離子束表面改性技術(shù)

1、離子束表面改性技術(shù)研究綜述蘇文玉（齊魯工業(yè)大學(xué)，機(jī)械與汽車工程學(xué)院，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化，201107051025 ）摘要： 本文針對離子束表面改性技術(shù)的由來、發(fā)展歷程、研究水平及主要應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn) 行闡述。并對現(xiàn)階段該技術(shù)存在的問題進(jìn)行簡要介紹，最后對該技術(shù)未來的研究及發(fā)展方向 做出展望。關(guān)鍵詞：離子束表面改性技術(shù)；發(fā)展歷程；應(yīng)用領(lǐng)域；存在問題;發(fā)展方向0引言離子束表面改性技術(shù)是70年代初逐漸發(fā)展起來的一種新穎的表面改性技術(shù)。該技術(shù)是 把工件放在離子注入機(jī)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(nèi)的一種表面強(qiáng)化處理工藝。大量實(shí)踐已證實(shí)，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(dǎo)性能、催化性能、光學(xué)性等發(fā)生顯著的變化。11離子束表面改性技術(shù)的發(fā)展歷程隨著離子注入技術(shù)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(qiáng)沉 積等復(fù)合注入技術(shù)。1987年，美國Wiscosion大學(xué)Cnrad教授成功地發(fā)明了等離子體源離 子注入技術(shù)，從根本上克服了傳統(tǒng)的離子注入只能進(jìn)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(diǎn),使離子注入表面改性技術(shù)產(chǎn)生了一個(gè)突破性的 發(fā)展。2離子束表面改性技術(shù)的現(xiàn)階段研究水平2.1離子束表面改性技術(shù)在聚合物材料領(lǐng)域研究現(xiàn)狀目前，科學(xué)工作者認(rèn)識到離子束注入聚合物中可改變聚合物的機(jī)械性能

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

4、關(guān)于離子注入 聚合物的研究重點(diǎn)是放在電導(dǎo)率上，對與力學(xué)性能有關(guān)的聚合物輻射效應(yīng)的研究主要考慮紫 外線（UV）和 射線等的輻射效應(yīng),即僅用于核技術(shù)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(jī)硅能使其強(qiáng)度提高，這一事實(shí)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(shù)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(nèi)表面薄膜硬度的納米量級超顯微硬度計(jì)的發(fā)展又推動(dòng)了這 一研究。用離子注入技術(shù)獲得表面敏感的力學(xué)、化學(xué)、物理性能（如表面硬度、摩擦阻力、 抗腐蝕能力等）的實(shí)驗(yàn)取得了新的進(jìn)展。用離子注入處理后的聚合

5、物材料的硬度比目前公認(rèn) 的最硬的馬氏體鋼硬度還高，其耐磨性能也比鋼強(qiáng)。美國O AK RIDGE國家實(shí)驗(yàn)室的研究表 明，在球盤式磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上用滾珠鋼球?qū)Ρ砻娉簿酆衔镒鐾鶑?fù)磨損實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)直到鋼 球表面被嚴(yán)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(gè)全新的聚合物開發(fā)領(lǐng)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(jī)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(shè)施、光學(xué)及電子器件、交通運(yùn)輸工具、精密機(jī)械、化學(xué)化工等領(lǐng)域都將有 廣泛的應(yīng)用前景。22.2離子束表面改性技術(shù)在鋁合金領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀鋁合金具有密度

6、小，塑性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于航空航天領(lǐng)域。隨著航空航天工業(yè)和高 技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，為了適應(yīng)高強(qiáng)度、耐腐蝕和輕量化等要求，鋁合金的應(yīng)用越來越受到 重視。然而由于其質(zhì)地軟，摩擦系數(shù)高，磨損大，其應(yīng)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(jié)果。離子注入改善銅、欽等合金耐磨性的研究也有所報(bào)道。對于鋁合金的離子束改性，國內(nèi) 外的研究多側(cè)重于提高抗腐蝕性或研制多層膜功能材料方面，對于其強(qiáng)化鋁合金耐磨性方 面，迄今研究甚少。我們采用離子束強(qiáng)化技術(shù)，將欽離子動(dòng)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(dòng)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(jìn) 行了乂射線衍射分析，探討了欽離子動(dòng)態(tài)反沖注入匚丫 12硬鋁提高其硬度及耐磨性的機(jī)理。32.3離子束表面改性技術(shù)在金屬與陶瓷領(lǐng)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(jìn)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(jié)構(gòu)、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(chǔ)研究的一種理想的工具。42.4離子束表面改性技術(shù)在陶瓷材料領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀新型結(jié)構(gòu)陶瓷具有高硬度、高強(qiáng)度、良好的耐磨性能、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性及高溫力學(xué)性 能，近年來有關(guān)的研究十分活躍

8、。但是，陶瓷材料的致命弱點(diǎn)是脆性很大而無多少延性，在 實(shí)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(yīng)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(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)零件以及軸承、模具、刀具在服役 時(shí)囤磨損量大而達(dá)不到預(yù)期壽命。國內(nèi)外的研究人員不僅致力于陶瓷材料增韌技術(shù)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(dāng)前材料科學(xué)和摩擦學(xué)領(lǐng)域 的前沿課題之一。53離子束表面改性技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域3.1在微電子工業(yè)中的應(yīng)用離子注入技術(shù)在微電子工業(yè)中的應(yīng)用主要是利用其如下特點(diǎn)：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(jìn)的，橫向擴(kuò)散比熱擴(kuò)散小十倍；摻雜

9、層大，面積均勻，重復(fù)性好和雜志純度高。離子注入技術(shù)也因此成為現(xiàn)代微電子技術(shù)中的基礎(chǔ)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(guān)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(yīng)用。 63.2生物醫(yī)學(xué)中應(yīng)用現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，生物醫(yī)用材料在人體硬組織缺損、缺失的修復(fù)和重建方面發(fā)揮著日益重要 的作用。然而，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、耐蝕性、生物相容性的要求等。離子束表面 改性技術(shù)代價(jià)小、耗時(shí)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(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)。 8主要用于假體、骨釘、膝和骨關(guān)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(diǎn)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(shù)在機(jī)械工業(yè)中的應(yīng)用大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，當(dāng)采用高能量離子注入機(jī)將各種離子大劑量注入基材表面以后，基 材表面性質(zhì)會(huì)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(shù)可以提高機(jī)械零件的耐磨性、疲勞強(qiáng)度；離子注入技術(shù)可以提高材料的硬度和強(qiáng)度。94離子束表面改性

11、技術(shù)的存在問題常規(guī)離子注入深度很淺，在能量范圍為40500keV時(shí)，穿入深度1.0 “m。設(shè)備復(fù)雜。主要包括真空系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)靶室、離子源和高壓加速，分析、偏轉(zhuǎn)掃描、復(fù)雜 的加工參數(shù)檢測系統(tǒng)和全自動(dòng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，因此設(shè)備成本高。技術(shù)難度大，它所涉及的技術(shù)問題復(fù)雜，如離子碰撞和能量損失問題。由于離子的表面濺射效應(yīng)，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(diǎn)是其他技術(shù)無法得到的，因此這項(xiàng)技術(shù)才獨(dú)樹一幟，取得了許多重要應(yīng)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(shù)的發(fā)展，因此取離子注入精確可控和 沉積技術(shù)可得到厚的改性層的優(yōu)點(diǎn)，用離子注入與離子束沉積相結(jié)合來改善薄

12、膜與基體粘合 特性，改變沉積膜的結(jié)構(gòu)、成分和增加沉積膜的密度等，來改善沉積膜的質(zhì)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(shù)的發(fā)展方向離子注入屬原子級表面加工技術(shù)。其改性效果明顯、效率高、可控性和可操作性強(qiáng)、 無污染等優(yōu)點(diǎn)逐漸顯出強(qiáng)大的生命力和優(yōu)勢。但離工業(yè)化、產(chǎn)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(xué)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(jié)構(gòu)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(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)影響因素；實(shí)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(shù)多領(lǐng)域、多功

13、能、多形 式的應(yīng)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(dú)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(diǎn)，如果再使其具有高硬度、高耐磨性和高的導(dǎo)電性能，這種材料將對航空、航天、 車輛、機(jī)械、化工及核電等領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的影響。目前,由于對聚合物離子束表面改性的本 質(zhì)認(rèn)識不足,不同的材料所能達(dá)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(dá)到最佳的化學(xué)、物理、力學(xué)特性的匹配規(guī)律。而要解決這個(gè)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(jì)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(jié)構(gòu)、注入工藝參數(shù)間的關(guān)系,研究它們對性能影響，預(yù)計(jì)該方向是今后研究的熱點(diǎn)。參考文獻(xiàn)：唐國翌；朱明；陳錫花；方健J.1999年10期.清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系，北京100084；清 華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）王鈞石.離子束表面改性技術(shù)簡介J.西南交通大學(xué)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(xué)；機(jī)械工程材料學(xué) 報(bào),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(xué)院固體物理研究所；中國科學(xué)院固體物 理研究所合肥；1987年03期崔琳.離子注入結(jié)構(gòu)陶瓷表面改性技術(shù)的研究現(xiàn)狀J.兵器材料科學(xué)與工程1999年第2期.景俊海；.離子注入表面改性技術(shù)的應(yīng)用J.西安電子科技大學(xué)；，1991年01期趙治國；萬怡灶；王玉林；黃遠(yuǎn)；生物材料的離子注入表面改性，天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；天 津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(yuǎn)；生物材料的離子注入表面改性；天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院； 天津大學(xué)材料科學(xué)