离子束表面改性技术.doc

离子束表面改性技术研究综述苏文玉（齐鲁工业大学，机械与汽车工程学院，机械设计制造及其自动化，201107051025）摘要： 本文针对离子束表面改性技术的由来、发展历程、研究水平及主要应用领域进行阐述。并对现阶段该技术存在的问题进行简要介绍，最后对该技术未来的研究及发展方向做出展望。关键词：离子束表面改性技术；发展历程；应用领域；存在问题;发展方向0 引言离子束表面改性技术是70 年代初逐渐发展起来的一种新颖的表面改性技术。该技术是把工件放在离子注入机的真空室中, 在几十至几百千伏的电压下, 把所需元素的离子注入到工件表层内的一种表面强化处理工艺。大量实践已证实, 离子注入能使工件的摩擦系数、耐磨性、抗蚀性、耐疲劳性以及超导性能、催化性能、光学性等发生显著的变化。1 1 离子束表面改性技术的发展历程随着离子注入技术的发展, 离子注入已从单一元素的注入发展到离子束混合、离子束增强沉积等复合注入技术。1987 年, 美国Wiscosion大学Cnrad教授成功地发明了等离子体源离子注入技术, 从根本上克服了传统的离子注入只能进行“ 视线注入”(即只有正对着离子枪口的工件表面才能被注入离子)的致命弱点,使离子注入表面改性技术产生了一个突破性的发展。2 离子束表面改性技术的现阶段研究水平 2.1离子束表面改性技术在聚合物材料领域研究现状目前,科学工作者认识到离子束注入聚合物中可改变聚合物的机械性能、化学性能和物理性能等。其中,硬度、耐摩擦磨损性、抗化学分解、抗氧化性、光学不透明度、导电性以及表面能等都将得到增强。在20世纪70年代后期,导电聚合物的偶然发现引发了对导电聚合物的积极研究。其中离子束处理在微电子技术方面的突破(如: 离子束印刷、电子元件刻蚀等技术)、使聚合物受到辐射后性能变化的受控应用变得越来越重要。虽然导电聚合物在微电子技术方面提供了许多吸引人的特性,但是它们的热性能与力学性能的不稳定性成了其发展的主要障碍。最新的研究发现,采用离子注入技术,选择适当的离子种类和剂量能使聚酰亚胺的电导性能大幅度提高,通过在聚酰亚胺上构造导电层可使其具有良好的热稳定性和柔韧。以前关于离子注入聚合物的研究重点是放在电导率上,对与力学性能有关的聚合物辐射效应的研究主要考虑紫外线( UV)和射线等的辐射效应,即仅用于核技术方面。然而,最近研究发现这类辐射源在聚合物改性方面比高能离子作用小得多。离子注入有机硅能使其强度提高,这一事实很早就被人们发现了。但是精确的表面敏感特性,如:表面硬度、耐磨性能的测试由于受到仪器精度和技术条件的限制而没得到深入研究。近年来,由于确定纳米范围内表面薄膜硬度的纳米量级超显微硬度计的发展又推动了这一研究。用离子注入技术获得表面敏感的力学、化学、物理性能(如表面硬度、摩擦阻力、抗腐蚀能力等)的实验取得了新的进展。用离子注入处理后的聚合物材料的硬度比目前公认的最硬的马氏体钢硬度还高 ,其耐磨性能也比钢强。美国O AK RIDGE国家实验室的研究表明,在球盘式磨损实验机上用滚珠钢球对表面超硬聚合物做往复磨损实验,结果发现直到钢球表面被严重磨损,这种表面超硬的聚合物也无明显磨损。利用这种离子束与聚合物相互作用的表面改性的新方法,不仅开创了一个全新的聚合物开发领域,而且可以解决那些受到硬度和耐磨性能不足影响的传统工程机械部件的优化问题。这种表面超硬耐磨的聚合物在航空、航天、核电设施、光学及电子器件、交通运输工具、精密机械、化学化工等领域都将有广泛的应用前景。22.2离子束表面改性技术在铝合金领域的研究现状 铝合金具有密度小, 塑性好等优点, 被广泛用于航空航天领域。随着航空航天工业和高技术产业的迅速发展,为了适应高强度、耐腐蚀和轻量化等要求, 铝合金的应用越来越受到重视。然而由于其质地软, 摩擦系数高, 磨损大, 其应用范围受到了限制。近十几年来, 离子注入改善钢铁等金属的表面性能的研究已取得了许多重要结果。 离子注入改善铜、钦等合金耐磨性的研究也有所报道。对于铝合金的离子束改性, 国内外的研究多侧重于提高抗腐蚀性或研制多层膜功能材料方面, 对于其强化铝合金耐磨性方面, 迄今研究甚少。我们采用离子束强化技术, 将钦离子动态反冲注入到L Y 12 硬铝试件, 显著提高了表面硬度, 降低了滑动摩擦系数, 提高了耐磨性。本文还对注入与未注入样品进行了X 射线衍射分析, 探讨了钦离子动态反冲注入L Y 12 硬铝提高其硬度及耐磨性的机理。32.3离子束表面改性技术在金属与陶瓷领域的研究现状 近年来, 用荷能离子束对金属和陶瓷材料的近表面区进行改性的研究工作得到很大的发展，离子束注入和离子束混合使材料的近表区结构、组成均发生变化, 还因离子辐照引起碰撞级联造成缺陷, 这些作用最终影响到材料的性能. 离子注入固体或薄膜的表面, 不仅是使其改性的重要手段, 而且也是材料基础研究的一种理想的工具。4 2.4离子束表面改性技术在陶瓷材料领域的研究现状 新型结构陶瓷具有高硬度、高强度、良好的耐磨性能、优异的化学稳定性及高温力学性能，近年来有关的研究十分活跃。但是，陶瓷材料的致命弱点是脆性很大而无多少延性，在实用中易引起零件的早期失效或脆性断裂，从而极大地限制了其广泛应用。陶瓷材料的摩擦系数和磨损率也比较高，使得陶瓷制成的精密转动和滑动零件以及轴承、模具、刀具在服役时囤磨损量大而达不到预期寿命。国内外的研究人员不仅致力于陶瓷材料增韧技术的研究 ，而且也日益重视陶瓷材料摩擦磨损和润滑的研究，并且逐渐成为当前材料科学和摩擦学领域的前沿课题之一 。5 3 离子束表面改性技术的主要应用领域 3.1在微电子工业中的应用 离子注入技术在微电子工业中的应用主要是利用其如下特点： 1.掺杂量和注入深度可以精确控制； 2.注入到硅中的杂志是直进的，横向扩散比热 扩散小十倍； 3.掺杂层大，面积均匀，重复性好和杂志纯度高。 离子注入技术也因此成为现代微电子技术中的基础工艺，在集成电路从中小规模发展到超大规模的过程中发挥了至关重要的作用，并在微波、激光和红外集成原件中也得到广泛应用。6 3.2生物医学中应用现代医学中, 生物医用材料在人体硬组织缺损、缺失的修复和重建方面发挥着日益重要的作用。然而,随着技术的进步和医学问题的复杂化, 目前使用的传统生物材料(如金属、陶瓷、高分子等) 逐渐显露出了某些不足, 表现在与宿主原有组织结合后, 很难做到性能上的完全匹配, 不能完全满足临床应用中对耐磨性、耐蚀性、生物相容性的要求等。离子束表面改性技术代价小、耗时少, 在制备综合性能良好的生物医用材料方面优势显著。其中, 离子注入技术以其独有的改性特点脱颖而出, 应用日益广泛, 成为广大科研工作者研究的焦点。8主要用于假体、骨钉、膝和骨关节，注入离子后，假体的寿命可超过患者的寿命。1.合金骨科植入物，注入后抗蚀性提高。 2.外科不锈钢中，疲劳寿命提高，点蚀减少。3.合金假体，抗腐蚀性提高；表面钝化。3.3离子注入技术在机械工业中的应用大量实验结果证明，当采用高能量离子注入机将各种离子大剂量注入基材表面以后，基材表面性质会发生很大变化，主要表现在以下几方面：1.离子注入改变材料耐蚀性和抗高温氧化性能；2.离子注入技术可以提高机械零件的耐磨性、疲劳强度； 3.离子注入技术可以提高材料的硬度和强度。94 离子束表面改性技术的存在问题(1)常规离子注入深度很浅，在能量范围为40500keV时，穿入深度1.0m。 (2)设备复杂。主要包括真空系统、旋转靶室、离子源和高压加速，分析、偏转扫描、复杂的加工参数检测系统和全自动计算机控制系统，因此设备成本高。 (3)技术难度大，它所涉及的技术问题复杂，如离子碰撞和能量损失问题。 (4)由于离子的表面溅射效应，使较重的离子注入很难得到高浓度掺杂。由此可见，离子注入有许多优点是其他技术无法得到的，因此这项技术才独树一帜，取得了许多重要应用成果。但是离子注入所引起薄膜改性层薄，则限制了这种技术的发展，因此取离子注入精确可控和沉积技术可得到厚的改性层的优点，用离子注入与离子束沉积相结合来改善薄膜与基体粘合特性，改变沉积膜的结构、成分和增加沉积膜的密度等，来改善沉积膜的质量，并且可以得到厚度数微米的工艺薄膜。 105 离子束表面改性技术的发展方向 离子注入属原子级表面加工技术。其改性效果明显、效率高、可控性和可操作性强、无污染等优点逐渐显出强大的生命力和优势。但离工业化、产业化道路还有一段距离，未来主要有以下发展方向：（1）从注入离子与金属表面相互作用的物理化学与冶金规律出发，探讨注入工艺参数对表面改性层结构和性能的影响规律；（2）提高改性层厚度，探讨注入层厚度增长动力学、热力学影响因素；（3）实现多元注入、高能注入、不同能量重叠注入。（4）加大研究与开发力度，使离子注入这一新型表面改性技术多领域、多功能、多形式的应用。（5）聚合物材料在离子束表面改性后呈现出许多非常优良的特性。特别在表面硬度及耐磨损性能方面更显现出独特的优越性。鉴于聚合物材料具有密度小、成本低、易成型、耐腐蚀等优点,如果再使其具有高硬度、高耐磨性和高的导电性能,这种材料将对航空、航天、车辆、机械、化工及核电等领域产生巨大的影响。目前,由于对聚合物离子束表面改性的本质认识不足,不同的材料所能达到的效果不同,还未找到某种特定的聚合物材料在何种工艺条件下能使其达到最佳的化学、物理、力学特性的匹配规律。而要解决这个问题,就要研究离子束与聚合物材料表面间相互作用的物理过程,计算各种离子在聚合物中的能量沉积过程及注入离子的分布,分析离子注入的硬化层中不饱和键的形成、分子链的交联及断链与聚合物结构、注入工艺参数间的关系,研究它们对性能影响,预计该方向是今后研究的热点。 参考文献：1唐国翌； 朱明； 陈锡花； 方健 J.1999年10期 .清华大学材料科学与工程系，北京100084； 清华大学学报(自然科学版)2王钧石.离子束表面改性技术简介J.西南交通大学材料工程系,2000年03期 3张颖； 胡正琼； 王贻华. 铝合金的离子束表面改性及其分析J.北京航空航天大学；机械工程材料学报,1996年04期。4戚震中； 姚伟国；金属与陶瓷的离子束表面改性M.中国科学院固体物理研究所； 中国科学院固体物理研究所 合肥； 1987年03期 5崔琳.离子注入结构陶瓷表面改性技术的研究现状J.兵器材料科学与工程1999年 第2期.6景俊海；.离子注入表面改性技术的应用J.西安电子科技大学；,1991年01期 7赵治国； 万怡灶； 王玉林； 黄远；生物材料的离子注入表面改性，天津大学材料科学与工程学院； 天津大学材料科学与工程学院 天津300072； 天津300072；金属热处理 , Heat Treatment of Metals, 2006年08期 8赵治国； 万怡灶； 王玉林； 黄远 ；生物材料的离子注入表面改性；天津大学材料科学与工程学院； 天津大学材料科学与工