高真空镀膜的系统设计 二(三)

  
图1-2-7增压泵的输出流量与输出压力的关系
 6、罗茨真空泵
 在真空镀铝系统中，两个罗茨泵是用来对真空壳进行抽取真空的，以下是有关罗茨泵的特点和工作原理。
 （1）罗茨真空泵的特点
 罗茨真空泵（简称罗茨泵）是一种旋转式变容真空泵。它是由罗茨鼓风机演变而来的。根据罗茨真空泵工作范围的不同，又分为直排大气的低真空罗茨泵；中真空罗茨泵（又称机械增压泵）和高真空多级罗茨泵。一般来说，罗茨泵具有以下特点：
①在较宽的压强范围内有较大的抽速；
②起动快，能立即工作；
③对被抽气体中含有的灰尘和水蒸气不敏感；
④转子不必润滑，泵腔内无油；
⑤振动小，转子动平衡条件较好，没有排气阀；
⑥驱动功率小，机械摩擦损失小；
⑦结构紧凑，占地面积小；
⑧运转维护费用低。
因此，罗茨泵在冶金、石油化工、造纸、食品、电子工业部门得到广泛的应用。
罗茨泵的工作结构图如图1-2-8所示：
图1-2-8
 
 （2）罗茨泵的工作原理
　　罗茨泵的结构如图所示。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。由于罗茨泵是一种无内压缩的真空泵，通常压缩比很低，故高、中真空泵需要前级泵。罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外，还取决于前级泵的极限真空。为了提高泵的极限真空度，可将罗茨泵串联使用。
　　罗茨泵的工作原理与罗茨鼓风机相似。由于转子的不断旋转，被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间v0内，再经排气口排出。由于吸气后v0空间是全封闭状态，所以，在泵腔内气体没有压缩和膨胀。 但当转子顶部转过排气口边缘，v0空间与排气侧相通时，由于排气侧气体压强较高，则有一部分气体返冲到空间v0中去，使气体压强突然增高。当转子继续转动时，气体排出泵外。
 如图为罗茨泵转子由0°转到180°的抽气过程。在0°位置时，下转子从泵入口封入v0体积的气体。当转到45°位置时，该腔与排气口相通。由于排气侧压强较高，引起一部分气体返冲过来。当转到90°位置时，下转子封入的气体，连同返冲的气体一起排向泵外。这时，上转子也从泵入口封入v0体积的气体。当转子继续转到135°时，上转子封入的气体与排气口相通，重复上述过程。180°位置和0°位置是一样的。转子主轴旋转一周共排出四个v0体积的气体。
 7、扩散泵
 在真空镀铝系统中，两个扩散泵是用来来对真空壳的气体进行全方位的扩散，使真空壳的各个部位的真空度保持一致。
 是利用高速滚动的蒸气流，将被抽容器中的空气带走而获得真空的装置。这种真空泵一般不适于直接在大气压下工作，而是在一定的真空度下工作，即需要一种所谓预备真空，因此它要与机械泵连在一起使用。由于工作物质的不同又可分为水银扩散泵和油扩散泵。泵底的工作物质由电炉加热成蒸气，高速流动的蒸气流在喷口处将跟经抽气管从被抽之容器中吸入的空气混合后由喷口喷出。被携带的空气由旋转油泵经E抽出泵体，而工作物质则由于泵壁受循环水低温的作用，冷凝后从U形缓冲管返回泵的底部，工作物质的不断循环，将使被抽容器中真空度达到10-4～10-7毫米高水银柱。，其中经常积存一段油，以防止油被前级泵抽走。其工作原理是，当油的蒸气流喷出时，就会气体分子带走，被带走的气体分子，在喷气口管外的下部积存，其压强要超过机械泵的极限压强，故被前级的机械泵抽走。如此不断地工作，直到存积气体分子的压强再也不能超过机械泵的极限压强为止，这样就使联通的容器中的压强达10-7毫米高水银柱的程度。由于扩散泵对预备真空的要求甚高，故单级扩散泵很难抽到很高的真空度。为降低对预备真空的要求和得到更大的抽气率，目前广泛采用多级扩散泵，即由多个喷口串联或并联起来的扩散泵，这种改良后的多级扩散泵，可达到10-9毫米高水银柱的真空度。
　　各种蒸气扩散泵都有一个限制，即饱和蒸气压的限制，故蒸气扩散泵不可能得到比饱和蒸汽压更低的真空度。为克服这一缺点，除选择饱和气压尽量低的液体外，常在扩散泵和待抽容器之间，加一个液态空气或液态氮气的冷凝陷阱，在这种低温之下可使饱和蒸气气压大大降低，从而可大大提高被抽容器的真空度。
　　因为油的饱和蒸气压很低，故用油作工作物质可不用冷凝陷阱，也能获得较高的真空度。所用的油一般为高分子油，但由于油液包含的成分都较复杂，并且在工作中容易受热分裂或发生氧化，所以对抽气效率会产生影响。另外，由于油的成分复杂，各种成分的蒸气压高低不同，因此泵的结构也要相应地改变，故一般油扩散泵上都有分馏装置，而没有冷凝陷阱的装置。
 扩散泵中的工作物质如用水银，其工作原理与油略同。第二章  蒸镀方法与工艺
§1蒸镀方法
 在基材表面蒸镀铝的方法有直接蒸镀法和转移法两种。　　1、直接蒸镀法。是被镇基材直接通过真空镀膜机，将金属铝蒸镀在基材表面而形成镀铝薄膜。直接蒸镀法对基材的要求较高，尤其是要形成表面光亮的金属膜，必须要求基材具有较好的表面平滑度。　　如果纸张的表面较粗糙，要采用直接蒸镀法，在镀铝前需先进行表面涂布。另外，在蒸镀过程中基材的挥发物要少。因此直接蒸镀法对基材有较大的局限性，它主要适合于蒸镀塑料薄膜，也可用于纸张的蒸镀，但纸张的质量要求高，并对纸的定量有一定的限度。　　2、转移法。是借助载体膜(真空镀铝膜)将金属铝层转移到基材的表面而形成镀铝薄膜。转移法是在直接蒸镀法的基础上发展起来的新工艺，它克服了直接蒸镀法对基材要求的局限性，尤其适合于在各种纸及纸板上进行镀铝，也可用于塑料薄膜的镀铝。　　目前国外已将转移法应用到布、纤维、皮革等基材的镀铝产品上。我国主要采用转移法生产镀铝纸。
§2 蒸镀铝工艺　　1、塑料薄膜镀铝工艺
 塑料薄膜的镀铝工艺较简单。BOPET、BONY、薄膜基材镀铝前不需进行表面处理，可直接进行蒸镀。而用BOPP、PE等非极性塑料薄膜时，在蒸镀前需对薄膜表面进行电晕处理，使其表面张力达到38X10－5N～40X10－5N。镀膜时，将卷筒薄膜置放于真空室内，关闭真空室抽真空。当真空度达到一定时，将蒸发源升温至1400℃～1500℃，然后再把纯度为99．9％的铝金属丝连续送至蒸发源高温区。调节好放卷、收卷速度、送丝速度和蒸发量，开通冷却源。使铝丝在高温区内连续地熔化、蒸发，从而在移动的薄膜表面形成一层光亮的铝层，经冷却后即成成品。制成的镀铝薄膜按规格分切后即可用于印刷、复合制袋等。　　2、纸张蒸镀铝工艺
 纸张镀铝工艺有直接镀铝法和转移法两种。　　（1）直接镀铝法
 直接镀铝法是先将被镇的卷筒纸基材表面涂覆一层胶层或复合一层PE薄膜，再经真空镀膜机直接镀铝，使纸的表面形成一层金属铝膜，然后将镀铝纸再进行回潮处理即成产品。如果需要得到各种不同颜色的镀铝纸，则需在镀铝纸表面再进行着色处理。　　直接镀铝法主要有以下特点：　　①生产工艺较简单，成本较低。　　②对纸基材的表面质量和强度要求较高。镀铝时要求纸张的含水率在3％以下，一般纸张的含水率为6～7％，含水率降低会使纸张发脆、易断裂。因此，要求纸张具有较高的强度。　　③产品的表面光泽度较低，印刷装满效果较差。　　直接镀铝法一般仅适应干定量在30g／m2以下的薄纸，较厚的纸很难进行镀铝。直接镀铝法生产的镀铝纸，虽质量较差，但成本较低，所以使用也比较广泛。　　（2）转移法
 转移法生产镀铝纸比直接镀铝法工艺先进。它是将镀铝塑料薄膜表面的铝层转移到纸基表面而形成镀铝纸。首先把涂料均匀地涂布在塑料薄膜基材上，一般采用BOPET薄膜和BOPP薄膜；再将塑料薄膜基材在真空镀膜室进行镀铝，使涂层表面形成金属铝膜层；而后在镀铝塑料薄膜的铝层表面涂布一层粘合剂；按需要把纸、纸板或基它基材与之复合，然后再进行分离，使涂料层及铝层从塑料薄膜上分离下来。其工艺流程见图2-2-1。被分离后的塑料薄膜可以重复使用。重复使用的次数越多，产品的成本越低。
 采用转移法生产镀铝纸主要有以下特点：
图2-2-1 转移法工艺流程图
　　①生产工艺比较复杂、成本较高。　　②对基材的适应范围宽，定量在30～600g／m2的纸或纸板均可，且对基材的质量要求不高，表面也无需再涂涂料或覆膜。　　③产品的质量好，表面光亮；因镀铝层外有一层涂料，不仅起到了保护作用，而且也提高了印刷适应性和装满效果。　　④在涂料中加入颜料，可生产彩色镀铝纸。　　由于转移法镀铝具有以上特点，所以在镀铝纸生产中使用越来越广。
§3系统流程图
 为了是真空镀铝系统的工作达到最佳状态，一个正确的工作步骤和和一个正确的操作方法对产品的好坏非常重要。
 以下是真空镀铝系统的正确操作流程图如图2-3-1： 
 
 
 
 
  
 
 
 
  
 
 
 
 
 图2-3-1真空镀铝系统流程图
 根据上面的真空镀铝系统流程图，之所以要这样，原因有以下6点：
 ①当关闭汽阀6到位后，启动汽阀4和汽阀5是使收卷车被紧紧的贴紧真空壳，同时也开始对真空壳进行了抽真空的工作，避免了因为收卷车与真空壳的不够紧贴而产生泄露真空的现象，这样可以让抽空阶段的时间更短，直接的提高了工作效率。
 ②在真空镀铝系统中有两个罗茨泵，它们在镀铝之前的抽真空的过程中起了非常大的作用，它们也可轮流工作，这样就可以让真空壳里的真空度达到一个很好工作状态。
 ③当真空壳了真空度达到1.5Pa时，这时应该启动汽阀6，因为当真空壳的真空度达到了一个初步的状态，汽阀6在抽真空工作时起了配合的作用。
 ④当真空度达到3Pa时，关闭汽阀4，同时启动汽阀3，增压泵处于准备状态。
 ⑤当真空度达到5Pa时，关闭罗茨泵2，启动罗茨泵1，同时启动汽阀1和汽阀2，这时使两个扩散泵处于准备状态。
 ⑥当真空度达到9Pa时，这是个镀铝时的良好状态，可以对需镀的膜进行镀铝。第三章 真空度
　　绝对真空的状态是不可能达到的，只能在某种程度上接近这种状态，我们把接近真空程度称为真空度。通常所指的真空是指十分稀薄的空间，在这里压强远小于正常的大气压强，残存的气体对所在空间进行的物理过程并无明显影响。至于低到何种程度，则应由过程的具体要求而定。真空度的高低是由气体压强的大小来量度。一般压强小于13．33帕（10-1托）的空间叫低真空，0．13～0．13×10-5帕（10-3～10-8托）范围内的空间叫高真空，压强小于0．13×10-5帕（10-8托）的空间称为超高真空。目前人工所能制造的最高真空压强约为0．13×10-10帕（10-13托）。
 §1真空计
在镀铝系统中，它是测量真空度的量具，真空计的类型很多，其灵敏度，量程和用途各不相同，常用的有麦克劳真空计、皮喇尼真空计和热阴极电离真空计等。常用的真空计有麦克劳真空计、皮喇尼真空计、皮喇尼真空计、测超高真空的真空计等。
 1、麦克劳真空计
 它是利用波义耳－马略特定律测量低气压的压力计。测量范围约为1333.2～0.0133帕（10～10-4毫米高水银柱）或更低些。其工作原理是把待测压强气体的一部分进行隔离并加以压缩，直到压强增大到可以直接测量的程度，然后根据波义耳－马略特定律求出原来待测的压强。如图2-27所示。真空计的一端A与待测容器连接，另一端通过橡皮管与一可以上下移动的水银容器R相连。N1和N2是直径相同、互相平行的两根毛细管，B是容积已知（设为V）的气体容器，m是一标记，它刻在B管和C管相连的地方。
　　用麦克劳真空计测量低气压的方法和原理是：测量开始时，先降低R，使水银面低于m点，此时容器B中的气压与待测气压相同，设为P，然后提高R，使水银面上升，并使容器B与待测容器隔开。当水银面继续上升时，B中的气体被压缩，由于待测容器的容积比G管和N2管大很多，所以当水银面沿C和N2上升时，待测容器的气压基本上不受影响。调节R的高度使N2管中的水银面正好与N1管的顶端相齐。这时N2、N1两管中水银面的高度差h可直接用标尺测定。若以毫米汞柱为压强的单位，则被压缩气体的压强即为h＋p＝h（因p《h）。设毛细管N1的内截面积为a，则压缩后气体的体积为ah。设压缩前气体的体积，亦即B和N1的总容积为V（由于N1的容积很小，V可近似地取为容器的容积），则根据波义耳定律有
　　PV＝h·ah，
　　即
　　     　　式中a和V是仪器常数，因此测出h就可确定P的数值。麦克劳真空计可以有不同的量程。它所能测量的最高真空度决定于容器B的容积V和毛细管N1、N2的截面积a，由上式可看出，V越大，a越小，真空计可以测量的真空度就越高。实际使用的麦克劳真空计，一般可以测量到10-6毫米高的水银柱。
 由于一般蒸汽在压缩时会凝结，不遵从波义耳定律，所以麦克劳真空计不能用来测量蒸汽压。另外麦克劳真空计也不能连续测定气压的变化，即不能连续地指示出真空系统在抽气过程中压强的变化情况，故它的主要用途是用来校正其它的真空计。
 2、皮喇尼真空计:
 根据在低气压下气体的导热系数与压强成正比的原理，制成了反喇尼真空计。其结构如图2-28示意。在玻璃管A中焊入金属支架B，支架上连接着极细金属丝C，其中通以电流加热。在使用时开口A与待测的真空系统相连接，因此真空计内的气压与待测的气压相同。当真空系统的气压改变时，与之相联接的真空计中的气压也一定改变。此时气体的导热系数也要改变，所以在加热电流恒定的情况下，金属丝的温度也要随之变化，而温度的变化又会引起其电阻的改变，金属丝电阻的改变量可以用联接在支架B下端的测量电路（可用惠斯登电桥等）来精确地测出。因此测量金属丝电阻的变化，即可计算出待测的气体压强。由于各种气体的导热性质不同，故在使用之前，应先用绝对真空计加以校正才能进行计算。它一般用来测量13.3～0.013帕（10-1～10-4毫米高水银柱）的真空度。它的最大优点在于能够连续地记录待测的压强。这种真空计的电阻丝，都是用温度系数较高的金属材料制成。这些年来，由于半导体材料和技术的发展，往往利用热敏电阻作为这种真空计的受热元件，从而使真空计的灵敏度大大提高。
 3、热阴极电离真空计:
 当气体导电时，电子与气体分子的碰撞频率跟气体分子的密度有关。密度大，碰撞的频率就高，产生的离子也越多，气体中的电流就越强。又由于气体分子的密度与气体的压强是直接相关的，因此，测定了气体中电流的大小，即可确定气体的压强。根据上述原理即可制成热阴极电离真空计。最简单的热阴极电离真空计就是一只三极管，灯丝电路通电流后使灯丝受热向外发射电子。在栅极上加一约为150～200伏特的正电压，这一正电压可吸引和加速由灯丝发射出来的电子。被加速的电子穿过栅极后，因板极B的电压对栅极为低的负电压，因此电子又被板极推回，再加速向栅极返回。这样，电子在往返的运动中就与其中的气体分子碰撞，使分子电离，变成正离子和二次电子，而正离子将被板极所吸引，在板极电路中形成电流。
 使用时，开口A与待测的系统联接，真空计中的气压就与待测系统相同，气体的压强越大，气体的密度也就越大，碰撞产生的离子也就越多，因此板极电流Ip也就越大。利用P=KIp的关系，可求出待测系统的压强，即真空度数值。式中K是一个比例常数，它是给定的表征仪器特性的一个恒量。板流Ip可从接在板极电路中的检流计上给出，使用这种电离真空计也要先进行校正，它的测量范围为0.133～0.133×10-4帕（10-3～10-7毫米高水银柱）这种真空计指示灵敏，使用方便。但是，由于不同气体分子，被电离的难易程度不同，因此在使用时，对不同的气体要分别进行校正才行。此外，电极面积较大，会发生释气现象，这对测量的准确度会有影响。
 4、测超高真空的真空计: 
 普通电离真空计只能测量到133.3×10-7帕（10-7毫米高水银柱）当气压再降低时，它的离子流读数不再降低。经证明，这是由于灯丝发射的电子在轰击到栅极上时能产生X光，它投射到板极上引起光电发射，因而出现一种与离子流同样性质的本底电流，其数值约相当于真空度为10-7毫米高水银柱时的离子流，当气压再降低时它仍然存在，因此，上述电离真空计不能指示更低的真空度。改进后的超高真空电离真空计的极板（离子收集极）为细丝状。这样，它接受X光的面积减小，本底电流也相应减小，因此它所能测量的真空度伸延到133.3×10-11帕（10-11毫米高水银柱）的数量级，利用类似原理制成的新型磁放电式电离真空计可测到133.3×10-13帕（10-13毫米高水银柱）。
§2 流体的静压强
 在静止的流体内，取通过某点的任意截面的面积为△A,垂直作用于该面积上的压力为△P，在此种情况下，单位面积上所受的压力，称为流体的静压强，简称压强，其表达式为
 
 
 上式中，当△A趋向于0时，△P/△A的极限值就称为该点的静压强。
 式中 p——流体的静压强；
      P——垂直作用于流体表面上的压力；
      A——作用的面积。
 在法定单位制中，压强的单位是Pa。称为帕斯卡。但习惯上还采用其他单位，如atm(标准大气压)、某流体柱高度、bar(巴)或kgf/cm2等，它们之间的换算关系为
 1atm=1.033kgf/cm2=760mmHg=10.33mH2O=1.0133 bar=1.0133*104Pa
 工程上为了使用和换算方便，常将1kgf/cm2近似地作为一个大气压，称为1工程大气压。于是
 1at=1kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O=0.9807 bar=9.807*104Pa
 流体的压强除用不同的单位来计量外，还可以用不同的方法来表示。
 以绝对零压作起点计算的压强，称为绝对压强，是流体的真实压强。
 流体的压强可用测仪表来测量。当被测流体的绝对压强大于外界大气压强时，所用的测压仪表称为压强表。压强表上的读数表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值，称为表压强，即
表压强=绝对压强-大气压强
 当被测流体的绝对压强小于外界大气压强时，所用测压仪表称为真空表。真空表上的读数表示被测流体的绝对压强低于大气压强的数值，称为真空度，即
真空度=大气压强-绝对压强
 显然，设备内流体的绝对压强愈高。真空度又是表压强的负值。
§3 液压机
 利用帕斯卡定律制成的利用液体压强传动的机械，种类很多。当然，用途也根据需要是多种多样的。如按传递压强的液体种类来分，有油压机和水压机两大类。水压机产生的总压力较大，常用于锻造和冲压。锻造水压机又分为模锻水压机和自由锻水压机两种。模锻水压机要用模具，而自由锻水压机不用模具。我国制造的第一台万吨水压机就是自由锻造水压机。
 液压机原理：

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