离子注入材料表面改性技术的新进展表面物理化学论文.docVIP

研究生“表面物理化学”课程论文 姓 名： 学 号： 题目：离子注入材料表面改性技术的新进展 学 院： 专 业： 类 别： 上课时间： 2013.9—2013.12 授课教师： 成 绩： 摘要本文简要概述了几种注入材料表面新技术，包括、等离子体基离子注入C、N 离子注入表面改性、离子注入改性聚合物等。重点介绍了离子注入表面改性技术的研究和进展，并且对各项技术的原理、特点及研究现状分别加以描述。最后，还指出了表面改性技术发展前景。 , 离化后再将正离子从离子源引出, 经过电场加速, 使其获得高能量( 通常为20～500keV) , 然后打入材料中的过程。由多种机制的综合, 导致了金属表面强化和产生其它表面改性。 强脉冲离子束材料表面改性技术是正在发展中的新的材料表面改性技术。近四、五年来，我们围绕发展强脉冲离子束材料表面改性技术对其主要机制（强脉冲能量效应）、离子辐照诱发的热力学过程、表面熔坑现象及大面积均匀离子束技术开展了比较全面的基础性研究。研究表明，强脉冲离子束改性除了离子注入的元素掺杂效应外，其更可利用强脉冲能量沉积诱发的热力学效应，有望突破离子射程对改性层厚度的限制，并高效利用离子剂量和能量，成为新一代低成本、高效率、高生产率、实用化的离子束材料改性与合成工艺。 关键词：离子注入，表面改性技术，表面处理新技术，强脉冲离子束；  1 引言 材料表面处理是材料表面改性和新材料制备的一种重要手段。表面处理是在基体材料表面上人工形成一层与基体的机械、物理和化学性能不同的表层的工艺方法，就是对工件表面进行清洁、清扫、去毛刺、去油污、去氧化皮等，其目的是满足产品的耐蚀性、耐磨性、装饰或其他特种功能要求。80年代初，我国的材料表面处理仍停留在渗氮、阳极氧化、化学气相沉积、物理气相沉积、离子束溅射沉积等传统的工艺方法上。 为了满足日益快速发展的对材料表面特殊性能的高要求，现发展而来许多表面处理的新方法，其中广泛应用的表面处理新技术有离子注入改性、低温等离子体表面处理、激光表面改性、气相沉积、离子注入、熔盐浸镀、离子沉淀金刚石薄膜技术、盐浴氮碳共渗、热喷涂技术、化学镀及功能梯度材料技术等。 在诸多的现代表面改性技术中, 离子注入十分引人注目。本文拟讨论几种新的离子注入技术的基本原理、工艺特点, 探究其未来应用的前景。 2 表面处理技术 2.1离子注入技术 2.1.1离子注入技术基本原理 离子注入是将预先选择的元素送入离子源, 离化后再将正离子从离子源引出, 经过电场加速, 使其获得高能量( 通常为20～500keV) , 然后打入材料中的过程。离子注入固体中的一般行为包括: 注入时表面原子的溅射效应、注入元素在材料中的浓度分布、注入过程中由于碰撞级联引发的晶格辐射损伤和原子位移、注入过程中的热效应和增强扩散等。例如一个带有100keV 能量的离子通常在其能量耗尽并停留之前, 可进入数百到数千个原子层。由多种机制的综合, 导致了金属表面强化和产生其它表面改性。 2.1.2 离子注入技术特点 1原则上周期表中的所有稳定元素, 都可注入到任何基体材料, 注入元素不必符合热力学平衡。 2注入的浓度可以很大, 且与扩散系数无关。 3注入元素的种类、能量、剂量均可精确控制,易于获得注入元素所需的深度分布。 4离子注入层相对于基材没有突变界面, 不存在注入层剥落问题。 5处理温度接近常温, 并且在真空中进行, 能保持工件的原有尺寸精度和表面粗糙度, 不影响待处理材料的整体性能。 离子注入技术的主要不足之处在于: 1) 注入层不深, 仅约千埃数量级; 2) 离子注入是视线过程, 对复杂形状工件的注入有一定的难度; 3) 目前注入设备主要为氮注入机, 应用面有待拓宽; 4) 设备规模小, 工件处理的成本较高。 2.2 强脉冲离子束注入技术 强脉冲离子束(IPIB)，亦称高功率脉冲离子束(HPIB)，应用于材料领域正在发展成为新的材料表面改性技术。IPIB 的参数范围是离子能量105─106eV，束流脉宽10─1000ns，脉冲功率密度106─109W/cm2，脉冲能量流密度1─10J/cm2，辐照离子剂量一般低于1×1014/cm2，属于对缺陷敏感的低剂量、高功率的非掺杂型辐照应用，因此比以高剂量掺杂改性为主要机制的普通离子注入工艺的成本低很多，而效率高得多。同时，它作为高能束流工艺与激光相比也具有独特优点：不存在金属表面反射问题；容易获得大面积束流；从电源能量换成束流能量的效率很高（10%）。此外与电子束工艺比较，在射程相当情形下离子能量较高则容易达到高的功率密度和能量