高能粒子束表面改性技术研究与发展

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1、高能粒子束表面改性技术研究与发展昆明理工大学材料111班解开书【摘要】主要叙述了高能粒子束表面改性技术中的离子束表面改性技术的基本原理、工艺特点、发展趋势及其存在的问题和解决途径。关键词：高能粒子束；表面改性；研究与进展前言高能粒子束表面改性是通过高能量密度的束流改变材料表面的成分或组织结构的表面处理技术。由于高能粒子束的功率密度可以达到108W/cm2以上，甚至可超过109W/cm2，因此在极短的作用周期下，材料表面就能达到其他表面技术所无法达到的效果。高能粒子束表面改性技术具备以下一些特点：（1）能量密度可以在很大范围内进行调节，并可精确控制；（2）高能粒子束表面改性技术可

2、以方便地与传统的表面改性技术结合起来，从而弥补甚至消除各自的局限性；（3）利用高能粒子束可以对材料表面进行超高速加热和超高速冷却，其冷却速度可达104℃/S，从而实现新型超细、超薄、超纯材料的合成和金属复合材料的制备。1高能离子束表面改性技术的研究及其应用1.1离子束表面改性研究现状20世纪70年代中期，离子注入技术进入到半导体材料的表面改性，采用离子注入精细掺杂取代热扩散工艺，使半导体从单个晶体管加工发展为平面集成电路加工。20世纪80年代初，离子束混合的出现，对离子束冶金学的发展做出了巨大的贡献。80年代中期，金属蒸发真空弧离子源（MEVVA）和其他金属离子源的问世，为离子

3、束材料改性提供了强金属离子束。与此同时，为克服注入层浅的问题，开始研究离子束辅助沉积技术（IBAD），又称离子束增强沉积技术（IBED）。20世纪末发展起来的称为“等离子体注入”技术（PSII-PIasmaSourceIonImplantation）克服了常规注入的缺点，可对成批工件同时进行全方位的离子注入而引起人们的关注，由于工件是直接“浸泡”在被注入元素的等离子体内，也有人称之为“等离子体浸没离子注入”（PIII-PlasmaSourceIonImplantation）。PSII技术发展很快，该技术的奠基人之一CONRADJR已取得大量基础研究和应用成果。自20世纪70年代

4、以来，许多国家对离子注入材料改性的研究和应用都给予了相当的重视，一些大学、科研机构和公司都相继成立了专门从事这方面工作的研究中心或实验室，如美国的斯坦福大学，英国的哈威尔原子能研究中心以及日本的RIKEN物理化学研究所等。我国离子注入改性技术的研究，早期也和国外一样主要集中在半导体的研究和应用方面，从20世纪70年代至今逐渐把该技术应用于其他领域，特别是在优化材料表面的摩擦学特性方面的研究和应用得到了不断发展。目前，除了北京师范大学、清华大学、四川联合大学原子能研究所、中国原子能研究所等有专门的研究中心外，还在上海冶金研究所建立了中国科学院离子束开放实验室，在大连理工大学建立了

5、国家激光束、电子束、离子束开放研究室。但是由于高性能离子束装置的研制和建立都比较缓慢，因而，无论在基础研究或应用方面与国外相比都还存在一定的差距。1.2高能粒子束表面改性技术的基本原理（1）离子注入基本原理在离子注入机中把各自所需的离子加速成具有几万甚至几百万电子伏特能量的载能束，并注入金属固体材料的表层，在其表层形成几微米的改性层，以此来提高基体材料的表面性能。目前离子注入工艺已应用于许多部门，尤其是在工、模具制造业，效果突出。英国Rolls-Roycc股份有限公司为解决飞机发动机叶片材料的微粒磨损问题，曾比较了46种不同的表面处理工艺，最后选择了三种，其中之一就是离子注入新

6、工艺。（2）离子注入表面改性的一般机理损伤强化作用、弥散强化作用、喷丸强化作用、提高抗氧化性、提高润滑性、提高耐腐蚀性（4）离子束辅助沉积离子束辅助沉积是一种将离子注入技术和物理气相沉积技术相结合的真空沉积技术。它是指在同一真空系统中，以离子束溅射沉积薄膜的同时，用几百电子伏特到几万电子伏特能量的离子束对其进行轰击利用沉积原子和注入离子之间的一系列物理化学作用，来增强膜层与基体的结合，改善膜层质量。与其他薄膜制备方法相比，采用这种方法能够或得附着力极好的薄膜。正因为离子束辅助沉积的特殊作用和优点，使得该技术在合成新材料、制备功能膜方面得到了广泛的应用。目前，利用该技术可以稳定地

7、合成立方氮化硼（B3N）、类金刚石薄膜（DLC）、TiN和Ti2N等多种优质膜层及陶瓷材料，尤其是TiN和Ti2N膜层，性能优良，具有良好的耐磨性和减磨性。（3）离子束混合及离子束反冲注入1)离子束混合离子束混合就是将所需的几种元素交替地镀在集体上，组成多层薄膜，每层约10nm厚，然后用加速器容易或得的单能量离子。他的主要优点在于弥补了离子直接注入过程的不足。有研究指出，经惰性气体Xe离子轰击预镀钯的纯钛表面，生成钯改性表面，明显地提高钛在还原性酸中的耐腐蚀性能。2)离子束反冲注入离子束反冲