離子注入表面處理

1、離子注入技術(shù)表面處理Ion Implantation Technology目錄第一部分第三部分離子注入技術(shù)簡(jiǎn)介文獻(xiàn)研讀. 高能注入. 低能注入第二部分第四部分離子注入在金屬表面改性中應(yīng)用總結(jié)與展望離子注入技術(shù)簡(jiǎn)介TEXT離子束射到固體材料以后，受到固體材料的抵抗而速度慢慢減低下來，并最終停留在固體材料中，這一現(xiàn)象就叫做離子注入什么是離子注入？TEXT什么是離子注入技術(shù)？在真空系統(tǒng)中，用經(jīng)過加速的，要摻雜的原子的離子注入固體材料，從而在被注入的區(qū)域形成一個(gè)具有特殊性質(zhì)的表面層離子注入技術(shù)簡(jiǎn)介TEXT通過離子注入技術(shù)可以使金屬材料表面陶瓷化和金剛石化，使其披上一層十分堅(jiān)固的盔甲。常用注入原子有:碳

2、、氮、氧、硼、氦、磷、鐵、鋁、鋅、鈷、錫、鎳等，注入原子原則上可以是元素周期表中的任何元素，被注入基體原則上可以是任何材料離子注入金屬表面改性改善化學(xué)性能改善物理性能改善機(jī)械性能價(jià)值離子注入技術(shù)簡(jiǎn)介離子注入改性機(jī)理高速離子注入金屬后,與金屬中的原子、電子發(fā)生彈性碰撞(離子能量較低)、非彈性碰撞(離子能量較高),逐漸把離子的動(dòng)能傳遞給反沖原子和電子,完成能量的傳遞和沉積如果晶格原子從碰撞中獲得足夠的能量(大于移位閥功即克服斷鍵能和克服勢(shì)壘作功之和),則被撞擊原子將越過勢(shì)壘而離開晶格位置進(jìn)入原子間隙成為間隙原子如果反沖原子獲得的反沖能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過移位閥功,它會(huì)繼續(xù)與晶格原子碰撞,產(chǎn)生新的反沖原子,發(fā)

3、生“級(jí)聯(lián)碰撞”離子注入金屬表面后,有助于析出金屬化合物和合金相、形成彌散強(qiáng)化相、位錯(cuò)網(wǎng)，靈活地引入各種強(qiáng)化因子,即摻雜強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化離子注入技術(shù)簡(jiǎn)介1.進(jìn)入金屬晶格的離子濃度不受熱力學(xué)平衡條件的限制2.注入是無(wú)熱過程,可在室溫或地溫下進(jìn)行，不引起金屬熱變形3.注入離子在基體中與基體原子混合,沒有明顯的界面,注入層不會(huì)像鍍層或涂層那樣發(fā)生脫落現(xiàn)象添加文本添加文本添加文本添加文本添加文本4.不受合金相圖中固溶度的限制,能注入互不相容的雜質(zhì),可改變金屬材料的表面硬度,斷裂韌度,彎曲強(qiáng)度,提高耐磨性可以進(jìn)行新材料的開發(fā);注入離子在基體中進(jìn)行原子級(jí)混合,可以形成固溶體、化合物或新型合金。5.技術(shù)特點(diǎn)離子

4、注入技術(shù)簡(jiǎn)介注入溫度能量和劑量離子種類升溫往往使注入所得的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)(如過飽和固溶體和非晶態(tài))轉(zhuǎn)變成平衡狀態(tài)，從而使注入而硬化的表面層發(fā)生軟化；加速表面層原子擴(kuò)散，使得注入層濃度降低。對(duì)于金屬表面改性用離子注入,一般要求在常溫或低溫(碰撞起主要作用)下(如小于100)進(jìn)行。一般來說,對(duì)于金屬材料,注入離子的劑量越大、濃度越大、分布越均勻,表面改性效果就越好。注入離子能量和劑量的調(diào)節(jié)是通過改變離子注入的電參數(shù)實(shí)現(xiàn)的,改變離子源和加速器能量,可以調(diào)整離子注入的濃度和深度選擇原子半徑大的注入離子在合適溫度下盡量吸附在位錯(cuò)上注入間隙原子,如N、O或C，以有利于形成各種復(fù)雜的化合物,從而形成彌散強(qiáng)化影響

5、因子離子注入在金屬表面改性中應(yīng)用提高表面硬度與強(qiáng)度 大量的實(shí)驗(yàn)和研究表明:離子注入可以不同程度的提高金屬材料表面的強(qiáng)度和硬度;金屬表面的硬度和強(qiáng)度隨著注入劑量的增加而增加。當(dāng)金屬中注入碳、氮、氧和磷等非金屬元素時(shí),可在金屬近表面中析出碳化物、氮化物、磷化物等彌散相,表面洛氏硬度得到提高。TABLEN+ 注入后金屬表面硬度增加量離子注入在金屬表面改性中應(yīng)用提高抗磨損、抗氧化、抗腐蝕和抗疲勞性能 通常認(rèn)為離子注入使基體相晶面間距增大,產(chǎn)生晶格畸變和形成新的強(qiáng)化相,是材料硬度和耐磨性提高的主要原因。常采用N、Cr、Te、Mo等離子注入來提高金屬材料的耐磨性和鐵合金的表面力學(xué)性能。 H13鋼塑料模具注

6、入N離子后,耐磨性和耐腐蝕性提高,注入鋁離子鋼的抗氧化性提高。FIGURE65Nb鋼實(shí)驗(yàn)結(jié)果離子注入在金屬表面改性中應(yīng)用降低摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)表明:摩擦系數(shù)的增減與注入離子的種類有關(guān)，增減幅度與注入離子的劑量和能量有關(guān)。FIGURE Co離子注入HSS樣品的摩擦系數(shù)與摩擦次數(shù)的關(guān)系TABLE離子注入降低摩擦系數(shù)的效果文獻(xiàn)研讀Ion Implantations of Oxide Dispersion Strengthened Steels氧化物彌散強(qiáng)化鋼的離子注入文獻(xiàn)閱讀TEXTIntroduction在核電行業(yè)中對(duì)結(jié)構(gòu)材料的要求很高，例如反應(yīng)堆壓力容器鋼，因?yàn)檫@些材料都將受到巨大的輻射，高強(qiáng)度的熱應(yīng)

7、力和器械應(yīng)力。隨著對(duì)核電行業(yè)當(dāng)今的迅速發(fā)展，對(duì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)材料的研究很有必要。點(diǎn)擊此處添加標(biāo)題ODS steel MA956 因?yàn)榛诤秀t、鋁和硅等合金元素以及形成了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定彌散氧化物，所以具有的高難熱腐蝕性。因其在各方面的優(yōu)異性能，它被大量應(yīng)用于第四代核電站的核反應(yīng)堆壓力容器中。點(diǎn)擊此處添加標(biāo)題文中主要研究了樣品在輻射前是否收到熱應(yīng)力對(duì)其輻射損傷的評(píng)估（用離子注入技術(shù)模擬）文獻(xiàn)研討Materials Preparation and TreatmentMaterials: MA956 氧化物彌散強(qiáng)化鋼，鋼釘切割后樣品達(dá)到 10*10 *0.4 (max 0.6) mm打磨，拋光（拋光所用的顆粒尺

8、寸為0.5m）熱處理離子注入測(cè)試文獻(xiàn)研討在離子注入前共制備出四中不同處理樣品：采用氫離子注入，注入劑量：6.24 1017 ions/cm2 ，注入能力：800 keV ，注入溫度不超過100文獻(xiàn)研討Experimental Results 所有處理樣品都將用設(shè)置FWHM參數(shù)接近200 ps的fastfast mode下的正電子湮沒壽命譜儀（Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy, PALS)來進(jìn)行測(cè)量。正電子是電子的反粒子,兩者除電荷符號(hào)相反外,其他性質(zhì)（靜止質(zhì)量、電荷的電量、自旋）都相同。正電子源放射的正電子（同時(shí)發(fā)射能量為1.27 MeV的

9、光子）入射到測(cè)試樣品中,同其中的電子發(fā)生湮沒,放出射線(511 keV的光子)。用1.27 MeV的光子標(biāo)志正電子的產(chǎn)生,并作為起始信號(hào),511 keV的湮沒輻射光子標(biāo)志正電子的“死亡”，并作為終止信號(hào)。兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間就是正電子湮沒壽命。文獻(xiàn)研討 PALS能夠測(cè)量樣品在深度120m以上缺陷尺寸和濃度。用PALS測(cè)得在缺陷中，正電子壽命和正電子湮沒強(qiáng)度運(yùn)用LT 10 軟件得出對(duì)應(yīng)的缺陷尺寸和缺陷數(shù)量文獻(xiàn)研討樣品的缺陷中的湮沒壽命和缺陷強(qiáng)度與處理方法的關(guān)系圖1、未經(jīng)離子注入的樣品的湮沒壽命在260 ps左右，說明樣品中空位團(tuán)的大小為52、橫切和縱切樣品的測(cè)試結(jié)果不一樣可能是因?yàn)椴煌懈罘较蚝颓?/p>

10、割位置造成的微觀結(jié)構(gòu)不均勻性3、MLT100樣品的湮沒壽命處于未進(jìn)行熱處理樣品中間，但其缺陷強(qiáng)度卻下降，說明空位缺陷減少，這可能是由于退火發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶過程,MLT500也有相同情況但在更長(zhǎng)時(shí)間退火后缺陷略微增加4、氫離子注入前后，樣品淹沒壽命明顯增加（特別是經(jīng)過熱處理），缺陷強(qiáng)度變化不明顯，即其空位數(shù)量不變但空位尺寸增大文獻(xiàn)研討平均湮沒壽命計(jì)算公式：注入前后各樣品的平均湮沒壽命對(duì)比圖1、結(jié)構(gòu)不均勻性和熱處理造成平均湮沒壽命不同2、所有樣品經(jīng)過離子注入后其平均湮沒壽命都增加，即離子注入使得空位尺寸增大文獻(xiàn)研討注入前后各樣品的缺陷濃度對(duì)比圖通過LT 20 軟件計(jì)算出缺陷濃度1、熱處理會(huì)使缺陷濃

11、度減少，且隨著退火時(shí)間增加濃度越低2、通過離子注入后的樣品，其缺陷濃度大幅下降（主要是因?yàn)槿毕葜械匿螞]壽命的增長(zhǎng)），又一次得出空位尺寸增加，即更大尺寸空位團(tuán)形成的結(jié)論文獻(xiàn)研討Conclusion文中研究了氫離子注入模擬輻射損傷以及不同時(shí)間退火處理方，對(duì)氧化物彌散強(qiáng)化鋼MA956的結(jié)構(gòu)影響。得出以下結(jié)論：氫離子注入能使得樣品缺陷尺寸從4個(gè)空位的空位團(tuán)增大到56個(gè)空位的空位團(tuán)大小，同時(shí)熱處理也能使得空位尺寸增大缺陷強(qiáng)度并沒有隨著退火時(shí)間發(fā)生明顯變化，特別對(duì)于經(jīng)過離子注入樣品缺陷濃度計(jì)算結(jié)果顯示隨著退火時(shí)間延長(zhǎng)和氫離子的注入，缺陷濃度降低縱切和橫切引起的微觀結(jié)構(gòu)不均勻性帶來了一些誤差以上得出的是一些

12、初步結(jié)論，后續(xù)研究將會(huì)有進(jìn)一步深入文獻(xiàn)研讀Investigation of Various Phases of FeSi Structures Formed in Si by Low Energy Fe Ion Implantation對(duì)通過低能鐵離子注入在硅表面形成不同鐵硅結(jié)構(gòu)相的研究文獻(xiàn)研討 Experimental Instruments and MethodsInstruments: 低能離子注入器(IBMAL), 離子源(NEC), XPS(PHI 5000 Versaprobe), XRD(Rigaku Ultima III)Methods：Fe ion(50KeV，0.50 10

13、 17 atoms/cm 2 and 2.16 10 17 atoms/cm 2 )into Si (100)，room temperature, vacuum在真空下不同樣品分別在500和800下退火60分鐘測(cè)試文獻(xiàn)研討Results and Discussion不同注入劑量樣品的XRD：根據(jù)衍射峰判定，在低注入劑量（ 0.50 10 17 atoms/cm 2 ）并經(jīng)過退火后只有FeSi2 相和FeSi相出現(xiàn)，沒有Fe3Si 或其亞穩(wěn)態(tài)相出現(xiàn)文獻(xiàn)研討根據(jù)衍射峰判定，在高注入劑量（ 2.1610 17 atoms/cm 2 ）下，經(jīng)過500退火后有F三種不同的Fe-Si相在表面和14nm處出

14、現(xiàn)：FeSi2 相、FeSi相和Fe3Si相，但經(jīng)過800退火后只有FeSi2 相出現(xiàn)文獻(xiàn)研討通過三種Fe-Si相不同的峰值結(jié)合能對(duì)XPS采集的距表面14nm的Fe 2p3/2 峰值結(jié)合能數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行剝離得到右圖所示：高注入劑量（ 2.1610 17 atoms/cm 2 ）文獻(xiàn)研討基于XRD和XPS測(cè)試結(jié)果的各類穩(wěn)定Fe-Si相濃度的深度分布圖Conclusion基于右圖，能測(cè)定用離子注入方法在硅集體上合成的Fe-Si薄膜的各類相的深度分布1、離子注入后形成的無(wú)定型的a-FeSi2 經(jīng)過退火后結(jié)晶形成-FeSi2 2、樣品在高能離子注入后距表面14nm到28nm處生成三種相3、a- Fe3S

15、i在經(jīng)過500 1h退火后結(jié)晶形成晶體Fe3Si，經(jīng)過800 1h退火后轉(zhuǎn)化成-FeSi2 和FeSi2.1610 17 atoms/cm 2 總結(jié)與展望TEXT離子注入技術(shù)總結(jié)與展望離子注入屬原子級(jí)表面加工技術(shù)。其改性效果明顯、效率高、可控性和可操作性強(qiáng)、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)逐漸顯出強(qiáng)大的生命力和優(yōu)勢(shì)。但離工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化道路還有一段距離,作者認(rèn)為有以下發(fā)展方向:(1)從注入離子與金屬表面相互作用的物理化學(xué)與冶金規(guī)律出發(fā),探討注入工藝參數(shù)對(duì)表面改性層結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律;(2)提高改性層厚度,探討注入層厚度增長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)影響因素；(3)實(shí)現(xiàn)多元注入、高能注入、不同能量重疊注入；(4)加大研究與開發(fā)

16、力度,使離子注入這一新型表面改性技術(shù)多領(lǐng)域、多功能、多形式的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1 S. Sojak, J. Simeg Veternikova, V. Slugen, M. Petriska, et al. Ion Implantations of Oxide Dispersion Strengthened SteelsJ. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B.2 Wickramaarachchige J, Lakshantha, et al. Investigation of Various Phases of FeSi Structures Formed in Si by Low Energy Fe Ion ImplantationJ. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B.3 馮凱. 離子注入提高不銹鋼耐腐蝕和表面導(dǎo)電性質(zhì)的研究D. 上海：上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文, 2011.4 陳