材料物理概论第2章§2.5讲稿 － 2012年最新电子科技大学材料物理课件

材料物理概论第 2章 2.5 1第 2章 2.5 表面工程与表面改性材料物理概论第 2章 2.5 22.5.1 表面工程 通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变固体表面 形态 化学成分 组织结构 应力状态等获得所需要表面性能的系统工程 由多个学科交叉、综合发展的新兴学科材料物理概论第 2章 2.5 3 以表面为研究核心，根据材料表面的结构与性能关系和失效机制，并应用各种表面工程技术控制表面性质，逐步形成了与其它学科密切相关的表面工程基础理论 是表面科学与实用技术紧密结合、相互依赖、相互促进的结果，使表面基础科学与应用科学紧密地联系为一个整体 材料物理概论第 2章 2.5 4 许多功能材料或元器件（特别是半导体器件、光电器件或薄膜器件）主要工作区是表面 表面区与部件的整体材料相比，厚度薄，面积小 承担着元器件的主要功能 最大优势是能够制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，使表面层具有耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射和优良的电、磁、光等性能 表面工程的概念是 1983年提出来的，后来成为20世纪 90 年代世界十项关键技术之一，也是21 世纪的一种主导技术材料物理概论第 2章 2.5 52.1.2 表面改性 表面改性（ surface modification）又称表面优化 借助离子束、等离子体、激光等新技术手段 改变材料表面及近表面区的组分、结构与性质 获得传统的制备工艺和表面处理技术无法得到的新薄层材料 得到比传统材料更好的功能材料物理概论第 2章 2.5 6 材料表面改性技术很多，发展非常快，大致可以分为以下几类： 物理气相沉积； 化学气相沉积； 离子注入和离子束沉积； 等离子体化学气相沉积； 激光表面改性等。 下面简要介绍几种先进的材料表面改性技术材料物理概论第 2章 2.5 71.离子注入材料表面改性 ion implantation 过程： 在真空中离化气体或蒸汽源 由引出系统引出离子束 将其加速到数 keV到数百 keV后 直接注入到靶室内的固体材料的表面，形成一定深度的离子注入层，改变表层的结构与组分 达到改善材料的力学性能和物理、化学性能的目的 离子注入的主要物理参量是： 能量：它决定离子在基体中能够达到的浓度； 剂量：主要决定注入层的厚度； 剂量率：单位时间内样品接受的注入剂量。材料物理概论第 2章 2.5 8 离子注入最早在半导体中掺杂时使用 对于非半导体材料的离子改性研究是英国人于 1970年开始的 后来材料逐步从金属材料，扩大到聚合物和陶瓷等，目前正逐步进入推广应用 离子注入金属材料表面改性可大大提高工具、部件的耐磨性，一些模具改性后使用率都可成倍、甚至百倍提高 材料物理概论第 2章 2.5 9 作为材料表面改性技术，从应用角度看目前主要是对金属和合金材料离子注入为主 具有以下的一些特点： 几乎所有的元素都有可以注入，因而不受固溶度的限止 例如铜和钨在液态时很难互溶，但采用将钨离子注入的方法，能得到钨在铜中的置换式固液体 溶解度可以很高，可形成一般方法难以得到的非平衡结构与合金相材料物理概论第 2章 2.5 10 可在室温或低于室温下进行表面处理 能保持精密工件的几何尺寸、形状，并能使光洁度不变 只改变材料的表面特性，而不影响材料的内部结构和性能 注入离子的深度、浓度、分布均易于控制和重复，还可用微机控制各种参数和整个操作过程，比较方便可靠 由于注入离子的浓度有一过渡层 表层与基体之间不存在不连续的界面，故表层与基体之间结合力特强材料物理概论第 2章 2.5 11 离子注入的不足之处有： 如注入层较薄，一般只是数个 nm到百 nm，不能满足某些材料的要求 费用昂贵2.等离子体源离子注入 （ Plasma Source Ion Implantation PSII）是注入的靶（部件）直接置于等离子源内，而脉冲偏置到一个高的负电位上，围绕靶（部件）形成等离子体鞘层，离子轰击整个靶（部件） 材料物理概论第 2章 2.5 12 等离子体离子注入能有效地把离子注入到材料表面改性所需的浓度，所以能有效地改善材料的耐磨性与显微硬度，提高了材料的使用寿命 如镍铁合金经等离子源离子注入后，磨损速度减少约五倍 等离子体源离子注入设备比较小，造价低，维护和运行比较方便，有较大的生产能力，能加工较大的靶片 材料物理概论第 2章 2.5 133.离子束沉积 离子束沉积（ IBD）有两种工作方式 一次离子束沉积，离子束由需要沉积薄膜材料的元素组成，并以低的能量（约 100eV 或更低）直接沉积到基体上，可以单离子或以离子团束的形式进行沉积 材料物理概论第 2章 2.5 14 二次离子束沉积，又称离子束溅射沉积。离子束一般是惰性气体，或是反应性气体，能量较高（数百到数千 eV），离子束打在靶上，离子使靶材料溅射后沉积到基体上 材料物理概论第 2章 2.5 15 与常规的二极溅射不同，离子束沉积容许基体与离子源有较大间隔。使基体温度、气体压强、沉积角度以及生长薄膜类型等容易控制 一次离子束沉积与中性粒子沉积相比，具有一些优点：沉积能量可以控制，束可以聚焦，可对离子束进行质谱分析，以制备高纯度的薄膜，用此法已制备出类金刚石膜 二次离子束沉积可用于沉积化合物薄膜材料物理概论第 2章 2.5 164.离子束增强沉积 离子束增强沉积（ IBED， IBAD）是一种将离子注入和薄膜沉积两者融合为一体的材料表面改性新技术 通常是在基体上沉积薄膜的同时，用数十 eV到数十 keV能量的离子束进行轰击，利用沉积原子和注入离子间一系列的物理化学作用，形成具有特定性能的化合物薄膜材料物理概论第 2章 2.5 17 离子束增强的突出优点为： 原子沉积和离子注入参数可以精确地独立调节；分别选用不同的沉积和注入元素，可以合成多种不同组分和结构的膜； 可在较低的轰击能量下连续生长几 m 厚、组分一致的薄膜； 材料物理概论第 2章 2.5 18 可在常温下生长各种薄膜，避免了高温处理材料及精加工部件尺寸的影响； 在膜和基体界面形成连续的混合层，使粘着力大大增加。 从加工方式，可分为动态混合与静态混合两种： 动态是在沉积的同时伴随一定能量和束流的离子束轰击进行薄膜生长； 后静者是沉积一层零点几 nm至数个 nm的薄膜，然后再进行离子束轰击，如此反复多次生长薄膜。材料物理概论第 2章 2.5 19 离子束增强是一个十分复杂的过程，包括物理效应、化学效应等，而且这是一种 非平衡热力学过程 离子注入的物理效应和化学效应同时作用 离子束增强沉积技术可以提高膜与基体间的附着力，改善耐蚀性和耐磨性，并能改变应力，提高光学磁学性质。 离子束增强沉积作为一种改性新技术，尚处于实验室阶段，主要的困难设备较复杂，成本高，不易大批量处理 材料物理概论第 2章 2.5 205.激光表面改性 激光表面改性始于 20世纪 80年代，其技术决定于 3个因素： 激光类型 激光应用方式 及所处理材料的种类 利用激光的能量与表面作用可达到改性的目的材料物理概论第 2章 2.5 21（ 1）激光表面热处理 利用激光使表面升温，达到退火和回火的目的（ 2）激光熔化处理 激光辐照后将材料表面加热到熔点以上，并在表面形成熔区（熔池）在光束停止辐照后，熔体快速凝固 在激光熔化过程中，会发生熔凝，然后发生激光非晶化，激光熔覆，激光表面合金化等表面改性效应材料物理概论第 2章 2.5 226.强电子束 近年发展的强电子束表面改性方法，是一种强流脉冲电子束， 电压 10keV40keV，电流 102104A/cm2 脉冲时间 10-410-6s 由于不受材料表面光学性质的影响，能量吸收高（可达 90% 左右），通过磁透镜还可以调节电子束截面形状及能量分布 可以在几 m的表面区对材料进行改性材料物理概论第 2章 2.5 232.5.3纳米表面工程1.纳米表面工程的内涵 在纳米科技产生和发展的背景下，对固体表面性能、功能和加工精度要求越来越高的条件下产生的 表面工程的外延大于纳米表面工程，纳米表面工程是表面工程的一个分支，但二者并不是简单的包容关系 前者主要依赖存在于基体表面的宏观材料来实现其加工目的；后者主要依赖纳米材料、纳米结构、纳米尺度来实现其加工目的材料物理概论第 2章 2.5 24 表面工程是纳米表面工程产生和发展的土壤和基础。许多表面工程的理论、方法、加工技术等将继续为纳米表面工程所借鉴和使用，而纳米表面工程的成果将反过来为表面工程往高 (性能 )、精 (精细化、精巧化 )、尖 (设计理念，加工手段、技术等前卫化、尖端化 )发展。 从技术层面上看，单一传统的表面处理或加工技术称为第一代表面技术； 运用组合技术或复合表面处理技术的称为第二代表面技术； 纳米表面工程中涉及的纳米表面技术，称为第三代表面技术。 材料物理概论第 2章 2.5 25 纳米表面工程的特点是 : 对表面设计化程度和要求更高； 加工技术更精细； 对加工工艺技术的依赖程度更突出； 采用的非传统表面加工和复合表面加工方法更多； 加工环境对表面加工的精度、加工质量影响越来越大； 表面处理、改性和功能化的自由度扩大 产品的附加值更高。 材料物理概论第 2章 2.5 26 纳米表面工程发展较快的有三个领域： 纳米薄膜和多层膜的制备，它使薄膜的电学性能、磁学性能、光电性能等成倍提高 将金属或非金属的纳米级颗粒应用到热喷涂、电刷镀、化学镀、粘结、润滑、固体干膜、涂装等各种传统、常用的表面技术中 纳米颗粒的表面改性（表面修饰）材料物理概论第 2章 2.5 272.4.3 纳米表面改性的主要方法 实现纳米表面工程的关键是使材料得到具有纳米特征的表面层。 实现的方法主要有三种： 表面气相沉积法 表面自身纳米化法 表面纳米涂覆法 材料物理概论第 2章 2.5 281.纳米热喷涂技术 纳米热喷涂技术就是以现有热喷涂技术为基础，通过喷涂纳米材料而得到纳米涂层 超音速火焰喷涂 (HVOF) 高速电弧喷涂 气体爆燃式喷涂 电熔爆炸喷涂 超音速等离子喷涂 真空等离子喷涂等 可获得高密度高强度的表面材料物理概论第 2章 2.5 292.纳米电镀技术 纳米电镀就是在镀液中添加了特种纳米颗粒的新型复合电刷镀技术 纳米电镀复合涂层可显著提高材抖的摩擦学性能、耐高温磨损及疲劳性能 在快速镍镀层中，添加经改性处理的纳米 A1203、