1、離子束表面工程技術離子束表面工程技術 分類分類離子束表面工程技術的離子束表面工程技術的 應用應用 發(fā)展發(fā)展離子束表面工程技術的分類離子束表面工程技術的分類 離子注入技術包括：常規(guī)離子注入技術，等離子體源離子注入技術，等離子體基離子混合技術； 離子束沉積鍍膜技術包括：離子鍍技術，濺射鍍膜技術和離子束輔助沉積技術； 離子束復合強化技術包括：蒸鍍離子注入，離子鍍離子注入，滲氮等離子體源離子注入，離子氮化離子鍍以及離子鍍離子束增強沉積等。離子束表面工程技術的應用離子束表面工程技術的應用替代傳統(tǒng)的電鍍技術航空航天材料的表面改性太陽能材料的表面改性生物醫(yī)學材料的表面改性生物體的改性替代傳統(tǒng)的電鍍技術離子束

2、表面工程技術的應用離子束表面工程技術的應用問題：傳統(tǒng)電鍍工藝Cr的污染問題。l裝飾工藝：離子束沉積鉻、氮化鈦和氮化鈦鋁等；l以發(fā)動機活塞環(huán)涂層為例，研究表明CrN系復合膜與激光淬火加離子滲流的方法復合處理完全可以取代傳統(tǒng)電鍍鉻方法；l在高端汽車燈具鍍膜設備及工藝方面實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，高中檔市場占有率超過了65.9；l汽車輪轂表面的綠色鍍膜技術，有效地解決了因歐盟環(huán)保禁令的生效，高檔汽車鋁合金（鎂合金）輪轂傳統(tǒng)電鍍鉻的替代技術。2. 航空航天材料的表面改性問題： 微動磨損 航空航天領域應用的精密零部件尺寸要求高，由于離子束表面工程技術幾乎不改變零部件尺寸，制備涂層種類多，工藝靈活，具有突出優(yōu)勢，成為

3、制備固體潤滑涂層的主要技術。 離子束表面工程技術隨著我國空間技術迅速發(fā)展，目前已開發(fā)出多種適用于空間環(huán)境的高性能固體潤滑涂層，如TiAgN納米復合膜、MoS2-Au-Re三元復合膜以及梯度多層Ni-Cu-Ag復合膜和多層無機金屬納米復合膜。離子束表面工程技術的應用離子束表面工程技術的應用3. 太陽能材料的表面改性問題：有機太陽能薄膜電池光電轉(zhuǎn)換效率低于硅材料太陽 能電池，限制了有機太陽能薄膜電池的商業(yè)化. 利用納米金屬顆粒在光照下的表面等離子體共振效應可提高有機太陽能薄膜電池的光吸收效率。如采用蒸鍍蒸鍍和磁控濺射磁控濺射制備銀納米晶，利用金屬納米銀顆粒產(chǎn)生的表面等離子體增強效應，提高了太陽能電

4、池對光的吸收效率和轉(zhuǎn)換效率。離子束表面工程技術的應用離子束表面工程技術的應用4. 生物醫(yī)學材料的表面改性問題：隨著技術的進步和醫(yī)學問題的復雜化，目前使用的傳統(tǒng)生物材料（如金屬、陶瓷、高分子等）逐漸顯露出了某些不足，表現(xiàn)在與宿主原有組織結合后，很難做到性能上的完全匹配，不能完全滿足臨床應用中對耐磨性、耐蝕耐磨性、耐蝕性、生物相容性的要求性、生物相容性的要求等。離子束表面處理技術代價小、代價小、耗時少耗時少，在制備綜合性能良好的生物醫(yī)用材料方面優(yōu)勢顯著。其中，離子注入技術以其獨有的改性特點脫穎而出，應用日益廣泛，成為廣大科研工作者研究的焦點。離子束表面工程技術的應用離子束表面工程技術的應用4. 生

5、物醫(yī)學材料的表面改性注入離子的復合化。等離子體浸沒離子注入與沉積的方式對CoCrMo合金進行了低壓高頻等離子體氮化處理和類金剛石薄膜的沉積，發(fā)現(xiàn)復合處理顯著提高了CoCrMo的表面性能。注入離子的多樣化。Zn離子注入鎂鈣合金，鋁、鋯 及 鈦 離 子 注 入AZ91表面，注入到聚乙烯表面，改善了基體材料表面的耐蝕、生物相溶和力學性能。改性層的增厚化?？娠@著提高基體的生物相容性能。生物涂層表面涂層可以降低表面自由能，中和材料表面電荷，并且不改變原材料的形狀和體積。這類生物涂層包括Ti基涂層（TiN，TiO2，TiNxOy）及 其合金涂層（添加Zr、Nb、P等合金元素）；金剛石薄膜，類金剛石碳膜或者

6、非晶碳膜等碳素材料薄膜；以及DLC與Ti基涂層復合膜等。離子束表面工程技術的應用離子束表面工程技術的應用5. 生物體的改性 加速后的重離子注入到生物體后，產(chǎn)生一定的靜止質(zhì)量，能夠使質(zhì)量、動量、能量和電荷共同作用于生物體，且注入離子同時還具有高能量密度和尖銳的電離峰。不同的質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)和能量又可根據(jù)需要進行組合，它將會使生物細胞乃至生物大分子的生理、生化功能發(fā)生變化，從而引起染色體突變。離子注入誘變育種的主要優(yōu)點是比自然變異率高1000倍以上；變異的類型多；變異快，可以大大縮短育種周期；穩(wěn)定可靠，簡便易行，可以培育出傳統(tǒng)雜交技術難以實現(xiàn)的品系。 離子束在植物誘變育種、微生物品種改良、遺傳改良等

7、方面都有了較新穎的應用。 離子束表面工程技術的應用離子束表面工程技術的應用5. 生物體的改性 離子束表面工程技術的應用離子束表面工程技術的應用懷柔生產(chǎn)基地離子注入技術生產(chǎn)的鳳仙花 北京師范大學核科學與技術學院從2000年起，先后對多種花卉進行了離子注入誘變育種技術的研究，取得了重要的階段性成果。 中國傳統(tǒng)的鳳仙花雖然花朵大，但由于花朵是單生或數(shù)朵簇生于葉腋，影響了成片種植的觀賞效果。該院通過離子注入，選育的鳳仙花朵出現(xiàn)了頂生，還出現(xiàn)同株多色等性狀，極大地提高了觀賞效果，可以大面積種植于花壇、花境。等離子體浸沒式離子注入技術等離子體浸沒式離子注入技術強流脈沖離子束技術強流脈沖離子束技術離子束表面

8、工程技術的發(fā)展離子束表面工程技術的發(fā)展等離子體浸沒式離子注入技術等離子體浸沒式離子注入技術 等離子體浸沒注入（Plasma Ion Immersion Im-plantation）近年來迅速發(fā)展的一種材料表面改性新技術,其基本原理是,作為靶的工件外表面全部浸沒在低氣壓、低氣壓、高密度的均勻等離子體高密度的均勻等離子體中,工件上施加頻率為數(shù)百赫茲、數(shù)千至數(shù)萬伏高壓負脈沖偏壓。它克服了傳統(tǒng)方法所具有的薄膜沉積或離子注入存在方向性方向性的固有缺陷,因此在復雜形狀的三維工件復雜形狀的三維工件表面改性工藝與技術上表現(xiàn)出無與倫比的優(yōu)越性。離子束表面工程技術的發(fā)展離子束表面工程技術的發(fā)展等離子體浸沒式離子注

9、入技術等離子體浸沒式離子注入技術離子束表面工程技術的發(fā)展離子束表面工程技術的發(fā)展PIII 裝置不是由離子源中產(chǎn)生的離子束射向分離靶室中的工件上，而是離子源環(huán)繞著工件。其做法是在靶室中產(chǎn)生等離子體，因此等離子體是環(huán)繞著注入工件的。這樣就沒有了直射性的限制。等離子體浸沒式離子注入技術等離子體浸沒式離子注入技術離子束表面工程技術的發(fā)展離子束表面工程技術的發(fā)展優(yōu)點： 克服視線效應，可處理復雜外形結構的器件； 離子垂直轟擊表面，減少了有害的濺射效應； 和其他等離子體工藝（如刻蝕、沉積等）能夠兼容，能夠在同一系統(tǒng)上集成多個等離子體工藝； 能對絕緣材料實施離子注入；a) 注入過程中的大劑量低能離子電流能夠滿

10、足微電子的工藝要求；不同物件間有相對獨立的鞘層，因此可批量處理，提高效率。等離子體浸沒式離子注入技術等離子體浸沒式離子注入技術離子束表面工程技術的發(fā)展離子束表面工程技術的發(fā)展缺點： 由于沒有質(zhì)量分離系統(tǒng)，注入離子種類不純，注入能量不均勻； 由于靶臺電場分布不均勻，注入離子劑量分布不均勻； 注入劑量的精確控制比較困難； 形狀復雜的工件如小孔的處理仍受限制；a) 注入電壓一般低于100kV，如果注入過程電壓過高，會產(chǎn)生射線等有害物質(zhì)等。離子束表面工程技術的發(fā)展離子束表面工程技術的發(fā)展2. 強流脈沖離子束技術強流脈沖離子束技術強流脈沖離子束(High-intensity pulsed ion bea

11、m-HIPIB)通常指離子能量E=105-107eV，離子束流密度Ji1 Acm2，功率密度P=107-1014Wcm2，能量密度q1 Jcm2的離子束，亦稱之為強脈沖離子束。離子束表面工程技術的發(fā)展離子束表面工程技術的發(fā)展2. 強流脈沖離子束技術強流脈沖離子束技術該裝置主要包括高功率脈沖電源和真空離子二極管兩部分。高功率脈沖電源產(chǎn)生短脈沖寬度的高壓脈沖傳輸?shù)秸婵针x子二極管，由離子二極管完成離子的產(chǎn)生、加速和引出，最終形成HIPIB。離子束表面工程技術的發(fā)展離子束表面工程技術的發(fā)展2. 強流脈沖離子束技術強流脈沖離子束技術HIPIB與材料表面相互作用主要伴隨以下三個過程： 能量傳輸過程材料的快

12、速加熱、熔化和蒸發(fā)/燒蝕及隨后快速冷卻；質(zhì)量傳輸過程表面燒蝕等離子體的形成與膨脹，表面成分發(fā)生擴散遷移；動量傳輸過程反沖沖量及材料內(nèi)部應力波的形成。 目前，HIPIB與材料之間的相互作用機理還不十分清楚，但HIPIB輻照顯著的熱一力學效應可導致材料在遠大于離子射程深度內(nèi)產(chǎn)生成分、結構和性能的顯著變化，被普遍認為是HIPIB輻照材料表面改性的主要基礎。離子束表面工程技術的發(fā)展離子束表面工程技術的發(fā)展2. 強流脈沖離子束技術強流脈沖離子束技術離子注入、激光輻照和HIPIB輻照處理P6M5高速工具鋼顯微硬度深度變化曲線HIPIB技術硬化效果顯著。不僅可以提供很高的能量密度，而且輻照面積也可增至100 cm2，其離子束的能量轉(zhuǎn)換效率高達1540(激光約1)，使離子與材料的相互作用明顯加強。離子束表面工程技術的發(fā)展離子束表面工程技術的發(fā)展2. 強流脈沖離子束技術強流脈沖離子束技術特點： 適用性廣泛，即可處理金屬、陶瓷，又可以處理 涂層。1. 顯著提高材料表面性能。HIPIB顯著改變材料表面形貌、成分和相結構，導致性能變化。鈷基和鎳基硬質(zhì)鎢合金經(jīng)HIPIB后，表面層硬度提高，耐磨性增強；316L不銹鋼經(jīng)HIPIB后，表面顯微硬度提高，摩擦系數(shù)降低，磨損量減少，在0.5mol/L的H2SO4溶液中電化學腐蝕性能顯著提高。離子束表面工程技術的發(fā)展離子束表面