離子束表面改性技術

1、離子束表面改性技術研究綜述蘇文玉（齊魯工業(yè)大學，機械與汽車工程學院，機械設計制造及其自動化，201107051025 ）摘要： 本文針對離子束表面改性技術的由來、發(fā)展歷程、研究水平及主要應用領域進 行闡述。并對現(xiàn)階段該技術存在的問題進行簡要介紹，最后對該技術未來的研究及發(fā)展方向 做出展望。關鍵詞：離子束表面改性技術；發(fā)展歷程；應用領域；存在問題;發(fā)展方向0引言離子束表面改性技術是70年代初逐漸發(fā)展起來的一種新穎的表面改性技術。該技術是 把工件放在離子注入機的真空室中，在幾十至幾百千伏的電壓下，把所需元素的離子注入 到工件表層內的一種表面強化處理工藝。大量實踐已證實，離子注入能使工件的摩擦系數(shù)、

2、 耐磨性、抗蝕性、耐疲勞性以及超導性能、催化性能、光學性等發(fā)生顯著的變化。11離子束表面改性技術的發(fā)展歷程隨著離子注入技術的發(fā)展，離子注入已從單一元素的注入發(fā)展到離子束混合、離子束增強沉 積等復合注入技術。1987年，美國Wiscosion大學Cnrad教授成功地發(fā)明了等離子體源離 子注入技術，從根本上克服了傳統(tǒng)的離子注入只能進行“視線注入”（即只有正對著離子槍 口的工件表面才能被注入離子）的致命弱點,使離子注入表面改性技術產生了一個突破性的 發(fā)展。2離子束表面改性技術的現(xiàn)階段研究水平2.1離子束表面改性技術在聚合物材料領域研究現(xiàn)狀目前，科學工作者認識到離子束注入聚合物中可改變聚合物的機械性能

3、、化學性能和物 理性能等。其中，硬度、耐摩擦磨損性、抗化學分解、抗氧化性、光學不透明度、導電性以 及表面能等都將得到增強。在20世紀70年代后期,導電聚合物的偶然發(fā)現(xiàn)引發(fā)了對導電聚合物的積極研究。其中 離子束處理在微電子技術方面的突破（如：離子束印刷、電子元件刻蝕等技術）、使聚合物受 到輻射后性能變化的受控應用變得越來越重要。雖然導電聚合物在微電子技術方面提供了許 多吸引人的特性,但是它們的熱性能與力學性能的不穩(wěn)定性成了其發(fā)展的主要障礙。最新的 研究發(fā)現(xiàn)，采用離子注入技術，選擇適當?shù)碾x子種類和劑量能使聚酰亞胺的電導性能大幅度 提高,通過在聚酰亞胺上構造導電層可使其具有良好的熱穩(wěn)定性和柔韌。以前

4、關于離子注入 聚合物的研究重點是放在電導率上，對與力學性能有關的聚合物輻射效應的研究主要考慮紫 外線（UV）和 射線等的輻射效應,即僅用于核技術方面。然而，最近研究發(fā)現(xiàn)這類輻射源在 聚合物改性方面比高能離子作用小得多。離子注入有機硅能使其強度提高，這一事實很早就被人們發(fā)現(xiàn)了。但是精確的表面敏感 特性,如:表面硬度、耐磨性能的測試由于受到儀器精度和技術條件的限制而沒得到深入研 究。近年來，由于確定納米范圍內表面薄膜硬度的納米量級超顯微硬度計的發(fā)展又推動了這 一研究。用離子注入技術獲得表面敏感的力學、化學、物理性能（如表面硬度、摩擦阻力、 抗腐蝕能力等）的實驗取得了新的進展。用離子注入處理后的聚合

5、物材料的硬度比目前公認 的最硬的馬氏體鋼硬度還高，其耐磨性能也比鋼強。美國O AK RIDGE國家實驗室的研究表 明，在球盤式磨損實驗機上用滾珠鋼球對表面超硬聚合物做往復磨損實驗，結果發(fā)現(xiàn)直到鋼 球表面被嚴重磨損，這種表面超硬的聚合物也無明顯磨損。利用這種離子束與聚合物相互作 用的表面改性的新方法，不僅開創(chuàng)了一個全新的聚合物開發(fā)領域，而且可以解決那些受到硬 度和耐磨性能不足影響的傳統(tǒng)工程機械部件的優(yōu)化問題。這種表面超硬耐磨的聚合物在航 空、航天、核電設施、光學及電子器件、交通運輸工具、精密機械、化學化工等領域都將有 廣泛的應用前景。22.2離子束表面改性技術在鋁合金領域的研究現(xiàn)狀鋁合金具有密度

6、小，塑性好等優(yōu)點，被廣泛用于航空航天領域。隨著航空航天工業(yè)和高 技術產業(yè)的迅速發(fā)展，為了適應高強度、耐腐蝕和輕量化等要求，鋁合金的應用越來越受到 重視。然而由于其質地軟，摩擦系數(shù)高，磨損大，其應用范圍受到了限制。近十幾年來，離 子注入改善鋼鐵等金屬的表面性能的研究已取得了許多重要結果。離子注入改善銅、欽等合金耐磨性的研究也有所報道。對于鋁合金的離子束改性，國內 外的研究多側重于提高抗腐蝕性或研制多層膜功能材料方面，對于其強化鋁合金耐磨性方 面，迄今研究甚少。我們采用離子束強化技術，將欽離子動態(tài)反沖注入到LY12硬鋁試件， 顯著提高了表面硬度，降低了滑動摩擦系數(shù)，提高了耐磨性。本文還對注入與未注

7、入樣品進 行了乂射線衍射分析，探討了欽離子動態(tài)反沖注入匚丫 12硬鋁提高其硬度及耐磨性的機理。32.3離子束表面改性技術在金屬與陶瓷領域的研究現(xiàn)狀近年來，用荷能離子束對金屬和陶瓷材料的近表面區(qū)進行改性的研究工作得到很大的 發(fā)展，離子束注入和離子束混合使材料的近表區(qū)結構、組成均發(fā)生變化，還因離子輻照引起 碰撞級聯(lián)造成缺陷，這些作用最終影響到材料的性能.離子注入固體或薄膜的表面，不僅 是使其改性的重要手段，而且也是材料基礎研究的一種理想的工具。42.4離子束表面改性技術在陶瓷材料領域的研究現(xiàn)狀新型結構陶瓷具有高硬度、高強度、良好的耐磨性能、優(yōu)異的化學穩(wěn)定性及高溫力學性 能，近年來有關的研究十分活躍

8、。但是，陶瓷材料的致命弱點是脆性很大而無多少延性，在 實用中易引起零件的早期失效或脆性斷裂，從而極大地限制了其廣泛應用。陶瓷材料的摩擦 系數(shù)和磨損率也比較高，使得陶瓷制成的精密轉動和滑動零件以及軸承、模具、刀具在服役 時囤磨損量大而達不到預期壽命。國內外的研究人員不僅致力于陶瓷材料增韌技術的研究， 而且也日益重視陶瓷材料摩擦磨損和潤滑的研究，并且逐漸成為當前材料科學和摩擦學領域 的前沿課題之一。53離子束表面改性技術的主要應用領域3.1在微電子工業(yè)中的應用離子注入技術在微電子工業(yè)中的應用主要是利用其如下特點：摻雜量和注入深度可以精確控制； 注入到硅中的雜志是直進的，橫向擴散比熱擴散小十倍；摻雜

9、層大，面積均勻，重復性好和雜志純度高。離子注入技術也因此成為現(xiàn)代微電子技術中的基礎工藝，在集成電路從中小規(guī)模發(fā)展到超 大規(guī)模的過程中發(fā)揮了至關重要的作用，并在微波、激光和紅外集成原件中也得到廣泛應用。 63.2生物醫(yī)學中應用現(xiàn)代醫(yī)學中，生物醫(yī)用材料在人體硬組織缺損、缺失的修復和重建方面發(fā)揮著日益重要 的作用。然而，隨著技術的進步和醫(yī)學問題的復雜化，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合后，很難做到性能上的 完全匹配，不能完全滿足臨床應用中對耐磨性、耐蝕性、生物相容性的要求等。離子束表面 改性技術代價小、耗時少，在制備綜合性能良好的生物醫(yī)

10、用材料方面優(yōu)勢顯著。其中，離子 注入技術以其獨有的改性特點脫穎而出，應用日益廣泛，成為廣大科研工作者研究的焦點。 8主要用于假體、骨釘、膝和骨關節(jié)，注入離子后，假體的壽命可超過患者的壽命。合金骨科植入物，注入后抗蝕性提高。外科不銹鋼中，疲勞壽命提高，點蝕減少。合金假體，抗腐蝕性提高；表面鈍化。3.3離子注入技術在機械工業(yè)中的應用大量實驗結果證明，當采用高能量離子注入機將各種離子大劑量注入基材表面以后，基 材表面性質會發(fā)生很大變化，主要表現(xiàn)在以下幾方面：離子注入改變材料耐蝕性和抗高溫氧化性能；離子注入技術可以提高機械零件的耐磨性、疲勞強度；離子注入技術可以提高材料的硬度和強度。94離子束表面改性

11、技術的存在問題常規(guī)離子注入深度很淺，在能量范圍為40500keV時，穿入深度1.0 “m。設備復雜。主要包括真空系統(tǒng)、旋轉靶室、離子源和高壓加速，分析、偏轉掃描、復雜 的加工參數(shù)檢測系統(tǒng)和全自動計算機控制系統(tǒng)，因此設備成本高。技術難度大，它所涉及的技術問題復雜，如離子碰撞和能量損失問題。由于離子的表面濺射效應，使較重的離子注入很難得到高濃度摻雜。由此可見，離子注 入有許多優(yōu)點是其他技術無法得到的，因此這項技術才獨樹一幟，取得了許多重要應用成果。 但是離子注入所引起薄膜改性層薄，則限制了這種技術的發(fā)展，因此取離子注入精確可控和 沉積技術可得到厚的改性層的優(yōu)點，用離子注入與離子束沉積相結合來改善薄

12、膜與基體粘合 特性，改變沉積膜的結構、成分和增加沉積膜的密度等，來改善沉積膜的質量，并且可以得 到厚度數(shù)微米的工藝薄膜。105離子束表面改性技術的發(fā)展方向離子注入屬原子級表面加工技術。其改性效果明顯、效率高、可控性和可操作性強、 無污染等優(yōu)點逐漸顯出強大的生命力和優(yōu)勢。但離工業(yè)化、產業(yè)化道路還有一段距離，未來 主要有以下發(fā)展方向：從注入離子與金屬表面相互作用的物理化學與冶金規(guī)律出發(fā)，探討注入工藝參數(shù) 對表面改性層結構和性能的影響規(guī)律；提高改性層厚度，探討注入層厚度增長動力學、熱力學影響因素；實現(xiàn)多元注入、高能注入、不同能量重疊注入。加大研究與開發(fā)力度，使離子注入這一新型表面改性技術多領域、多功

13、能、多形 式的應用。聚合物材料在離子束表面改性后呈現(xiàn)出許多非常優(yōu)良的特性。特別在表面硬度及 耐磨損性能方面更顯現(xiàn)出獨特的優(yōu)越性。鑒于聚合物材料具有密度小、成本低、易成型、耐 腐蝕等優(yōu)點，如果再使其具有高硬度、高耐磨性和高的導電性能，這種材料將對航空、航天、 車輛、機械、化工及核電等領域產生巨大的影響。目前,由于對聚合物離子束表面改性的本 質認識不足,不同的材料所能達到的效果不同，還未找到某種特定的聚合物材料在何種工藝 條件下能使其達到最佳的化學、物理、力學特性的匹配規(guī)律。而要解決這個問題，就要研究 離子束與聚合物材料表面間相互作用的物理過程，計算各種離子在聚合物中的能量沉積過程 及注入離子的分

14、布，分析離子注入的硬化層中不飽和鍵的形成、分子鏈的交聯(lián)及斷鏈與聚合 物結構、注入工藝參數(shù)間的關系,研究它們對性能影響，預計該方向是今后研究的熱點。參考文獻：唐國翌；朱明；陳錫花；方健J.1999年10期.清華大學材料科學與工程系，北京100084；清 華大學學報（自然科學版）王鈞石.離子束表面改性技術簡介J.西南交通大學材料工程系,2000年03期張穎；胡正瓊；王貽華.鋁合金的離子束表面改性及其分析J.北京航空航天大學；機械工程材料學 報,1996年04期。戚震中；姚偉國；金屬與陶瓷的離子束表面改性M.中國科學院固體物理研究所；中國科學院固體物 理研究所合肥；1987年03期崔琳.離子注入結構陶瓷表面改性技術的研究現(xiàn)狀J.兵器材料科學與工程1999年第2期.景俊海；.離子注入表面改性技術的應用J.西安電子科技大學；，1991年01期趙治國；萬怡灶；王玉林；黃遠；生物材料的離子注入表面改性，天津大學材料科學與工程學院；天 津大學材料科學與工程學院天津300072；天津300072；金屬熱處理，Heat Treatment of Metals, 2006 年08期趙治國；萬怡灶；王玉林；黃遠；生物材料的離子注入表面改性；天津大學材料科學與工程學院； 天津大學材料科學