離子束表面技術(shù)

1、離子束表面工程技術(shù)離子束表面工程技術(shù) 分類分類 離子束表面工程技術(shù)的離子束表面工程技術(shù)的 應(yīng)用應(yīng)用 發(fā)展發(fā)展 離子束表面工程技術(shù)的分類離子束表面工程技術(shù)的分類 離子注入技術(shù)包括：常規(guī)離子注入技術(shù)，等離子 體源離子注入技術(shù)，等離子體基離子混合技術(shù)； 離子束沉積鍍膜技術(shù)包括：離子鍍技術(shù)，濺射鍍 膜技術(shù)和離子束輔助沉積技術(shù)； 離子束復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)包括：蒸鍍離子注入，離 子鍍離子注入，滲氮等離子體源離子注入， 離子氮化離子鍍以及離子鍍離子束增強(qiáng)沉積 等。 離子束表面工程技術(shù)的應(yīng)用離子束表面工程技術(shù)的應(yīng)用 1. 替代傳統(tǒng)的電鍍技術(shù) 2. 航空航天材料的表面改性 3. 太陽能材料的表面改性 4. 生物醫(yī)學(xué)材

2、料的表面改性 5. 生物體的改性 1. 替代傳統(tǒng)的電鍍技術(shù) 離子束表面工程技術(shù)的應(yīng)用離子束表面工程技術(shù)的應(yīng)用 問題：傳統(tǒng)電鍍工藝Cr的污染問題。 l裝飾工藝：離子束沉積鉻、氮化鈦和氮化鈦鋁等； l以發(fā)動機(jī)活塞環(huán)涂層為例，研究表明CrN系復(fù)合膜與激 光淬火加離子滲流的方法復(fù)合處理完全可以取代傳統(tǒng)電 鍍鉻方法； l在高端汽車燈具鍍膜設(shè)備及工藝方面實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化， 高中檔市場占有率超過了65.9； l汽車輪轂表面的綠色鍍膜技術(shù)，有效地解決了因歐盟 環(huán)保禁令的生效，高檔汽車鋁合金（鎂合金）輪轂傳統(tǒng) 電鍍鉻的替代技術(shù)。 2. 航空航天材料的表面改性 問題： 微動磨損 航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的精密零部件尺寸要求高

3、，由于離 子束表面工程技術(shù)幾乎不改變零部件尺寸，制備涂層種類 多，工藝靈活，具有突出優(yōu)勢，成為制備固體潤滑涂層的 主要技術(shù)。 離子束表面工程技術(shù)隨著我國空間技術(shù)迅速發(fā)展，目前已 開發(fā)出多種適用于空間環(huán)境的高性能固體潤滑涂層，如TiAgN 納米復(fù)合膜、MoS2-Au-Re三元復(fù)合膜以及梯度多層Ni-Cu-Ag 復(fù)合膜和多層無機(jī)金屬納米復(fù)合膜。 離子束表面工程技術(shù)的應(yīng)用離子束表面工程技術(shù)的應(yīng)用 3. 太陽能材料的表面改性 問題：有機(jī)太陽能薄膜電池光電轉(zhuǎn)換效率低于硅材料太陽 能電池，限制了有機(jī)太陽能薄膜電池的商業(yè)化. 利用納米金屬顆粒在光照下的表面等離子體共振效應(yīng) 可提高有機(jī)太陽能薄膜電池的光吸收效

4、率。如采用蒸鍍蒸鍍和 磁控濺射磁控濺射制備銀納米晶，利用金屬納米銀顆粒產(chǎn)生的表面 等離子體增強(qiáng)效應(yīng)，提高了太陽能電池對光的吸收效率和 轉(zhuǎn)換效率。 離子束表面工程技術(shù)的應(yīng)用離子束表面工程技術(shù)的應(yīng)用 4. 生物醫(yī)學(xué)材料的表面改性 問題：隨著技術(shù)的進(jìn)步和醫(yī)學(xué)問題的復(fù)雜化，目前使用的 傳統(tǒng)生物材料（如金屬、陶瓷、高分子等）逐漸顯露出了 某些不足，表現(xiàn)在與宿主原有組織結(jié)合后，很難做到性能 上的完全匹配，不能完全滿足臨床應(yīng)用中對耐磨性、耐蝕耐磨性、耐蝕 性、生物相容性的要求性、生物相容性的要求等。離子束表面處理技術(shù)代價(jià)小、代價(jià)小、 耗時(shí)少耗時(shí)少，在制備綜合性能良好的生物醫(yī)用材料方面優(yōu)勢顯 著。其中，離子注

5、入技術(shù)以其獨(dú)有的改性特點(diǎn)脫穎而出， 應(yīng)用日益廣泛，成為廣大科研工作者研究的焦點(diǎn)。 離子束表面工程技術(shù)的應(yīng)用離子束表面工程技術(shù)的應(yīng)用 4. 生物醫(yī)學(xué)材料的表面改性 注入離子的復(fù)合化。等離子體浸沒離子注入與沉積的方式對CoCrMo 合金進(jìn)行了低壓高頻等離子體氮化處理和類金剛石薄膜的沉積，發(fā) 現(xiàn)復(fù)合處理顯著提高了CoCrMo的表面性能。 注入離子的多樣化。Zn離子注入鎂鈣合金，鋁、鋯 及 鈦 離 子 注 入 AZ91表面，注入到聚乙烯表面，改善了基體材料表面的耐蝕、生 物相溶和力學(xué)性能。 改性層的增厚化?？娠@著提高基體的生物相容性能。生物涂層表面涂 層可以降低表面自由能，中和材料表面電荷，并且不改變

6、原材料的形 狀和體積。這類生物涂層包括Ti基涂層（TiN，TiO2，TiNxOy）及 其 合金涂層（添加Zr、Nb、P等合金元素）；金剛石薄膜，類金剛石碳 膜或者非晶碳膜等碳素材料薄膜；以及DLC與Ti基涂層復(fù)合膜等。 離子束表面工程技術(shù)的應(yīng)用離子束表面工程技術(shù)的應(yīng)用 5. 生物體的改性 加速后的重離子注入到生物體后，產(chǎn)生一定的靜止質(zhì)量，能夠使 質(zhì)量、動量、能量和電荷共同作用于生物體，且注入離子同時(shí)還具有 高能量密度和尖銳的電離峰。不同的質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)和能量又可根據(jù) 需要進(jìn)行組合，它將會使生物細(xì)胞乃至生物大分子的生理、生化功能 發(fā)生變化，從而引起染色體突變。離子注入誘變育種的主要優(yōu)點(diǎn)是比 自然

7、變異率高1000倍以上；變異的類型多；變異快，可以大大縮短育 種周期；穩(wěn)定可靠，簡便易行，可以培育出傳統(tǒng)雜交技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的 品系。 離子束在植物誘變育種、微生物品種改良、遺傳改良等方面都有 了較新穎的應(yīng)用。 離子束表面工程技術(shù)的應(yīng)用離子束表面工程技術(shù)的應(yīng)用 5. 生物體的改性 離子束表面工程技術(shù)的應(yīng)用離子束表面工程技術(shù)的應(yīng)用 懷柔生產(chǎn)基地離子注入技術(shù)生產(chǎn)的鳳仙花 北京師范大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué) 院從2000年起，先后對多種花卉進(jìn) 行了離子注入誘變育種技術(shù)的研究， 取得了重要的階段性成果。 中國傳統(tǒng)的鳳仙花雖然花朵大， 但由于花朵是單生或數(shù)朵簇生于葉 腋，影響了成片種植的觀賞效果。 該院通過離子注入

8、，選育的鳳仙花 朵出現(xiàn)了頂生，還出現(xiàn)同株多色等 性狀，極大地提高了觀賞效果，可 以大面積種植于花壇、花境。 1. 等離子體浸沒式離子注入技術(shù)等離子體浸沒式離子注入技術(shù) 2. 強(qiáng)流脈沖離子束技術(shù)強(qiáng)流脈沖離子束技術(shù) 離子束表面工程技術(shù)的發(fā)展離子束表面工程技術(shù)的發(fā)展 1. 等離子體浸沒式離子注入技術(shù)等離子體浸沒式離子注入技術(shù) 等離子體浸沒注入（Plasma Ion Immersion Im-plantation）近年來迅速發(fā)展的 一種材料表面改性新技術(shù),其基本原理是,作為 靶的工件外表面全部浸沒在低氣壓、高密度的低氣壓、高密度的 均勻等離子體均勻等離子體中,工件上施加頻率為數(shù)百赫茲 、數(shù)千至數(shù)萬伏高

9、壓負(fù)脈沖偏壓。它克服了傳 統(tǒng)方法所具有的薄膜沉積或離子注入存在方向方向 性性的固有缺陷,因此在復(fù)雜形狀的三維工件復(fù)雜形狀的三維工件表 面改性工藝與技術(shù)上表現(xiàn)出無與倫比的優(yōu)越性 。 離子束表面工程技術(shù)的發(fā)展離子束表面工程技術(shù)的發(fā)展 1. 等離子體浸沒式離子注入技術(shù)等離子體浸沒式離子注入技術(shù) 離子束表面工程技術(shù)的發(fā)展離子束表面工程技術(shù)的發(fā)展 PIII 裝置不是由離子源 中產(chǎn)生的離子束射向分 離靶室中的工件上，而 是離子源環(huán)繞著工件。 其做法是在靶室中產(chǎn)生 等離子體，因此等離子 體是環(huán)繞著注入工件的。 這樣就沒有了直射性的 限制。 1. 等離子體浸沒式離子注入技術(shù)等離子體浸沒式離子注入技術(shù) 離子束表

10、面工程技術(shù)的發(fā)展離子束表面工程技術(shù)的發(fā)展 優(yōu)點(diǎn)： a) 克服視線效應(yīng)，可處理復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)的器件； b) 離子垂直轟擊表面，減少了有害的濺射效應(yīng)； c) 和其他等離子體工藝（如刻蝕、沉積等）能夠 兼容，能夠在同一系統(tǒng)上集成多個(gè)等離子體工 藝； d) 能對絕緣材料實(shí)施離子注入； e) 注入過程中的大劑量低能離子電流能夠滿足微 電子的工藝要求；不同物件間有相對獨(dú)立的鞘 層，因此可批量處理，提高效率。 1. 等離子體浸沒式離子注入技術(shù)等離子體浸沒式離子注入技術(shù) 離子束表面工程技術(shù)的發(fā)展離子束表面工程技術(shù)的發(fā)展 缺點(diǎn)： a) 由于沒有質(zhì)量分離系統(tǒng)，注入離子種類不純， 注入能量不均勻； b) 由于靶臺電場

11、分布不均勻，注入離子劑量分布 不均勻； c) 注入劑量的精確控制比較困難； d) 形狀復(fù)雜的工件如小孔的處理仍受限制； e) 注入電壓一般低于100kV，如果注入過程電壓 過高，會產(chǎn)生射線等有害物質(zhì)等。 離子束表面工程技術(shù)的發(fā)展離子束表面工程技術(shù)的發(fā)展 2. 強(qiáng)流脈沖離子束技術(shù)強(qiáng)流脈沖離子束技術(shù) 強(qiáng)流脈沖離子束(High-intensity pulsed ion beam-HIPIB)通常指離子能量E=105-107eV， 離子束流密度Ji1 Acm2，功率密度P=107- 1014Wcm2，能量密度q1 Jcm2的離子束 ，亦稱之為強(qiáng)脈沖離子束。 離子束表面工程技術(shù)的發(fā)展離子束表面工程技術(shù)的

12、發(fā)展 2. 強(qiáng)流脈沖離子束技術(shù)強(qiáng)流脈沖離子束技術(shù) 該裝置主要包括高功率脈沖電源和真空離子二極 管兩部分。高功率脈沖電源產(chǎn)生短脈沖寬度的高 壓脈沖傳輸?shù)秸婵针x子二極管，由離子二極管完 成離子的產(chǎn)生、加速和引出，最終形成HIPIB。 離子束表面工程技術(shù)的發(fā)展離子束表面工程技術(shù)的發(fā)展 2. 強(qiáng)流脈沖離子束技術(shù)強(qiáng)流脈沖離子束技術(shù) HIPIB與材料表面相互作用主要伴隨以下三個(gè)過程： 1. 能量傳輸過程材料的快速加熱、熔化和蒸發(fā)/燒蝕 及隨后快速冷卻； 2. 質(zhì)量傳輸過程表面燒蝕等離子體的形成與膨脹，表 面成分發(fā)生擴(kuò)散遷移； 3. 動量傳輸過程反沖沖量及材料內(nèi)部應(yīng)力波的形成。 目前，HIPIB與材料之間的

13、相互作用機(jī)理還不十分清楚， 但HIPIB輻照顯著的熱一力學(xué)效應(yīng)可導(dǎo)致材料在遠(yuǎn)大于 離子射程深度內(nèi)產(chǎn)生成分、結(jié)構(gòu)和性能的顯著變化， 被普遍認(rèn)為是HIPIB輻照材料表面改性的主要基礎(chǔ)。 離子束表面工程技術(shù)的發(fā)展離子束表面工程技術(shù)的發(fā)展 2. 強(qiáng)流脈沖離子束技術(shù)強(qiáng)流脈沖離子束技術(shù) 離子注入、激光輻照和HIPIB輻照處理P6M5 高速工具鋼顯微硬度深度變化曲線 HIPIB技術(shù)硬化效果顯著。 不僅可以提供很高的能量 密度，而且輻照面積也可 增至100 cm2，其離子束 的能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)15 40(激光約1)，使離 子與材料的相互作用明顯 加強(qiáng)。 離子束表面工程技術(shù)的發(fā)展離子束表面工程技術(shù)的發(fā)展 2. 強(qiáng)流脈沖離子束技術(shù)強(qiáng)流脈沖離子束技術(shù) 特點(diǎn)： 1. 適用性廣泛，即可處理金屬、陶瓷，又可以處理 涂層。 2. 顯著提高材料表面性能。HIPIB顯著改變材料表面 形貌、成分和相結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致性能變化。鈷基和鎳基 硬質(zhì)鎢合金經(jīng)HIPIB后，表面層硬度提高，耐磨性 增強(qiáng)；316L不銹鋼經(jīng)HIPIB后，表面顯微硬度提高， 摩擦系數(shù)降低，磨損量減少，在0.5mol/L的H2SO4 溶液中電化學(xué)腐蝕性能顯著提高。 離子束表面工程技術(shù)的發(fā)展離子