第5章高能束加工ppt课件.ppt

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1、第5章高能束加工基本内容激光加工激光加工的原理和特点；激光加工的基本设备;加工工艺及应用.电子束加工电子束加工的基本原理;设备及其应用.离子束加工加工的基本原理;设备及应用激光加工（LaserBeamMachining，简称LBM）、离子束加工（IonBeamMachining，简称IBM）、电子束加工（ElectronBeamMachining，简称EBM）是新兴发展起来的特种加工技术。1949年德国首次在0.5mm不锈钢板上加工出0.2mm的小孔；1957年法国研究出第一台电子束加工设备；196

2、0年美国第一台固体激光器。1961年我国在长春研究成功红宝石激光器。5.1概述5.2离子束加工5.2离子束加工加工1.离子束加工的基本原理在真空条件下，将惰性气体由离子经过电场加速,获得具有一定速度的离子束在经过聚束和聚焦投射到材料表面,以其动能轰击工件表面，产生撞击效应、溅射和注入效应,这就是离子束加工的物理基础.5.1离子束加工5.1离子束加工离子碰撞过程：当入射离子碰到工件表面时，撞击原子、分子发生能量交换。离子失去的部分能量传给工件表面的原子、分子，当能量足够大时，使它们从基体材料中分离出来

3、，由此产生工件材料的溅射。剩余的能量转变为材料晶格的振动。同时入射离子与原子、分子进行能量交换，可以是一次或者多次碰撞。物理过程离子碰撞过程模型图被排斥Ar离子回弹溅射原子位移原子格点间停留离子一次溅射原子Ar离子二次溅射原子Ar离子格点置换离子位移原子工件表面工件真空5.1离子束加工离子束加工与经过聚焦加速后，靠离子打击加工件的动能，或将工件的原子撞击出来(撞击效应)，或将靶材的原子撞出后飞溅沉积到工件表面上（溅射效应），或直接将离子束中的离子打入工件表层之内(注入效应)。可实现对材料的“毫微米级

4、”或“原子级加工”。碰撞效果5.1离子束加工2.加工设备5.1离子束加工离子束加工设备主要有：离子源（离子枪）、真空系统、控制系统和电源系统。离子源的工作原理：气体被注入到电离室、然后使其放电，电子与气体原子发生碰撞使其电离，从而得到等离子体。采用一个相对等离子体为负电位的电极，将正离子由等离子体中引出，而后使其加速射向工件或者靶材。等离子体：多种离子的集合体。5.1离子束加工3.离子束加工的特点⑴是一种精密微细的加工方法。可控性好，是所有现代加工方法中最精密、最微细的加工方法。⑵在高真空中进行，污

5、染少，尤其适宜对易氧化的金属、合金材料和高纯度半导体材料的加工。材料加工表面不氧化.⑶非接触式加工，不会产生应力和变形,宏观压力小，加工中产生应力、变形也小，不但加工工件表面质量高，而且对材料适应性强。(4)电子束加工需要一整套专用设备和真空系统，设备成本高，加工效率低，应用范围受限。5.1离子束加工4.离子束加工的分类和应用可以实现精密、微细及光整加工，尤其是亚微米至纳米级精度的加工，可将材料的原子一层层地铣削下来，使工件加工的精度、表面粗糙度的控制近乎极限。可以较好地实现材料的表面改性处理，使用

6、离子束还可以向工件表面进行离子溅射沉积和离子镀膜加工。一台设备离子束加工，既可用于加工，又可用于蚀刻、熔化、热处理、焊接等。5.1离子束加工4.1离子束加工的分类离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射沉积和离子注入等。离子束加工依其目的可以分为蚀刻及镀膜两种。蚀刻又可在分为溅散蚀刻和离子蚀刻两种。离子在电浆产生室中即对工件进行撞击蚀刻，为溅散蚀刻。产生电子使以加速之离子还原为原子而撞击材料进行蚀刻为离子蚀刻。5.1离子束加工◎将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上。被加工表面受“轰击”后

7、，打出原子或分子，实现分子级去除加工。离子束溅射去除加工惰性气体入口阴极中间电极电磁线圈阳极控制电极绝缘子引出电极离子束聚焦装置摆动装置工件三坐标工作台图离子束去除加工装置◎加工装置见右图。三坐标工作台可实现三坐标直线运动，摆动装置可实现绕水平轴的摆动和绕垂直轴的转动。4.2离子束工加工的应用：5.1离子束加工◎离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标运动），金刚石刀具和冲头的刃磨（见下图），大规模集成电路芯片刻蚀等。图离子束加工金刚石制品离子束离子束r=0.01μm预加工终加工a)金刚石

8、压头r=0.01μm离子束离子束预加工终加工b)金刚石刀具◎离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。5.1离子束加工离子蚀刻加工当所带能量为0.1～5keV、直径为十分之几纳米的的氩离子轰击工件表面时，此入射离子的动量传递到工件表面的原子，传递能量超过了工件表面原子（或分子）间的镀合力时，材料表面的原子（或分子）就从工件表面撞击逐个溅射出来，以达到刻蚀加工目的。这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。5.1离子束加工在离子源中，惰性气体氩（压强