离子束表面技术PPT课件.ppt

离子束表面工程技术 分类离子束表面工程技术的应用发展 离子束表面工程技术的分类 离子注入技术包括 常规离子注入技术 等离子体源离子注入技术 等离子体基离子混合技术 离子束沉积镀膜技术包括 离子镀技术 溅射镀膜技术和离子束辅助沉积技术 离子束复合强化技术包括 蒸镀 离子注入 离子镀 离子注入 渗氮 等离子体源离子注入 离子氮化 离子镀以及离子镀 离子束增强沉积等 离子束表面工程技术的应用 替代传统的电镀技术航空航天材料的表面改性太阳能材料的表面改性生物医学材料的表面改性生物体的改性 替代传统的电镀技术 离子束表面工程技术的应用 问题 传统电镀工艺Cr的污染问题 装饰工艺 离子束沉积铬 氮化钛和氮化钛铝等 以发动机活塞环涂层为例 研究表明CrN系复合膜与激光淬火加离子渗流的方法复合处理完全可以取代传统电镀铬方法 在高端汽车灯具镀膜设备及工艺方面实现了产业化 高中档市场占有率超过了65 9 汽车轮毂表面的绿色镀膜技术 有效地解决了因欧盟环保禁令的生效 高档汽车铝合金 镁合金 轮毂传统电镀铬的替代技术 2 航空航天材料的表面改性问题 微动磨损航空航天领域应用的精密零部件尺寸要求高 由于离子束表面工程技术几乎不改变零部件尺寸 制备涂层种类多 工艺灵活 具有突出优势 成为制备固体润滑涂层的主要技术 离子束表面工程技术随着我国空间技术迅速发展 目前已开发出多种适用于空间环境的高性能固体润滑涂层 如TiAgN纳米复合膜 MoS2 Au Re三元复合膜以及梯度多层Ni Cu Ag复合膜和多层无机 金属纳米复合膜 离子束表面工程技术的应用 3 太阳能材料的表面改性问题 有机太阳能薄膜电池光电转换效率低于硅材料太阳能电池 限制了有机太阳能薄膜电池的商业化 利用纳米金属颗粒在光照下的表面等离子体共振效应可提高有机太阳能薄膜电池的光吸收效率 如采用蒸镀和磁控溅射制备银纳米晶 利用金属纳米银颗粒产生的表面等离子体增强效应 提高了太阳能电池对光的吸收效率和转换效率 离子束表面工程技术的应用 4 生物医学材料的表面改性问题 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 离子束表面处理技术代价小 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 离子束表面工程技术的应用 4 生物医学材料的表面改性注入离子的复合化 等离子体浸没离子注入与沉积的方式对CoCrMo合金进行了低压高频 等离子体氮化处理和类金刚石薄膜的沉积 发现复合处理显著提高了CoCrMo的表面性能 注入离子的多样化 Zn离子注入镁钙合金 铝 锆及钛离子注入AZ91表面 注入到聚乙烯表面 改善了基体材料表面的耐蚀 生物相溶和力学性能 改性层的增厚化 可显著提高基体的生物相容性能 生物涂层表面涂层可以降低表面自由能 中和材料表面电荷 并且不改变原材料的形状和体积 这类生物涂层包括Ti基涂层 TiN TiO2 TiNxOy 及其合金涂层 添加Zr Nb P等合金元素 金刚石薄膜 类金刚石碳膜或者非晶碳膜等碳素材料薄膜 以及DLC与Ti基涂层复合膜等 离子束表面工程技术的应用 5 生物体的改性加速后的重离子注入到生物体后 产生一定的静止质量 能够使质量 动量 能量和电荷共同作用于生物体 且注入离子同时还具有高能量密度和尖锐的电离峰 不同的质量数 电荷数和能量又可根据需要进行组合 它将会使生物细胞乃至生物大分子的生理 生化功能发生变化 从而引起染色体突变 离子注入诱变育种的主要优点是比自然变异率高1000倍以上 变异的类型多 变异快 可以大大缩短育种周期 稳定可靠 简便易行 可以培育出传统杂交技术难以实现的品系 离子束在植物诱变育种 微生物品种改良 遗传改良等方面都有了较新颖的应用 离子束表面工程技术的应用 5 生物体的改性 离子束表面工程技术的应用 怀柔生产基地离子注入技术生产的凤仙花 北京师范大学核科学与技术学院从2000年起 先后对多种花卉进行了离子注入诱变育种技术的研究 取得了重要的阶段性成果 中国传统的凤仙花虽然花朵大 但由于花朵是单生或数朵簇生于叶腋 影响了成片种植的观赏效果 该院通过离子注入 选育的凤仙花朵出现了顶生 还出现同株多色等性状 极大地提高了观赏效果 可以大面积种植于花坛 花境 等离子体浸没式离子注入技术强流脉冲离子束技术 离子束表面工程技术的发展 等离子体浸没式离子注入技术等离子体浸没注入 PlasmaIonImmersionIm plantation 近年来迅速发展的一种材料表面改性新技术 其基本原理是 作为靶的工件外表面全部浸没在低气压 高密度的均匀等离子体中 工件上施加频率为数百赫兹 数千至数万伏高压负脉冲偏压 它克服了传统方法所具有的薄膜沉积或离子注入存在方向性的固有缺陷 因此在复杂形状的三维工件表面改性工艺与技术上表现出无与伦比的优越性 离子束表面工程技术的发展 等离子体浸没式离子注入技术 离子束表面工程技术的发展 PIII装置不是由离子源中产生的离子束射向分离靶室中的工件上 而是离子源环绕着工件 其做法是在靶室中产生等离子体 因此等离子体是环绕着注入工件的 这样就没有了直射性的限制 等离子体浸没式离子注入技术 离子束表面工程技术的发展 优点 克服视线效应 可处理复杂外形结构的器件 离子垂直轰击表面 减少了有害的溅射效应 和其他等离子体工艺 如刻蚀 沉积等 能够兼容 能够在同一系统上集成多个等离子体工艺 能对绝缘材料实施离子注入 注入过程中的大剂量低能离子电流能够满足微电子的工艺要求 不同物件间有相对独立的鞘层 因此可批量处理 提高效率 等离子体浸没式离子注入技术 离子束表面工程技术的发展 缺点 由于没有质量分离系统 注入离子种类不纯 注入能量不均匀 由于靶台电场分布不均匀 注入离子剂量分布不均匀 注入剂量的精确控制比较困难 形状复杂的工件如小孔的处理仍受限制 注入电压一般低于100kV 如果注入过程电压过高 会产生 射线等有害物质等 离子束表面工程技术的发展 2 强流脉冲离子束技术强流脉冲离子束 High intensitypulsedionbeam HIPIB 通常指离子能量E 105 107eV 离子束流密度Ji 1A cm2 功率密度P 107 1014W cm2 能量密度q 1J cm2的离子束 亦称之为强脉冲离子束 离子束表面工程技术的发展 2 强流脉冲离子束技术 该装置主要包括高功率脉冲电源和真空离子二极管两部分 高功率脉冲电源产生短脉冲宽度的高压脉冲传输到真空离子二极管 由离子二极管完成离子的产生 加速和引出 最终形成HIPIB 离子束表面工程技术的发展 2 强流脉冲离子束技术 HIPIB与材料表面相互作用主要伴随以下三个过程 能量传输过程 材料的快速加热 熔化和蒸发 烧蚀及随后快速冷却 质量传输过程 表面烧蚀等离子体的形成与膨胀 表面成分发生扩散迁移 动量传输过程 反冲冲量及材料内部应力波的形成 目前 HIPIB与材料之间的相互作用机理还不十分清楚 但HIPIB辐照显著的热一力学效应可导致材料在远大于离子射程深度内产生成分 结构和性能的显著变化 被普遍认为是HIPIB辐照材料表面改性的主要基础 离子束表面工程技术的发展 2 强流脉冲离子束技术 离子注入 激光辐照和HIPIB辐照处理P6M5高速工具钢显微硬度 深度变化曲线 HIPIB技术硬化效果显著 不仅可以提供很高的能量密度 而且辐照面积也可增至100cm2 其离子束的能量转换效率高达15 40 激光约1 使离子与材料的相互作用明显加强 离子束表面工程技术的发展 2 强流脉冲离子束技术 特点 适用性广泛 即可处理金属 陶瓷 又可以处理涂层 显著提高材料表面性能 HIPIB显著改变材料表面形貌 成分和相结构 导致性能变化 钴基和镍基硬质钨合金经HIPIB后 表面层硬度提高 耐磨性增强 316L不锈钢经HIPIB后 表面显微硬度提高 摩擦系数降低 磨损量减少 在0 5mol L的H2SO4溶液中电化学腐蚀性能显著提高 离子束表面工程技术的发展 离子束表面工程技术由于拥