等厚干涉法测量轻微磨损的研究

引言现如今在航天领域、军事领域等先进领域对于高精密度零件的需求和应用都越来越多。机械零件磨损是影响机械质量、使用寿命和安全性等的重要因素,是影响各领域技术成长的决定性因素之一。对于部分微小零件，它们的制作工艺十分困难、各方面数值要求十分精细，较难把控，这些微小零件在使用时需要保证表面光洁，不允许有任何瑕疵，保持零件光洁、高耐磨性、增加耐用性也一直都是各个机械行业追求的目标。但是目前，由于国外技术的封锁，我国的高精密零件微米级磨损定量测量还是一个尚未很好解决的问题。近年来，远在日本的基恩士通过使用“实时浓淡补正技术”实现了对轴承钢珠表面部分缺陷实现了的检测。1998年，清华大学的邹茜、黄平等人也提出了一种非接触式、高精细测量磨损量的新方法，即现在为人熟知的磨痕光测法，他们实验采集磨痕的光干涉图象，在通过计算机进行一定的图象处理，最后实现对磨损量的测量。但他们的测量方法需要编制复杂的干涉条纹锐化程序，而且对比较模糊的干涉条纹可能导致锐化失败。上海大学理学院则利用Gamma技术对不同光照条件下带钢表面的缺陷检测进行了研究，通过X射线对铝管表面的缺陷检测的研究也由西安广播电视大学做出实验。据我调研情况显示，离子注入技术对于部分零件的耐磨性有很大改善，可以降低部分零件的磨损率，我在使用不同的离子注入样本实验中探究离子注入对于样品的磨损率的影响。根据我对国内外的检索，本论文首次用干涉法和ps法测量不同离子注入样品的干涉条纹畸变区的像素或面积，再用相对像素或面积来比较不同样品的耐磨性，以此达到对轻微磨损的一种定向测量。相比较于其他的方法，本方法的特色是准确性和便捷性的较好结合。

二．离子注入2.1离子注入原理离子的注入是指在离子注入机中将各种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，并注入于固体材料的表面层。离子注入将引起材料表面的成分和结构的变化以及原子环境和电子组态等微观状态的挠动，由此导致材料的各种物理、化学或力学性能发生变化。离子注入技术有着极好的可控制性。以至于其可以精准的人为把控掺杂离子的浓度和调整掺杂离子的能量大小。注入离子和退火的温度相对较低的。减少了由于高温带来的危害。离子注入还可以同时注入多种价态的离子，充分扩大了掺杂的选择范围。离子注入中还可以通过相关器件控制杂质的纯度。2.2离子注入的适用范围借助于电场力将外来元素以离子的形式注入到基体中就是离子注入的过程。它不是是一个平衡过程，所以这让它不受限制于任何热力学条件，例如扩散系数、固溶度或热平衡等。理论上是可以在某一固体中注入任何元素。我们可以利用这种方法得到一些不同于平衡结构的特殊物质。通常情况是在常温或低温下进行离子注入的。为了保证表面处理中无氧化和脱碳现象，整个过程均在真空中进行。在离子注入后样品仍能保持原有的尺寸精度和表面粗糙度，一般情况下是测不出工件细微的尺寸变化的。离子注入技术控制的是电参数，通过控制注入离子的能量和剂量这两个独立的参量，以此来调整浓度分布以及注入深度。在离子注入过程中，是成束状到达工件的，是直射和斜射的。仅有离子束能直接进行撞击的那部分表面才能完成离子注入。离子束撞击表面时应尽量避开掠射来保证离子注入有效，采用大的入射角。如果离子是垂直注入表面，即入射角等于0度，则大部分离子将进入表面层内。如果离子束以小角度入射，则离子停在表面附近，并且由于溅射效应，大部分注入离子又将溅射掉。2.3离子注入的应用离子注入技术是半导体通讯技术的基础，主要目的是用于半导体器件的掺杂从而改变注入靶向材料的表面性质以便于在光通信领域技术的发展。随着离子注入设备的发展，离子注入的可控性和精确性也越来越强。这样研究人员就可以根据实际需要进行控制变量来设置相关参数，实现符合自己要求的离子注入实验。在超大规模的集成电路中，离子注入技术更是首选的掺杂技术手法。离子注入技术能够使离子束垂直的注入，使得其横向扩散较小。这样就可以使得电路集成度更高。所以离子注入技术在半导体光通信中应用越来越广泛成为不可或缺的重要技。在大部分的半导体光通信企业的生产过程中都配备了离子注入机。随着科技的进步，科研人员对金属表面性质的要求也越来越高，比如耐磨性、抗腐蚀性等相关性能需要提高，已成目前的重点研究内容。离子注入技术可以不同程度提高金属材料的硬度和强度等相关性质。在生物改良中也可以运用到离子注入技术，通过生物体作用和低能离子产生辐射，进而产生遗传性变异。最后离子将会停留在生物体内对生物产生相关影响。离子注入还可以改变植物的不亲和性。离子注入技术的发展正不断克服自身的缺陷从而获得进步。2.4离子注入对本文研究的作用离子注入是将高能离子注入到材料表面中的一种改性技术，使用合理的话可以大幅提高样品硬度和疲劳强度。样品材料表面经过离子注入之后，改性层与基体之间无明显界面，力学性能从基体到注入层是连续的，消除了涂层在制备时的缺陷，可提高涂层的结合力，由于膨胀系数不匹配和结合力不强等问题也能得到很好的改善，有利于涂层的沉积，提高涂层的硬度、耐磨性等综合性能。本文在离子注入的基础上研究对样品耐磨性的影响，借助等厚干涉法和ps法研究不同样品得轻微磨损。三.等厚干涉法及干涉显微镜3.1等厚干涉原理\t"/item/%E7%AD%89%E5%8E%9A%E5%B9%B2%E6%B6%89/_blank"薄膜干涉可以分为=\t"/item/%E7%AD%89%E5%8E%9A%E5%B9%B2%E6%B6%89/_blank"等倾干涉和等厚干涉。等厚干涉是由平行光入射到厚度变化均匀、\t"/item/%E7%AD%89%E5%8E%9A%E5%B9%B2%E6%B6%89/_blank"折射率均匀的薄膜上、下表面而形成的干涉条纹。薄膜厚度相同的地方形成同条干涉条纹，故称等厚干涉。等厚干涉的一个最经典的例子就是牛顿环。如图当一个曲率半径很大的平凸透镜的凸面放在一片平玻璃上时，两者之间就形成类似劈尖的劈形空气薄层，当一束平行光ab入射到厚度不均匀的透明介质薄膜上，在薄膜的表面上会产生干涉现象。从上表面反射的光线b1和从下表面反射并透射出上表面的光线a1在B点相遇，由于a1、b1有恒定的\t"/item/%E7%AD%89%E5%8E%9A%E5%B9%B2%E6%B6%89/_blank"光程差，因而将在B点产生干涉。若平行光束ab垂直入射到薄膜面，即i=r=0，薄膜厚度为d，则a1、b1的光程差为：δ=2nd+λ/2，式中λ/2一项是由于光线从\t"/item/%E7%AD%89%E5%8E%9A%E5%B9%B2%E6%B6%89/_blank"光疏介质到光密介质而产生的\t"/item/%E7%AD%89%E5%8E%9A%E5%B9%B2%E6%B6%89/_blank"半波损失。在科学研究和工业技术领域等厚干涉都得到了广泛的应用,特别在光波波长测量、微型器件表面质量控制、测量光学玻璃的应力、试件表面光洁度检验、液体折射率测量和半导体技术中硅片中氧化层的厚度测量等都有等厚干涉的应用。3.2干涉显微镜原理干涉显微镜是根据光波干涉原理设计制造出来的。如图中(a)为其光学系统示意图。由光源1发出的光线经聚光镜2、滤色片3、光阑4及透镜5后成平行光束，射向半反半透的分光镜7后分成两束：一束光线通过补偿镜8、物镜9到平面反射镜10，被10反射又回到分光镜7，再由7经聚光镜11到反射镜16，由16进入目镜12；另一束光线向上通过物镜6，投射到被测零件表面，由被测零件表面反射回来，通过分光镜7、聚光镜11到反射镜16，由16反射也进入目镜12。这样，在目镜12的视场内可以观察到这两柬光线因光程差而形成的干涉带图形。若被测试样表面粗糙不平，则干涉带将如(b)所示的弯曲状；(c)为干涉显微镜的外形示意图。在通过干涉显微镜观察物体表面的时候，表面上如果有凸起或凹陷，那么干涉条纹会在视场中此凸(凹)部分形成像，也会形成相应的弯曲，弯曲量定义为ΔN(单位为条纹间隔数量）。干涉显微镜就是用测量干涉条纹在视场中的弯曲量，反过来推算出该目标零件表面的凹凸程度。测量精度可以在使用单色光后更精确一些。正因如此，仪器会备有绿色得滤光片，其作用就是移除或移入光路。由于单色光相干性能较好．便于寻找干涉条纹，所以使用仪器时应先将滤光片移入光路中。反射镜S3。亦可移入光路，以便通过照相镜头O4记录干涉条纹。目镜O8在分划板上有一狭缝，即只截取工件表面细长的一部分，然后经直视棱镜色散形成所谓的等色级条纹，以便对加工粗糙的或者呈粒状的工件表面产生规则的干涉条纹，便于测定。如果挡住射向标准反射镜的一光路，则工件P2表面经物镜o2成像在B处，即在视场中能看到试样表面的像。它与工件表面的微观平面度形成的干涉条纹一一对应。此即为干涉显微镜用于试样微小高度差测量的原理。由于干涉显微镜可以将直射的光(视野中\t"/item/%E5%B9%B2%E6%B6%89%E6%98%BE%E5%BE%AE%E9%95%9C/_blank"背景光)与经物体衍射的光分开；将大约一半的波长从相位中除去，使之不能发生相互作用，从而引起强度的变化。所以干涉显微镜可以测量试样表面的粗糙度。在进行试样表面粗糙度的测量时，若被测试样表面粗糙不平，干涉带即成弯曲状。由测微目镜读出相邻量干涉带距离口及干涉带弯曲度b。因光程差每增加半个波长，即形成一条干涉带，故被测试样表面微观的不平度的实际高度为。式中，τ为光波的波长。3.2实验思路在本文实验中保证同一磨损条件下，对四种不同的样品（未注入样品、碳离子注入样品、钽离子注入样品、碳离子和钽离子注入样品）分别进行磨损，通过干涉显微镜得到四个磨损表面的干涉照片，在白纸上描出四种情况下的条纹形状，每一种情况选择三条相对清晰地条纹，然后拍成照片导入用ps，使用ps软件的直方图测出不同样品的干涉条纹区的像素或面积，最后用相对像素或面积来比较不同样品的耐磨性。其中需要注意的是在拍照时需要保持一致的光照度，而且在计算干涉条纹区像素或面积时，遇到间断点或磨痕边缘有凸起时，应该也要把凸起的部分像素或面积也算进去。四．测量轻微磨损我选用的样品是已经处理好的碳离子注入样品、钽离子注入样品、碳离子+钽离子注入样品和未处理样品。在保证磨损试验条件的一致前提下，可以摄得在样品表面形成磨痕（如图所示），其中左侧为未处理样品的磨损痕迹，右侧为离子注入样品的磨损痕迹以此用来比较得出实验结果。图14.1干涉显微镜的摄影首先对干涉显微镜进行基础调整，打开电源开关，让干涉显微镜通电，在不使用情况下让干涉显微镜预热15-30分钟。随后缓缓转动手轮直到目视的位置，再通过转动手轮让遮光板移出光路，这时我们就可以直接从目镜可看到光亮的视场。如果发现视场有亮度分布不均匀的情况，可通过转动螺钉来调节到可以看到均匀亮度的视场。转动手轮，直到看到清晰地视场中下方的弓形直边，将螺钉松开，在取下目镜后，可以通过目镜管直接观察到两个清晰地灯丝象。把孔径光阑调整至最大，边观察边转动上面的手轮，让两个灯丝象完全重合为止。在工作台上放上被测工件，被测表面必须要向下对准物镜。转动手轮让标准镜被遮光板遮住，推动滚花轮，可以将工作台随着滚轮沿任意方向移动，转动滚花轮可以控制工作台上升或降低，一直到视场中可以观察到清晰的被测物体的表面影像，再转动手轮，把遮光板移出光路。再寻找到干涉显微镜的干涉带，这时候换单色光，来来回回慢慢的转动手轮，直到可以在视场中观察到清晰的干涉条纹为止。最后转动滚花轮，旋转工作台，调节加工痕迹垂直干涉条纹的方向，将螺钉松开，转动目镜，使视场中干涉条纹平行于十字线中的一条直线，最后固定紧目镜即可。完成基本调整后，分别把形成磨损痕迹的样品放入干涉显微镜进行观察，摄得四个不同样品的干涉照片（图2所示）。从左到右分别是碳离子注入样品、钽离子注入样品、碳离子+钽离子注入样品和未处理样品。图24.2条纹形状绘图在白纸上描出四种条纹的形状，每一种情况都选取三条相对清晰的条纹进行描绘。在同一照度下，对四个条纹进行摄像，方便在ps软件中测量像素点。为了减小作图误差，我制作了一个确定半径的圆形卡片，把它分别和各个条纹放在一起，用圆中的像素进行校正。在绘图时应尽量画的大一点，可以减少一定的误差，作为标准圆的面积尽量与条纹所围成的面积相近，这样也可以将误差缩小至最小。绘图如下图所示，图1为碳离子注入样品条纹；图2为钽离子注入样品条纹；图3为碳离子+钽离子注入样品条纹；图4为未处理样品条纹。图1图2图3图4每张条纹图选择三条最清晰的条纹绘图，共12个。四种绘图所围成的图形即为将要导入ps进行测量的图形。4.3PS软件测量像素点将四种不同样品的绘制图（共12个）导入ps软件，打开并使用ps软件的直方图工具，测量选定区域内像素点总数。（一）测量碳离子注入样品条纹的三条清晰条纹的像素点数值：可读取三个像素分别为95279、102077、68667，计算三个条纹的平均像素值为。测量钽离子注入样品条纹的三条清晰条纹的像素点数值：可读取三个条纹的像素分别为93774、112712、88656，计算三个条纹的平均像素值为。测量碳离子+钽离子注入样品条纹的三条清晰条纹的像素点数值：可读取三个条纹的像素分别为76592、83462、75844，计算三个条纹的平均像素值为。测量碳离子+钽离子注入样品条纹的三条清晰条纹的像素点数值：可读取三个条纹的像素分别为77388、86983、96903，计算三个条纹的平均像素值为。分析：对比四种不同的样品结果不难发现，钽离子的注入明显降低了样品的条纹的平均像素值，可见钽离子的注入是有减小磨损率的效果的。而碳离子的注入反而增大了磨损率，相比较未经处理样本而言，条纹平均像素值上升了不少。最后对于钽离子和碳离子双离子注入样本，平均像素值有了大幅的降低，可见不仅减小了摩擦，甚至降低了大量的磨损率，对于控制零件的磨损率有很大的效果。4.4不同样品的像素点对比结果为了提高样品的耐磨性，对不同离子注入的研究结果表明：在注入工艺参数上，钽离子注入降低了摩擦，但没有很明显的明显降低磨损。摩擦减少应该是因为重离子注入引起的“离子辐照平滑”。耐磨性差是由于“厚度极限”造成的。钽离子和碳离子的双注入样本不仅减少了摩擦，还减少了大量的磨损率。耐磨性的提高推测应该是因为钽离子和碳离子的双离子注入产生TaC，大大降低了磨损率。

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