一、实习报告名称
吸气剂的概念与应用

二、实习起止时间
2008年8月28日到2008年9月28日

三、实习地点
有色金属研究总院电子所吸气材料室

四、实习内容（含原理简介）
4.1 吸气剂的概念
（1）吸气剂的分类
在真空器件中通过物理和化学作用能有效地吸收活性气体型的功能材料，简称吸气剂，又称消气剂或收气剂。
长期保持真空器件高的真空度是研制长寿命，高可靠真空器件（如电子管激光管，电光源等）的重要工作之一。真空器件的真空度对器件的性能，特别是对器件的寿命和可靠性有着十分重要的影响。真空度降低往往是导致器件性能恶化甚至失效的主要原因之一。
为了使器件内残余气体的成分和压力达到最满意的程度，可以采取多种解决办法。一是延长排气时间，使器件内的残余气体尽可能地被抽气泵抽走；二是尽可能减少器件内部零件上吸附的气体；三是采用无油排气技术，消除排气过程中的污染。以上这些措施在某些情况下可以起到积极的作用，但是有时并不理想。另外，即使密封时器件的真空度达到所需要的程度，但在储存以及工作时，由于泄漏，吸附气体的解吸和电离，以及各种表面化学反应等原因，器件内的残余气体的种类及其分压力也会发生变化，从而导致真空器件性能降低，甚至失效。
实践证明，在进行气体分析的基础上，结合不同真空器件的特点，采用不同的吸气材料，可以有效地保持和提高器件的真空度。而且采用吸气材料还经济、简便、有效和持久的优点。随着各高效吸气材料的研制成功，吸气材料在电子、军工国防、原子能、轻工、石油等许多领域已经获得广泛的应用。
随着电真空器件的发展，吸气剂逐步发展成为蒸散型和非蒸散型两类：

1蒸散型吸气剂
蒸散型吸气材料主要靠金属的蒸散和蒸散后形成的包膜表面吸气，以钡、锶、镁、钙及其合金为主。最早的蒸散型吸气材料是金属镁，效率很低。1903年改用钡作为吸气材料，与镁相比，钡可以吸收更多种类的气体。但是钡在空气中的化学性质太活泼，因而在器件装配过程中很难控制。为了降低钡的活性，将活性较低的金属如Mg、Sr、Al等金属加入到钡中，制成二元或三元合金。
目前，以钡为代表的蒸散型吸气材料在阴极射线管，电光源等真空容器中已经得到广泛应用。
蒸散型吸气材料虽然已经广泛应用到各种真空电子器件中，但它也存在一些不可避免的缺点：一是可能蒸散到真空器件各处，有时会对真空器件的设计和制造带来不利的影响；二是不能应用于充汞和充氮的器件中，使用范围较窄。
2非蒸散型吸气剂
非蒸散型吸气剂又称体吸收材料，主要包括Ti、Zr、Hf、Th等金属及其与Al或第一过渡元素组成的合金。他们适于应用在不能使用蒸散型吸气剂材料的场合。例如：器件体积很小，无合适的蒸散沉膜表面，怕漏电和怕引入寄生电容的器件以及工作温度高的器件等场所。非蒸散型吸气剂材料在经过适当的热处理激活，清除了表面的钝化层，露出了新鲜的活性表面之后才具有吸气能力。目前，非蒸散型吸气剂材料主要以锆和钛为基，同时添加其他的元素或金属间化合物组成。根据制备工艺，大致分为以下几类：
直接破碎型
这种吸气材料经过合金熔炼、破碎、粉制、压制成型后不需要烧结就可以直接使用，如Zr-Al、Zr-V-Fe吸气材料等。这种吸气材料使用工艺简单，成本低的优点，但是不经过烧结，机械强度不够好，在振动条件下使用容易掉粉，此类吸气材料多应用于不要求振动的环境下。
涂覆型
这种吸气材料经合金熔炼、破碎、制粉与成型剂混合调制成浆状，直接涂覆在所需要材料或器件的表面，激活后使用。
多孔烧结型
这一类吸气材料在压制成型后需要经过高温、高真空烧结，即用粉末冶金的方法制备，与直接破碎型相比，由于此类吸气材料经过了高温，高真空烧结，因此其机械强度较好，并且还具有品种多的优点，多用于条件较高的特殊电真空器件上。但相对其他种类的吸气材料，其工艺复杂，成本相对较高。

氢化粉碎型
传统的吸气材料熔炼合金铸造后是通过机械破碎的方法粉制的，然而对一些不易破碎，并且在机械破碎中容易自燃和氧化的合金而言，采用氢化法粉碎能避免以上缺点。这一方法是将熔炼好的合金锭放入容器中，预先抽真空并冲入大量的氢气，一定时间后，铸锭强烈吸氢，产生氢脆粉化而制得。

（２）吸气剂的吸气理论
蒸散型吸气剂吸气过程有三个主要作用因素：蒸散吸气、表面吸附和内部扩散,三者之间的关系：首先是蒸散吸气，表面吸附孕育着扩散因素，内部扩散必须以表面吸附为前提。非散型吸气剂的吸所过程：表面吸附，内部扩散。
①蒸散吸气：
在受热蒸散时，飞溅出来的钡原子与管内空间的气体分子相碰撞，在碰撞过程中有的钡原子仅仅改变其蒸散方向，有的则与气体分子起化学作用，产生相应的化合物，并且沉积在管壳内表面上，结果管内空间的气体浓度减少了，残余气体大部分被吸收了。
②表面吸附：
当气体分子碰撞固体表面时，它可能被弹回，也可能被吸附，被吸附的分子可能被吸附得很牢，也可能只被很微弱的力所束缚。
(1)范德华力：物理吸附
(2)剩余价力：化学吸收
③内部扩散：
表面吸附的气体，具有较大的表面迁移率，它可以迅速地在整个表面上扩散开来。随着表面扩散的进行，在一定的条件下，表面吸附的气体将进一步向吸气金属内部进行体扩散。体扩散的形式有：
(1)深入金属表面凹陷或损伤部位;
(2)浸入晶界之间;
(3)扩散到结晶本身的缺陷之中;
(4)和金属化合成金属间化合物;
(5)和金属形成固溶体。

（３）吸气剂的激活与再生
①吸气剂的激活
在温度较低时，气体向内扩散的速度很小，扩散速度曲线明显左移；而在大气压力之下，表面吸附速度却大为提高，扩散速度曲线明显右移。这样，吸气剂明显地处于扩散决定区，于是在吸气剂表面形成很薄的气体吸附层气膜，它在常温下来不及向体内扩散，从而这一层气膜阻止了吸气剂与气体的进一步作用，所以说吸气剂在这种情况下是十分稳定的。
在吸气剂充分发挥其对流活性气体的吸着作用之前，必须首先清除这一层气膜。这一工艺过程称为激活。吸气剂的激活可以通过降低吸气剂表面的气体压力P、提高吸气剂的T并维持一定时间t来实现，P、T、t这三个因素的组合，称为激活条件。
②吸气剂的再生
吸气剂一经激活，当它暴露在所要抽除的气体之中时，即能产生抽气作用。一般来说，氢气是均匀地散布在整个吸气剂体积中，其它的活性气体集中于接近表面处，结果导致对气体的吸着速度逐步下降。到吸气剂表面出现了气体分子的积累，受到了严重的污染，活性消失，吸气剂的一次使用寿命终了。如果提高温度，扩散速度重新提高，表面活性可得到部分的恢复，吸着速度重新提高。保持一些时间，使扩散速度大于表面吸附速度，则表面活性可得以恢复，这称为吸气剂的加温再生法。同理，如果吸气剂温度保持不变，而是降低吸气剂周围的气体压力P，使恒定的表面吸附速度大大下降，也可以使吸气剂表面活性恢复，吸着速度回升，这就称为吸气剂的降压再生法。


4.2 吸气剂的主要作用及应用领域
（１）主要作用
吸气剂大量应用于真空电子器件中，为器件创造了良好的工作环境，稳定了器件的特性参量，对器件的性能及使用寿命有重要的影响:
①短时间内提高真空器件的真空度(达10-4帕以上)，在器件的排气封离后和老炼过程中消除残余的和重新释放的气体,有利于缩短排气时间；
②在器件的储存和工作期间维持一定的真空度；
③吸收器件在启动和反常工作时的突发性放气，有效地保护阴极等敏感元件。由于吸气材料在电真空器件放气，漏气时吸收气体，为器件创造了良好的工作环境，因而大大延长了器件的寿命，稳定了器件的特性参量。
（２）应用领域
吸气剂技术对于获得良好的管内真空气氛，具有经济、简便、有效、持久等特点，它对于研制和生产长寿命、高可靠、优性能的电真空器件起着相当重要的作用。它不仅广泛应用于电真空器件，如收讯放大管，功率发射管，黑白或彩色电视显象管、示波管、摄象管、行波管、日光灯和高压放电灯等，而且还应用于光电阴极的制造，原子能反应堆，可控核聚变装置，气体激光器，稀有气体的净化，高真空获得等领域。
五、 实习总结
我在有色金属研究总院电子材料研究所真空吸气材料室的一个月实习期间，收获颇丰。在指导老师和师傅们的热心帮助下，学到了平时在学校和书本上学不到的知识和实践经验。感觉理论付诸于生产实践还是要经过很多的尝试和探索的。我初步了解了电真空器件用吸气剂的基本概念、性质、主要作用以及应用领域等。同时还学到了金属材料采用粉末冶金工艺的制备成型技术，初步掌握和了解了生产吸气剂的主要设备，如压片成型机、吸气剂测试性能装置、熔炼炉，并且在老师的帮助下，将熔炼好的吸气材料进行破碎、分筛、混合，最后加工成型，利用超声波清洗吸气剂配件。掌握了2R-25-13型超高真空烧结炉的操作规程，它是由三个部分组成的，抽真空机组（机械泵、扩散泵），炉体（加热体、水套、电极、热偶等），控制系统（仪器、仪表、温度表开关等）。
其具体操作规程如下：
一　准备工作
1、 开炉前检查水电气测量及炉子各系统。
2、 装料时严禁料盒或材料与钼丝加热体，热电偶接触短路。
3、 退火材料必须清洗干净，烧结的消气剂必须装入钼盒内。
二　操作规程
1、 启动机械泵，运转正常后逐渐打开预真空阀门，不可一次开得过大，当热偶汁真空度达到1.3pa时，打开扩散泵闸板阀门，关上预真空阀；
2、 给扩散泵通冷却水后，开扩散泵，通电加热40分钟后进行真空测量；
3、 当炉内真空达到3×10-3Pa以上，给炉盖、炉体、炉脖、电极通冷却水。通电加热，根据炉内材料放气情况，决定加热速度，真空度低于10-2pa时停止加热，并启动增压泵，最高工作温度不得超过1150oC,最大加热电流不得超过250A。
4、 炉子升温及保温过程中，随时观察炉内真空情况，保温结束后，将加热电流和电压降到0，关掉加热电流按钮，材料随炉冷却。
5、 炉温降到360 oC以下停扩散泵加热电源，降到250 oC以下停机械泵，关控制柜电源，关水，清理周围环境。
6、 操作时随时注意电流，电压，真空度，温度及水温等，异常情况及时处理。
三　出炉
1、 吸气材料或元件出炉应在等二天进行。
2、 出炉时打开放气阀，充入空气。
3、 充气后打开炉盖，出料后装入新料（或不装料），并产空保存。
吸气剂成型后要按下列程序操作：捣碎------分筛------混合------加工成型--------涂抹吸气材料。

在实习期间，学习了有关吸气剂方面的资料，翻译了有关过渡金属表面氢氧结合的英文文章。总之，在这一个月的实习期间，老师们对科研工作的敬业作风，为人处事的风格都值得我这个大四的学生学习，这也是我人生的难忘点。