽器件 工作室 中有合适的残气成分 例如 排氧化物阴极器件的真空系统 残气中不应含有硫 氯或其化合物 排高压器件的真空系统 不应含有碳氢化合物 此外 真空系统须满足结构简单 操作维护方便 价格便宜等要求 同时 根据要求选择 泵 确定管道尺寸及配置 确定装配工艺等 5 真空系统中要达到真空系统中要达到 0 1Pa 的压强 需要什么抽气和测压设备 的压强 需要什么抽气和测压设备 由于不同的泵所处的压强工作范围不同 因此单个的泵有可能无法达到工作目的 应 当使用不同的真空泵组合 或者使用多级真空泵来达到目的 假设是对常压进行抽真空 那么可以采用这样的设备来达到目的 1 二级旋片真空泵 105Pa 到 10 1Pa 油扩散泵 1 33Pa 到 1 33 10 7Pa 2 五级蒸气喷射泵 1 013 105Pa 到 4Pa 涡轮分子泵 13 3Pa 到 6 67 10 8Pa 6 流导的大小由什么确定 用公式推证流导对有效抽速的影响 流导的大小由什么确定 用公式推证流导对有效抽速的影响 由流导的公式 知流导 C 由两端压差 p1 p2 和流量 Q 确定 推证如下 式中 S0 泵的抽速 Se 有效抽速 C 管道的流导 p1 p2 容器 泵入口处的压强 由于C S0 均为正数 所以总有 Se S0 只有当 C 时 才有 Se S0 即流导很大时 有效抽速才接近泵的抽速 在 C 很小时 有 Se C 这时有效抽速与泵的抽速无关 7 扩散泵为什么要在较低压强下工作 其抽气原理是什么 扩散泵为什么要在较低压强下工作 其抽气原理是什么 以油扩散泵为例 油扩散泵 是一种蒸气流泵 是利用低压 高速和定向流动的油蒸气射流抽气的真空 泵 因而在低压 10 10 7Pa 范围内有较大抽速 工作原理 电加热器将泵内的油加热 油蒸气沿中心导管上升至各层的伞形喷嘴高速 喷出 形成一定方向的射流 射流上方的气体分子因密度差而向油蒸气中扩散 并被射流 携带到水冷的泵壁处 油蒸气大部分被冷凝成油滴沿泵壁回流至油锅 而气体分子则被推 送压缩至前级泵抽空系统而排出 气体分子在每一个喷口被压缩一次 各喷口处的压强都 不一样 越往上越低 8 金属高真空系统包括哪些结构部件 如何进行操作和维护 金属高真空系统包括哪些结构部件 如何进行操作和维护 构件构件 由电离规管 真空室 扩散泵 热电偶管 挡板阀 放气阀 电磁阀 机械泵 等部件构成 操作和维护 操作和维护 机械泵与双通活栓用胶管连接 当系统使用完毕后 将活栓通向大气 防止机械泵返 油 保持扩散泵真空 需要高真空时 可在扩散泵上加液氮冷阱 预抽时气体通过扩散泵再到机械泵 将因路程长而耗费更多的时间 设置预抽阀时 预抽 时开启此阀 达到要求后关闭 当扩散泵返油严重时 需要加挡板 如要求更高真空 可 加冷阱 设置的前置真空室可起到前级压强稳定作用 为防止突然停电时会自动封闭真空 系统 可采用电磁阀 9 麦氏真空计的工作原理是什么 为何可以作为校核其他真空计的标准 麦氏真空计的工作原理是什么 为何可以作为校核其他真空计的标准 麦氏真空计 玻璃球的内部体积包括 A A 线以上部分 V 上部还连接一玻璃毛细管 内径不宜小于 1mm 玻璃球右边设有玻璃管 其顶部 D 接待测系统 玻璃球下端管 E 接水银贮槽 升降和转动水银 贮槽时整个仪器内的水银面可以升降 工作时先将水银面降至 A A 线以下 此时玻 璃球 毛细管 右边管中压强相等 升高水银面至 A A 线 此时玻璃球和毛细管 的体积之和为 V V 其中 V 是毛细管的容积 则体积与压强之积为 p V V 继续升高水银面 右侧管内水银面可升至 C C 麦氏真空计工作原理图 玻璃球 线 而左侧只能升至 F F 线 左右两边水银面高度差为 h 设 h 高的毛细管内体积为 V 其所受压强为 p h 则体积与压强之积为 p h V 由玻玛定律 得待测压强 p 由于 V 比 V V 大百倍以上 因此可将 V V 忽略 则 设毛细管的内径为 d 得 得 设 则 将毛细管高度对应的 P 值刻度出来 使用时读数即可 麦氏真空计是直接测压计 不涉及将物理量转化电信号 因而比较可靠 故可用来校 核一些间接读数的真空计 10 一套真空系统在开始使用后发现真空度达不到要求 可能由哪些因素构成 一套真空系统在开始使用后发现真空度达不到要求 可能由哪些因素构成 如何解决 如何解决 1 真空泵工作不正常 抽气不好 如工作时部件受损 转子和定子上出现缝痕而结合不 好 装配时密封不好 长期使用后进入灰尘 水汽或油变质 2 系统放气 不易抽到应有的真空度 如部件吸气 挥发性的气源 使用前除气不够 3 漏气 系统各部件 管道接头处可能存在缝隙 部件焊缝处存在孔和缝 部件材料本 身可能有微小孔隙 若为漏气 可用充气法 抽气法检查漏气位置 充气法 将受检的零件或系统的一部分隔开 往里面充气 5atm 此时里面压强大于外 界 漏气的孔隙就向外界喷气 用特定物质进行检验可确定漏气部位 如火苗 声音 肥 皂水 氨气等 由气泡的大小 形状 气泡形成的快慢可以估计漏孔的大小 抽气法 将待测的系统抽空 则漏的地方就会渗入气体 在系统与泵之间安装一种仪器来 检定漏人气体的成分 用一种特定的气体向系统可能漏气的地方喷吹 吹至漏气处则气体 被吸入 仪器上就会反映此气体存在于系统内 可决定漏孔的位置 11 真空冶金的主要特点是什么 真空冶金的主要特点是什么 1 有利于一切增容反应 2 真空中气体稀薄 很少有气体参加反应 3 可控制系统内外物质流动 4 没有污染 5 气体分子小 真空蒸馏真空蒸馏 1 环境压力如何影响金属的蒸发速率 如何解释环境压力与金属蒸发速率之间环境压力如何影响金属的蒸发速率 如何解释环境压力与金属蒸发速率之间 的关系 的关系 1 一定温度下当系统压强大于临界压强 Pcrit时 随着系统压强的减小 金属的蒸 发速率明显提高 而当系统压强小于临界压强 Pcrit时 金属的蒸发速率趋向于一个定值 2 金属蒸发速率的表达式 当 Pi P残时 Pi 可省略 而温度一定和设备不变时 x k 皆为定值 则 当 Pi P残时 即在 Pcrit crit附近 则 当 Pi P残时 P残可省略 则 2 金属在真空中蒸发和在大气中蒸发有何区别 如何利用其为生产服务 金属在真空中蒸发和在大气中蒸发有何区别 如何利用其为生产服务 两者蒸发速率不同 温度一定时 真空度越大 单位体积分子数越少 大气条件下 气体中含有的气体分 子数较多 分子间距离较小 因而碰撞程度很大 必然减小蒸发速率 而真空条件下 气 体中含有的气体分子数较少 分子间距离也较大 因而碰撞不那么频繁 蒸发所受阻力小 蒸发速率增加 生产上 为了增加真空蒸发的速度 可以通过增大系统的真空度 使待蒸馏物质蒸发 速率增加 进而提高生产的效率 增加真空度 亦可以使金属蒸发的温度降低 3 什么是蒸气密度 如何判断合金中各组分用真空蒸馏分离的可能性 什么是蒸气密度 如何判断合金中各组分用真空蒸馏分离的可能性 1 蒸气密度用表示 其等于气体中的分子密度与单个分子的质量之积 2 引入比例系数 A 也称为分离系数 分离系数可用于判断能否用蒸馏法分离或分离的难易程度 A 1 不易分离 A 1 容易分离 4 试分析铅试分析铅 铋合金用真空蒸馏分离的可能性 铋合金用真空蒸馏分离的可能性 可用分离系数值 A 值来判断铅 铋合金能否用真空蒸馏方法分离 且这种方法亦较 为可靠 对铅铋二元系进行热力学分析与计算表明 当 Bi在 0 60 0 99 时 A 值在 1 272 2 277 之间 即 A 1 表明此时铋将在 气相中富集 当 Bi在 0 1 0 30 时 A 值在 0 547 0 73 即 A 1 表明铅将在气相中富集 当 Bi 在 0 40 0 50 时 A 值在 0 906 1 056 A 接近于 1 此时可能存在恒沸 点混合物 难以用蒸馏法把铋和铅分离开 蒸馏操作时 一般需经多级蒸馏才能得到精铋和精铅 最佳条件为将蒸馏条件控制在 温度 850 真空度 40Pa 料层厚度 30g 蒸馏时间 40min 经两段真空蒸馏可将铋中的含铅 从 2 降到 0 01 可达到符合国标 2 号精铋的要求 5 已知锌在已知锌在 1179K 763K 692 5K 时的饱和蒸气压分别为时的饱和蒸气压分别为 1 013 105Pa 1 33 102Pa 13 3Pa 试计算锌在三种条件下的蒸气密度 试计算锌在三种条件下的蒸气密度 并计算锌蒸气从沸点降至熔点时锌的冷凝率 并计算锌蒸气从沸点降至熔点时锌的冷凝率 由克拉伯龙方程 PV nRT 得 将各物理量代入 得到下表 锌的沸点 1179K 熔点 692 5K 采用公式计算蒸气密度改变值 将 Pi 1 013 105Pa Pi 13 3Pa 代入 得 i 7 293 10 4Pa 冷凝率为 99 9 6 如何利用真空技术制备超细金属粉末 如何利用真空技术制备超细金属粉末 1 1 VEROSVEROS 法法 蒸发室为厘米的水冷不锈钢钟罩 在其中 央的上部有一带有中心小孔的圆盘 由变速马 达带动旋转 冷却液体从圆盘中心孔供给 当 圆盘旋转时 借离心力作 用 供给的液体在 圆盘下面形成连续膜 当金属原子与液体相遇 随即冷凝弥散于液体中 并随之带走 积于收 集器中 2 2 冷冻法冷冻法 制粉时先将试样放在钨丝加热器中 蒸发室抽至 10 6 托以下 关闭真空阀 引入有机溶剂 如乙醚 再将盛液氮的容器升至蒸发室底部 使有机溶剂凝固 并通入少量氦气 然后加热蒸发 金属蒸气在固态有 机溶剂表面上冷凝沉积下来 当表面变为淡褐色时 停止蒸发 移下液氮容器 有机溶剂 回复为液体 沉积的细粉则弥散于溶剂中 返复操作 直至溶剂中收集所希望的粉量为止 最后蒸发溶剂 即得超细粉末 7 一级蒸馏和多级蒸馏各自的特点有哪些 一级蒸馏和多级蒸馏各自的特点有哪些 一级蒸馏的特点 一级蒸馏的特点 方法简单 但不易处理复杂情况 粗金属中杂质元素挥发性与主体金属差别不大 杂质挥发量很大 难以达到分离要求 粗金属中杂质浓度发生变化 其在真空蒸馏开始阶段和后续阶段的挥发速率不同 会导 致总的挥发效率降低 一级蒸馏为间断作业 单台设备的生产效率低 多级蒸馏的特点 多级蒸馏的特点 相当于多次的一级蒸馏 产品质量高 设备生产效率显著增加 8 如何进行铅如何进行铅 锑合金的真空蒸馏分离 锑合金的真空蒸馏分离 图图 1 1 不同温度下不同温度下 Pb SbPb Sb 合金分离系数合金分离系数 图图 2 2 不同温度时不同温度时 Pb SbPb Sb 合金中合金中 SbSb 在在 气相和液相中的成分分布图气相和液相中的成分分布图 从图 1 可以明显看出 在 Pb Sb 二元合金体系 Pb Sb 合金 Sb 分离系数在同一成分下 随着温度的升高而降低 在相同温度条件下分离系数随合金中 Sb 含量的增加而增加 其原 因为温度升高 Sb 含量增大导致