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高能粒子束表面改性技术研究与发展

昆明理工大学 材料111班 解开书

【摘要】 主要叙述了高能粒子束表面改性技术中的离子束表面改性技术的基本原理、工艺特点、发展趋势及其存在的问题和解决途径。
关键词：高能粒子束；表面改性；研究与进展

前 言
高能粒子束表面改性是通过高能量密度的束流改变材料表面的成分或组织结构的表面处理技术。由于高能粒子束的功率密度可以达到108W/cm2以上，甚至可超过109W/cm2，因此在极短的作用周期下，材料表面就能达到其他表面技术所无法达到的效果。高能粒子束表面改性技术具备以下一些特点：
（1） 能量密度可以在很大范围内进行调节，并可精确控制；
（2） 高能粒子束表面改性技术可以方便地与传统的表面改性技术结合起来，从而弥补甚至消除各自的局限性；
（3） 利用高能粒子束可以对材料表面进行超高速加热和超高速冷却，其冷却速度可达104℃/S，从而实现新型超细、超薄、超纯材料的合成和金属复合材料的制备。

1 高能离子束表面改性技术的研究及其应用

1.1 离子束表面改性研究现状
20世纪70年代中期，离子注入技术进入到半导体材料的表面改性，采用离子注入精细掺杂取代热扩散工艺，使半导体从单个晶体管加工发展为平面集成电路加工。20世纪80年代初，离子束混合的出现，对离子束冶金学的发展做出了巨大的贡献。80年代中期，金属蒸发真空弧离子源（M EV VA）和其他金属离子源的问世，为离子束材料改性提供了强金属离子束。与此同时，为克服注入层浅的问题，开始研究离子束辅助沉积技术（IBAD），又称离子束增强沉积技术（IBED）。20世纪末发展起来的称为“等离子体注入”技术（PSII-PIasm a Source Ion Implantation）克服了常规注入的缺点，可对成批工件同时进行全方位的离子注入而引起人们的关注，由于工件是直接“浸泡”在被注入元素的等离子体内，也有人称之为“等离子体浸没离子注入”（PI II-Plasma Source Ion Implantation）。PSII技术发展很快，该技术的奠基人之一CONRAD J R已取得大量基础研究和应用成果。
自20世纪70年代以来，许多国家对离子注入材料改性的研究和应用都给予了相当的重视，一些大学、科研机构和公司都相继成立了专门从事这方面工作的研究中心或实验室，如美国的斯坦福大学，英国的哈威尔原子能研究中心以及日本的RIK EN物理化学研究所等。我国离子注入改性技术的研究，早期也和国外一样主要集中在半导体的研究和应用方面，从20世纪70年代至今逐渐把该技术应用于其他领域，特别是在优化材料表面的摩擦学特性方面的研究和应用得到了不断发展。 目前，除了北京师范大学、清华大学、四川联合大学原子能研究所、中国原子能研究所等有专门的研究中心外，还在上海冶金研究所建立了中国科学院离子束开放实验室，在大连理工大学建立了国家激光束、电子束、离子束开放研究室。但是由于高性能离子束装置的研制和建立都比较缓慢，因而，无论在基础研究或应用方面与国外相比都还存在一定的差距。

1.2 高能粒子束表面改性技术的基本原理
（1）离子注入基本原理
在离子注入机中把各自所需的离子加速成具有几万甚至几百万电子伏特能量的载能束，并注入金属固体材料的表层，在其表层形成几微米的改性层，以此来提高基体材料的表面性能。
目前离子注入工艺已应用于许多部门，尤其是在工、模具制造业，效果突出。英国Rolls-Roycc股份有限公司为解决飞机发动机叶片材料的微粒磨损问题，曾比较了46种不同的表面处理工艺，最后选择了三种，其中之一就是离子注入新工艺。

（2）离子注入表面改性的一般机理
损伤强化作用、弥散强化作用、喷丸强化作用、提高抗氧化性、提高润滑性、提高耐腐蚀性

（4）离子束辅助沉积
离子束辅助沉积是一种将离子注入技术和物理气相沉积技术相结合的真空沉积技术。它是指在同一真空系统中，以离子束溅射沉积薄膜的同时，用几百电子伏特到几万电子伏特能量的离子束对其进行轰击利用沉积原子和注入离子之间的一系列物理化学作用，来增强膜层与基体的结合，改善膜层质量。与其他薄膜制备方法相比，采用这种方法能够或得附着力极好的薄膜。
正因为离子束辅助沉积的特殊作用和优点，使得该技术在合成新材料、制备功能膜方面得到了广泛的应用。目前，利用该技术可以稳定地合成立方氮化硼（B3N）、类金刚石薄膜（DLC）、TiN和Ti2N等多种优质膜层及陶瓷材料，尤其是TiN和Ti2N膜层，性能优良，具有良好的耐磨性和减磨性。

（3）离子束混合及离子束反冲注入
1) 离子束混合 离子束混合就是将所需的几种元素交替地镀在集体上，组成多层薄膜，每层约10nm厚，然后用加速器容易或得的单能量离子。他的主要优点在于弥补了离子直接注入过程的不足。有研究指出，经惰性气体Xe离子轰击预镀钯的纯钛表面，生成钯改性表面，明显地提高钛在还原性酸中的耐腐蚀性能。
2) 离子束反冲注入 离子束反冲注入就是指将所需元素，特别是难于融化的金属元素，经真空蒸发或离子溅射，在试样表面形成镀膜，然后用惰性离子，如Xe+、Ar+、Kr+等轰击，将镀层原子撞击反冲到试样基体中去，起到对所需元素进行间接注入的作用。有人利用Ar+溅射Ti原子，使Ti沉积在钛表面，去得了很好效果。

（4） 等离子体注入
等离子体球壳的形成

（5）离子注入的特点
注入的元素多且任意选取；无需改变材料的整体特性，就可有选择地改变材料的表面特性；注入或添加到基体中的原子不受基体固溶度的限制，不受扩散系数和化合结合力的影响；强流氮和强流金属离子束的束流强度可达5~50mA，提高了注入效率，适用于工业应用；离子注入不改变工件尺寸，适合于机密机械零件的表面处理；离子束增强沉积可或得厚度大于1µm的改性层或超硬层，适于恶劣条件下的应用；离子注入无废液处理等环境污染；离子注入由于采用电信号操作，可以比较准确地控制离子注入的深度和浓度，有较好的工艺一致性和重复性。

2 高能粒子束表面改性技术的发展

高能粒子束表面改性技术已在许多精密、关键、高附加值的模具和机械零件的生产中得到了广泛应用，并将继续开拓其应用领域。发展前景有以下几个方面：
（1） 等离子体浸没离子注入（PⅢ）是当前表面改性技术的热点，以其设备结构简单成本低、效率高、克服了束线离子注入（ⅠBⅡ）固有的视线限制，适用于处理体积较大、形状复杂的工件等优点而受社会各界密切关注。在PⅠⅡ过程中，探讨合理的电磁场位形和高的磁过滤器传输效率而又不至对注入离子的能量和注入角度产生重大的影响的途径是未来的发展方向。同时PⅠⅡ与M EV VA等离子体源技术相结合，形成了金属等离子体浸没离子注入技术，使等离子体注入种类由各种气态离子扩展为几乎所有元素的离子，极大地扩展了PⅠⅡ技术的应用领域，取得很好效果。
（2） 随着计算机技术和信息技术的迅速发展，利用计算机进行辅助设计来实现离子束表面改性工艺的多样化；离子束表面改性技术向有效增加改性层厚度方向发展；材料在远离平衡的状态下，其微观结构的形成、演化机理及规律研究；多元表面改性处理时的成分控制。

2 存在问题及解决方案
离子束表面改性技术存在的主要问题在于：沉积或注入时伴随产生微米级微粒，是影响膜层的结合力和光泽度。在电弧燃烧过程中，从阴极斑点处产生包含有金属离子、金属蒸汽、电子、宏观离子团（MPs Macro particles）等组成的电弧流。这些MPs主要是一些阴极材料的液滴，它们如果达到机体表面，就会附着到上面，造出表面粗糙、性能不均匀。为了解决这个问题，主要从两方面入手:一是通过有效地冷却来避免阴极表面的长期过热；二是阻止MPs向工件的输送。例如：AKARIK采用直线型磁过滤器；KUEHNM等采用膝曲式磁过滤器；ANDERSS等采用900弧磁过滤器，并在弯管内壁上附加一系列挡板。这几种方法对MPs的过滤都比较有效。王广甫等发现，在磁过滤器管道上加正偏压，对提高传输效率大有益处，但偏压过高会造成真空弧的不稳定。南京航空航天大学再利用阴极电弧沉积技术制备类金刚石膜时，采用MPs过滤方法，并研究了挡板结构和数据对过滤情况的影响，此法的实际应用效果良好。

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