真空腔体加工表面处理技术

真空腔体的表面处理技术是确保其达到并维持高真空、超高真空甚至极高真空性能的关键环节。其核心目标是降低出气率、减少表面吸附、提高光洁度、增强耐腐蚀性。真空腔体加工中主要和先进的表面处理技术，分为常规必备工艺和高性能增强工艺两大类。

常规必备基础工艺这些是绝大多数真空腔体（特别是高真空以上级别）都必须经过的处理流程。

1.机械加工与预处理

精细加工：采用数控机床（CNC）进行高精度加工，确保尺寸公差和形位公差，减少虚漏和陷阱体积。

去毛刺：彻底清除所有切削毛刺、飞边，防止其成为放气源和微放电点。

倒角抛光：对所有内角、焊缝区域进行圆滑处理，避免尖锐死角吸附气体和污染物。

2.清洁与脱脂

溶剂清洗：使用丙酮、乙醇、异丙醇等有机溶剂超声波清洗，去除油污、指纹和加工冷却液。

碱性清洗：用热碱液去除动植物油脂和某些有机污染物。

超声波清洗：利用超声波空化效应，彻底清除微小颗粒和附着物。

去离子水漂洗：最终用高纯度的去离子水冲洗，避免水渍和离子污染。

3.表面钝化与化学抛光

酸洗钝化：

目的是去除表面游离铁、氧化层（锈迹、热处理氧化皮），并在表面形成一层致密、化学性质稳定的铬富集氧化层（主要是Cr₂O₃）。通常使用硝酸和氢氟酸的混合溶液进行浸泡或涂刷。此过程能极大降低表面出气率，提高耐腐蚀性，是获得UHV的基础。

电化学抛光：

在电解液中，工件作为阳极，通过电流选择性溶解表面微观凸起，获得光滑、镜面般的表面。电化学抛光可以显著降低比表面积，减少气体吸附位点。表面形成更厚、更均匀的钝化膜，出气率比酸洗钝化低一个数量级。同时表面光滑，不易吸附颗粒，易于清洁。广泛应用于同步辐射、粒子加速器、半导体工艺等UHV/EHV系统。

此外，为了满足极端性能要求（如极小出气率、极低摩擦系数、对特定气体抗吸附等），会采用高性能增强涂层与工艺等先进表面处理。

1.高温烘烤

虽然不是“涂层”，但却是UHV系统的标准后处理。将组装好的腔体在真空下加热（通常150°C - 250°C，有时高达400°C），加速材料内部和表面气体的脱附，是获得极限真空的必要步骤。

2.表面涂层技术

化学镀镍

在铝合金或不锈钢表面沉积一层无电解镍磷合金层。处理后的工件硬度高、耐磨、耐腐蚀、涂层均匀（无边缘效应），可作为铝合金的真空密封面和防腐层。但需注意镀层可能含氢，需进行真空除氢处理。

阳极氧化（针对铝合金）

在铝表面生成一层坚硬、多孔的Al₂O₃陶瓷层，再进行封孔处理。其优点是硬度极高、耐磨、绝缘、耐腐蚀。但多孔结构可能吸附气体，用于HV较多，UHV需谨慎选择和处理。

物理气相沉积 / 化学气相沉积

TiN、CrN、DLC（类金刚石碳）涂层用于真空内部运动部件（如传送杆、夹具），提供超高硬度、低摩擦系数和低放气率。氧化铝涂层优异的绝缘和耐腐蚀性能。

3.特殊高性能处理

电解抛光 + 高温氧化

先电化学抛光，然后在含氧气氛中进行高温热处理，生成更厚、更致密、化学计量比更优的氧化铬层，出气率可达10⁻¹³ Pa·m³/(s·cm²) 量级，是最高水准的处理技术之一。

镀金

在铜或不锈钢表面镀金。金化学性质极其稳定，不形成氧化物，对常见气体吸附率低，出气率极小。常用于标准漏孔、密封法兰面或某些精密计量装置。成本高昂。

选择哪种或哪几种组合工艺，取决于真空度要求、基底材料的不同要求或选择。例如HV、UHV、XHV 对处理的要求呈指数级上升，不锈钢、铝合金、无氧铜的选择决定主导工艺。

总结

真空腔体的表面处理是“细节决定极限”的典型体现。从微观上改变表面几个纳米到几微米的层次，就能宏观上实现真空度几个数量级的提升，是真空技术中不可或缺的核心工艺。