金属管内壁涂层方法及模拟综述

1、硕 士 文 献 综 述金属管内壁涂层方法及模拟研究硕士生 学 号 指导教师 教授学科专业 机械工程及自动化学院2014年11月金属管内壁涂层方法及模拟研究目录摘要2abstract21. 引言22. 金属管内表面涂层技术发展32.1电镀32.2 激光强化处理42.3 等离子体表面改性42.3.1 物理气相沉积42.3.2 等离子体增强化学气相沉积82.3.3 离子注入102.3.4 其他123. 空心阴极放电133.1 空心阴极效应133.2 电子钟摆理论143.3 空心阴极放电区域的分布154. 管筒内表面等离子体动力学行为数值仿真164.1 解析模型164.2 流体模型174.3 pic方

2、法184.4 monte carlo方法194.5 pic/mc方法194. 小结195. 参考文献20摘要：管筒件内表面处理一直是等离子体表面改性领域的难题，特别是内径较细、长径比较大及变径的管件，等离子体难以进入管件内部，因而处理难度较大。本文综述了目前管筒件内表面处理的各种方法及发展现状，着重介绍空心阴极等离子体源内表面改性法。本文介绍了空心阴极放电等离子体的原理及特性，同时，介绍了粒子模拟方法（pic）模拟等离子体行为。为更合理的金属管内壁涂层方法的研究奠定了基础。关键词：金属管内壁，空心阴极放电，粒子模拟方法abstract: plasma ion deposition of the

3、 inner wall of cylindrical components is always a difficult task in the plasma modification field because of the difficulty for the plasma to enter the inner space of the tubes, especially for tubes with small diameter or high ratio of length/diameter or changed radius. in this thesis, the plasma mo

4、dification methods and the current situation of the development of the tubes inner wall were summarized. especially introducing the method of hollow cathode discharge to treat the inner wall of tube. this paper also introduced the principle and characteristics of hollow cathode discharge, and a part

5、icle simulation method (particle-in-cell, pic), which lays the foundation for reasonable surface modification method of inner wall of the tubes.key words: inner wall of tubes, hollow cathode discharge, particle-in-cell(pic)1、引言 在实际工业应用中有大量管状工件的内表面需要改性处理，例如：油田上的抽油泵泵筒、输油管道、化工管道、汽车汽缸套，以及军事领域特别是海军舰艇上配置的

6、舰炮炮管以及鱼雷发射管等。如不锈钢管材由于其本身固有的优异特性及其所带来的安全性、可靠性、清洁性、耐用性、经济性和环保性等优点而大量应用于建筑给水和直饮水的管道，为保护水资源，改善水质，保护人们的健康发挥了重要的作用1。碳钢管材、铸铁管材广泛应用于石油、天然气工业中气、水、油的输送，为其它行业提供了可靠的能源保障。锰钢及碳锰钢无缝钢管则是船舶用耐压管材的首选材料。在生物医疗应用方面，许多人造器官都具有管状形状，比如纤细柔韧的细长管是制备人造血管最基础的构件。而在国防领域中，坦克、大炮、枪械的身管，发动机管路，雷达波导管以及武装装备战车的轴承、活塞套等等，各种管筒状结构零件的应用更为广泛。但在实

7、际应用中，由于腐蚀、高温氧化、摩擦磨损，管筒件内表面经常发生严重的破坏，造成寿命缩短，给人们的生活带来了许多不便，工程应用上带来大量的经济损失。据2003年9月对我国第二大油田胜利油田的调查发现，整个胜利油田由于腐蚀引起的管线材料费直接经济损失就达3亿元，并由于更换管线影响作业和生产，导致间接经济损失达10亿元左右。在军事方面，由于枪炮管膛线磨损和内膛尺寸发生变化的问题，将导致弹丸初速、射击精度下降，战术技术性能降低，枪炮管失效2,3。因此，对管筒件内表面进行适当的处理以使其具有更高的硬度，更好的抗摩擦磨损性能，耐高温、高压性能、耐腐蚀性能等，就有着非常重要的现实意义。2、金属管内表面涂层技术

8、发展表面改性技术是仅对材料的表面进行处理的技术，如渗碳、渗氮、喷丸、激光处理、离子注入、热喷涂、阳极氧化、化学气相沉积、物理气相沉积等4。目前针对管筒件内表面改性处理，世界上一些科研机构及大学都做了大量的研究工作，主要采用的方法有电镀、激光强化处理、等离子体表面改性等。2.1 电镀电镀是最早提出的管筒件内表面处理方法，在我国已有40多年的历史。具体方法是将管筒件内表面完全浸没在电解液中，通过电镀液的自由流动与浸泡，自然将改性介质带到需要处理的部位，然后通过阴阳极反应生成合适的镀层5。田青超等6研究了镀铬优质衬管钢射击后的烧蚀情况，发现在射击循环的高热冲击作用下，镀层表面产生了裂纹并逐渐扩展，导

9、致铬层小面积剥落。k.m.yin等7采用封闭的电镀系统对长150mm，内径分别为3mm和6mm的铜管进行了镀铬处理。谢洪波8等从应用的角度对方形管状零件内壁电镀硬铬技术进行了探讨，发现方管内角难以镀覆，且方管内壁两端厚度不均匀。 电镀也有其本身的优势所在，如不受处理管长的限制，可以对内径达几个毫米的细长管件进行处理等，但电镀涂层在性能上存在着不足，更为重要的是镀液对环境有严重污染，在环保要求日益提高的今天，必须寻找合适的可替代的新方法。2.2 激光强化处理利用激光的高能量密度和高方向性可对管状材料内表面进行处理，使管状工件内表面的性能得到提高，特别是提高内表面硬度、强度、耐磨性、耐蚀性和耐高温

10、性能，从而提高管状材料的使用寿命9。用于管内表面处理的激光表面改性技术主要包括激光熔覆合金化、激光相变硬化和激光蒸发镀膜等。激光熔覆是把所需配制的合金粉末经激光熔化成熔覆层的主体合金，熔覆层与基体金属有一薄层熔化，构成冶金结合的一种激光表面处理技术。激光相变硬化是将激光束以105-106/s 的加热速度作用在被处理的金属表面上，使其温度迅速上升至相变点以上，并通过基体的热传导，迅速冷却实现自冷淬火的技术10。激光强化处理的最大优势在于处理后工件的形状及尺寸变化不大，将热影响区减少到了最小。但是激光表面强化处理需要有激光发生器，设备庞大，成本较高。同时钢材对红外能（波长为10.6m）的吸收率非常

11、低，仅为10%左右，造成能量的浪费，因此激光只适用一些特殊的场合，其应用受到了极大的限制。2.3 等离子体表面改性等离子体可由紫外辐射、x射线、加热、冲击波、激光辐照、气体放电等方法产生，实验室和工业上多采用气体放电的方式。等离子体表面改性技术可应用于离子注入、热喷涂、堆焊、薄膜沉积、化学热处理、离子束混合和离子束分析等方面，是整个表面工程技术发展的重要支柱，世界各国竞相大力投入研究11。内表面的等离子体处理一直是表面改性处理的难点，目前主要有物理气相沉积（pvd）、等离子体增强化学气相沉积（pecvd）以及离子注入等。2.3.1 物理气相沉积在内表面涂层沉积时，采用蒸发源来涂敷金属是一种简单

12、易行，而且非常经济的办法。m.sato12通过空心阴极电子枪蒸发法实现了管筒件内表面tin涂层的沉积，图2-1为装置简图。空心阴极电子枪及靶材置于待处理管件内部并与其同轴放置。空心阴极电子枪发射电子，轰击做为阳极的材料ti，使其蒸发，同时往反应室内通入n2，在待处理管件上施加负偏压得到tin涂层。通过管件的往复运动实现处理的均匀性。图2-1 空心阴极电子枪蒸发法处理管内表面装置图1991年，maston13,14等发明了一种快速三极溅射沉积方法，在内径25mm，外径42mm的4340钢管内表面沉积了几十微米厚的体心立方钽涂层。图2-2为试验装置示意图：中心棒状金属钽靶为工作阴极，真空室壁为阳极

13、，管件底部钽片发射电子，做为辅助阴极激发维持等离子体。因此，称整个系统为三极溅射。他们研究了气体种类、基体温度、气压等对所形成的相和涂层的显微结构的影响。结果发现，基体温度、离子轰击能量及溅射气体等对-ta 体心立方相的形成与分布具有重要影响，同时溅射靶的移动提高了所制备涂层的密度，促进了单相钽的形成。lee15对三极溅射形成的钽涂层的相、残余应力和结构进行了研究。发现铌作为打底层的情况下，可以获得完全的相钽涂层，涂层表面有很高的残余拉应力。此方法是依靠处于管上下两个端口的热阴极及阳极直接放电产生等离子体，由于放电通道狭小，起辉难度很大，因此不适用于处理长/径较大的管件，maston等人处理管

14、件的最大长度92.4mm，最小内径20mm。图2-2 三级溅射装置示意图为了能处理更大长/径的管件，崔江涛16等人将三级溅射装置进行了改进，提出了细长管内腔多级溅射装置，图2-3为该装置结构示意图。除了采用三级溅射装置的三个电极外，他们在灯丝热阴极与管件底部之间加入一个环状栅极，这个栅极起到对电子的聚焦和加速作用，使电子经过栅极后具有较高的动能，可以在较长的管内激发等离子体，从而实现更大长/径管件的内表面处理。多级溅射系统可以在15300mm、690mm的管件内部产生稳定均匀的等离子体，并可以进行多种金属靶材的溅射。同时，该系统工作压强较低（0.2-1.0pa），阳极电流密度大（最大可达106

15、ma/mm2），可独立调节靶溅射电压和管偏压。采用该方法，作者在内径20mm，长200mm 的管件内壁成功制备了tin薄膜，膜层最大沉积速率可达3.5m/h，且厚度较为均匀，耐腐蚀性能较好。图 2-3 细长管内腔多级放电装置结构示意图中科大的张耀峰17,18等人设计了一套适用于加速器管道真空室的低温溅射镀tin 薄膜装置。他们将待处理管件本身做为真空室，在管件中心轴向放置同轴的金属靶材，在靶材与管件之间施加直流电压来获得等离子体，靶材为负极，待处理管件为正极。利用该溅射装置，对内径86mm，长2000mm的不锈钢管道内壁进行了tin沉积试验。结果表明：在压强为80-90pa，基体温度160-1

16、80时，不锈钢管道获得的tin膜层性能最佳，此时薄膜沉积速率为0.145nm/s。该方法实际上就是常见的二级溅射法，可以在较长的管件内表面实现镀膜，但是气压很高，对成膜质量有较大影响。德国的w.ensinger19提出采用圆锥靶溅射的方法在管件内表面制备涂层。该方法的工作原理为将一可移动的圆锥形靶材伸入到待处理管内，利用管外离子束源引出高能离子，经聚焦打到靶材上，产生溅射效应，从而在管件内表面沉积膜层。图2-4为装置结构示意图。此方法的最大优势在于处理材质不受限制，可以对任何材料管件内壁进行处理，应用性较强。但由于要产生离子束，同时还要对其聚焦，实现起来较为困难。一旦散焦，溅射率就会大打折扣。

17、俄罗斯的 a.a.lozovan20,21提出用脉冲激光源代替离子束源，利用脉冲激光束加热靶材使其蒸发，从而在管件内表面沉积膜层。他们用这种方法成功的在内径10mm的 x18h10t钢管内表面沉积了cu和mo涂层。图 2-4 圆锥靶溅射装置图2.3.2 等离子体增强化学气相沉积技术日本的i.hideaki22等通过等离子体化学气相沉积的方法在内径10mm的钢管内表面沉积了tin涂层。图2-5为化学气相沉积处理内管示意图。将待处理管件水平放置，并伸入与其同轴放置的cvd炉膛内，混合气体ticl4+n2+h2从管件的一端通入管内，通过cvd炉膛的加热作用，使管内的气体反应，在内表面沉积成膜。同时通

18、过行走装置控制cvd炉膛沿管件轴向运动，可以实现内表面的均匀处理。利用这种方法，他们在管内表面沉积了厚度均匀的tin涂层，并得到最佳实验参数为：沉积温度为1050，总气体流量率为360sccm，炉膛移动速度为2.8mm/min。图 2-5 化学气相沉积处理内管示意图核工业西南物理研究院的金凡亚23等人利用一种新型等离子体增强化学气相沉积内表面复合处理系统在1001000mm的316不锈钢管内表面沉积了tin涂层，图2-6为试验原理图。研究结果表明：涂层厚度沿管轴向相对比较均匀，且具有较好的表面特性和机械性能。图 2-6 等离子体复合内表面系统原理简图k.berreth24等为了提高一种马氏体钢

19、管（t91）内表面的耐腐蚀和抗氧化能力，在管件内表面通过cvd的方法沉积了si涂层，并对沉积后膜层进行了热处理。结果表明：处理后的管件内表面硬度略有降低，强度变化不大，抗氧化能力大大改善。2.3.3 离子注入离子注入的方法可以使强化表面元素的浓度沿注入层呈连续变化，不存在界面与结合力问题，能够在不改变工件尺寸的前提下，得到所需性能的改性层，具有非常显著的表面处理优势25。然而对于内表面离子注入来说，尤其是对于细长管筒的内表面离子注入，问题就大不相同了。至今为止，人们很难找到一种较好的管内表面处理方法。等离子体浸没离子注入被提出以后，人们对这种技术寄予了非常大的期望，希望能够解决细长管筒内表面的

20、离子注入问题。该技术的工作原理为：将待处理的管筒件放在真空室中，真空室内通过气体或金属离子源产生等离子体，该等离子体会通过扩散作用进入管筒内部，当在管筒上施加负偏压时，由于鞘层的作用，管筒内部的离子就会加速飞向管筒内表面，形成注入效应26。管内离子注入的理论研究起源于sheridan博士的工作，他通过数值仿真的方法在理论上阐述了内表面等离子体离子注入的可行性，并提出了特征空间尺度的概念，即（其中v0为管上施加的负电压；n0为管内等离子体密度）。如果被处理的管筒内径太细，由于管内鞘层交叉重叠，管内等离子体电位与施加电位差值就会减小，结果注入效应就会大大降低，甚至根本不可能产生注入效应，而上述特征

21、空间尺度的公式表明在等离子体密度一定的条件下，对于一定的管筒半径，存在一个相应的注入电压值，即使加到管上的负高压远远超过了该电压值，离子所能获得的能量也并不会有太大提高，甚至根本不会提高27,28。管内注入模拟实验结果表明：当管内氮等离子体密度为21015ions/cm3的条件下，即使管上施加的电压达到200kv，内径8mm的管件内部离子的加速电压只有20kv，内径12mm的管件内部离子加速电压为30kv。这就给管筒件内表面等离子体离子注入蒙上了阴影27。为此，香港城市大学的 x.c.zeng 博士29,30及中科院物理所的孙牧博士31,32几乎同时提出了中心辅助地电极离子注入技术，原理图如2

22、-7所示。在管筒件接负高压脉冲源的基础上，他们在圆筒中心轴向增加了一个接地电极。x.c.zeng数值仿真的研究结果表明，采用辅助接地电极，可以对管筒内的电势进行有效钳位，避免鞘层重叠后管内等离子体电位与管壁施加电位差值减小。实验发现中心辅助电极附近是离子冲击能最大的区域，而平均离子冲击能则随着脉冲时间的增加而逐渐减小，进一步的研究表明，这种方法有效地提高了离子注入能量，但注入过程进行的非常迅速，筒内的离子很快被消耗掉，离子密度急剧降低，仍然存在改性效率低、轴向均匀性差（50）的问题。s.m.malik33等人也采用这种方法在直径100mm 管内表面注入沉积了dlc及tin膜层，同样发现了膜层均

23、匀性较差的问题。钮金真34等人同样采用中心辅助地电极方法在管内表面制备了dlc膜层，研究结果表明生成的dlc膜层结构与rf 功率有很大的关系。当rf功率在500w以上时更容易生成纳米晶粒的dlc膜，薄膜表面光滑、致密、均匀；当rf功率较低时，得到的为细小石墨颗粒形成的疏松薄膜，膜层性能较差。图 2-7 中心辅助电极离子注入法示意图以上对管内表面离子注入的方法都有一个共同的特点，就是等离子体源都在管外部，等离子体在管外产生后，通过扩散作用进入到管内，从而实现对内表面改性的，因此在对长/径较大的管件进行处理时，势必存在改性效果不均匀的问题。所以迫切要求将等离子体源引入到管件的内部。中科院物理所的刘

24、斌等人35首先对偏转电场法进行了改进，提出了内表面栅极增强等离子体源离子注入（gepsii）技术，原理见图2-8。他是在偏转电场法的基础上，通过在中心射频电极与样品之间加一圆筒形栅网，在中心电极与辅助栅网间激发产生等离子体，形成离子注入。利用gepsii技术，刘斌等人进行了tin涂层沉积，所处理管件尺寸为100210mm。这种方法有几个特点：等离子体在管内部产生，沿轴向密度相对均匀，轴向均匀性可大于80；等离子体产生区和加速区分离；由于使用阴极溅射，金属离子能被引入。但这种方法不能处理细管的缺点也是显而易见的。图 2-8 栅网增强内表面改性示意图哈工大的巩春志36提出了高压脉冲和射频匹配的新方

25、法，即利用脉冲射频在管件自身直接产生等离子体，通过脉冲射频与高压脉冲的相序控制，在产生等离子体的同时或之后施加高压脉冲，实现管内壁的离子注入，同时在管筒外引入地电极屏蔽管筒，以抑制待处理管筒的外部放电，图2-9为装置示意图。他们在内径30mm的管件内部成功的实现了氮离子注入，并取得了较好的改性均匀性。图 2-9 管筒自激射频放电等离子注入实验装置示意图2.3.4 其它除上述的管内表面处理方法外，还有一些方法也有着重要的应用。阳极氧化就是其中的一种。它是将待处理的管件做为阳极，通过电解液在管内部的流动使其氧化的方法。d.djozan37等人用这种方法对长1m的铝内表面进行了处理，发现电解液浓度、

26、流动率、温度、电压及阳极氧化时间对氧化层的厚度、空隙率等有很大影响。电解液温度在15-18可以得到最厚的阳极氧化层，而最佳的电解液流动率为1-2ml/min。热浸镀与微弧氧化（peo）结合法是中科院物理所的顾伟超等人最近提出的对钢管内表面进行改性处理的一种新方法38。由于微弧氧化只能对非铁类金属材料进行处理，所以先用热浸镀的方法在钢管内表面涂覆一层铝薄膜，然后再对其进行微弧氧化处理。这种方法的本质还是建立在电镀的基础上的，所以很难避免电镀中存在的一些问题。d.demokan39提出了一种内表面改性的新方法。将一金属杆或者棒材外表面包覆预沉积材料的金属箔，并同轴置于待处理管件内部，待处理管件接高

27、压。通过外电路给金属杠通过一大电流，使金属箔蒸发，离化的金属离子就会在电场的作用下注入到管件内表面。3、空心阴极放电 空心阴极放电（hollow cathode discharge）简称 hcd 放电，是真空放电的一种特殊形式。它具有低电压、大电流、离化率高、粒子能量大等优点，由德国实验物理学家帕邢（paschen）于1916年首先报道和使用。3.1 空心阴极效应 若在一般辉光放电管中装入两个平行的平板阴极（图3-1(a)），那么在放电时，两个阴极附近将出现各自的阿斯顿暗区、阴极光膜、阴极暗区和负辉区，而法拉第暗区和正柱则是公共的40。图 3-1 空心阴极效应的实验和理论说明（a） 辉光放电管

28、；（b）电子在两极间的位能分布 假若设法让两个阴极c1和c2逐渐互相靠近，则当间距缩小到某一程度时，两个负辉区便合而为一了。这时，可看到负辉的发光强度和电流密度都大大增加。这就是“空心阴极效应”，这种放电就叫空心阴极放电41。实验结果表明，阴极材料对空心阴极效应影响不大。发生空心阴极效应时的电流密度j，与阴极位降相同的普通阴极的正常辉光放电时的电流密度j0之比值j/j0，称为空心阴极效应的电流密度放大系数。它表示空心阴极效应发生的程度。由实验可知，当阴极间距d不变时，比值j/j0随气压的增加而下降，因而空心阴极效应逐渐减退，以致消失，可见空心阴极效应与气压有关。3.2 电子钟摆理论 如图3-1

29、 (a)所示，当空心阴极效应发生时，双阴极c1和c2之间的距离d是很大的，由c1和c2逸出的电子，从阴极位降区获得足够的速度后，进入各自的负辉区，使气体激发或电离，失去部分能量，再进入法拉第暗区，最后趋向阳极。当距离d减小或气压降低时，由阴极c1逸出的电子，可以入射到c2的阴极位降区，在那里受到c2的电场排斥而返回c1。当然，对于由阴极c2逸出的电子，同样发生这种情况，阴极c1和c2之间的电子运动的位能分布如图3-1(b)所示。由阴极c1逸出的电子，在1m 一段上受到空间电场的作用，逐渐被加速；运动到mc2一段时，就受到电场的排斥而减速。如果在这段时间内，电子一次也未能与其它粒子相碰撞，那么它

30、将沿着原路线返回，并具有它从阴极逸出时的能量。然而，如果电子在运动路线上同气体原子发生了非弹性碰撞，那么电子必然消耗一部分能量，使这些气体原子激发和电离。没有发生碰撞时，电子便在c1和c2之间作振幅位为d/2的振动。电子的这种振动称为电子的“钟摆”42。发生一次碰撞，电子大约失去几ev的能量。因为空心阴极放电的阴极位降一般为250500v，而使一个原子激发或电离，一般约需几至十几ev的能量（铯的电离电位最低（-3.88v），氦的电离电位最高（-24.48v）。所以，在c1和c2之间作了“钟摆”的电子，在理论上可以引起几十个原子的激发或电离。于是阴极之间区域内的发光强度剧增，发生“空心阴极效应”

31、的本质即在于此。3.3 空心阴极放电区域的分布面对已经产生空心阴极放电的阴极孔口观察，可以看到孔中的光强分布，如图1-14的几个区。最靠近阴极内壁的一不发光的薄层是阿斯顿暗区，阿斯顿暗区之内有一发光薄层是阴极光膜（阴极外表面上也会出现阴极光膜，特别是当孔径大、深度浅时）。紧接着的内层是阴极暗区。中心是光强比较大而均匀的负辉区。虽然负辉比较均匀，但仔细看时仍可发现，在阴极轴线方向上亮度较大，并且朝着阴极暗区缓慢下降。应指出，在通常辉光放电的情况下，负辉亮度最大的地方是靠近阴极的一边，而空心阴极放电恰好相反。阿斯顿暗区、阴极光膜和阴极暗区组成空心阴极放电的阴极位降区（见图3-2），阴极压降大部分就

32、降落在这里。阿斯顿暗区是这样形成的：最初从阴极逸出的电子速度很小，未具备激发气体原子发光的能力，所以是暗的。当电子跑过这段暗区之后，它从电场获得了激发原子或分子所需要的动能，于是形成阴极光膜。在靠近阴极暗区的一面，阴极光膜的界面不太清楚。阴极暗区并不像阿斯顿暗区那样完全不发光。这个暗区显得暗，完全是被明亮的负辉衬托出来的。此区域形成原因为，电子在这个区域的电场中不断获得能量，动能愈来愈高，以致超过激发几率的最大值，激发几率急剧下降，激发愈来愈少，所以发出的光比较弱。在这区域电子引起大量电离，繁流放电集中在这里。负辉：电子飞向对面那部分阴极时，由于对面那部分阴极电场的阻滞作用，逐渐减速。速度减慢

33、，激发几率又复增加，激发、跃迁活动增加、所以发光增强。电子沿着空心阴极直径摆动，直至失去大部分动能后，速度逐渐减小，为了构成电路的通路，它必然有一个向阳极运动的速度43。发生空心阴极效应时，负辉全部集中在空心阴极孔内，阴极内表面所发射出来的电子，常常沿着直径往复运动好几次，才能到达阳极，因而大大提高了空心阴极中电子激发、气体电离或原子蒸气的效率，提高了负辉区的发光强度44。图 3-2 空心阴极放电区域分布空心阴极放电的法拉第暗区和正柱的长度，主要由阴极和阳极之间的距离或气压决定，当距离较小或气压较低时，它们可以完全消失；反之，可以伸的很长。在各种惰性气体中，正柱的发光颜色各不相同：在氦中呈橙黄

34、色，在氩中呈紫色（紫色带红则混有空气）。若混有少量水蒸气或碳酸气，正柱呈灰白色。空心阴极放电的正柱同样会出现云层结构，特别是当电流较小，载气中混有少量杂质气体或水蒸气时，比较容易出现。电流较大，载气较纯时，正柱总是连续一片。4、管筒内表面等离子体动力学行为数值仿真 在等离子体表面改性过程中，根据不同的鞘层扩展动力学模型可以计算出在注入过程中到达样品表面不同位置处的离子能量、速度、注入剂量和入射角度等。其中研究离子鞘层扩展动力学过程的方法分别有：particle-in-cell（pic）、流体方法、解析方法、monte carlo（mc）方法，以及 pic/mc方法等。4.1解析模型1989年l

35、ieberman建立了一维平板无碰撞鞘层的解析模型45，scheuer等人将这一模型推广到柱体和球体形状的样品上46。解析模型的基本假定是:1.鞘层中离子运动是无碰撞的(低气压情况下)；2.电子对电场的反应远远快于离子，可以认为是瞬时反应(pepi)；3.样品上施加的电压远远大于电子温度(eu0kte)；4.离子渡越鞘层的过程中，鞘层中的电场保持不变，这个瞬间鞘层表现为准稳态；5.准稳态鞘层符合空间限制电流的child-langmuir定律，是child-langmuir鞘层。当极板电势为v，鞘层厚度为s时，根据child-langmuir定律，鞘层电流密度为: （4-1）在鞘层边界，离子束流

36、密度为 （4-2）其中为bohm速度。根据上式，可以得到鞘层厚度s随时间的变化关系方程 （4-3）一旦知道了鞘层的厚度，就可以计算出随时间变化的注入离子流、离子总注入量和注入能量的分布。scheuer 等人47在 1990 年把 liberman 的解析模型推广到柱形和球形样品的情形，并认为当样品表面所加负偏压远高于电子温度时，离子鞘层向等离子体扩展过程中，预鞘层来不及形成就会被扩展的鞘层覆盖，这时可忽略鞘层边界处离子的bohm 速度 vb，即将（4-2）式变为： （4-4）4.2 流体模型 数值模拟方法中的流体模型使用了离子密度守恒和动量方程、电子平衡波、泊松方程联立的非线性方程组，模拟过程

37、中相关物理量随时间的变化的过程精确描述了鞘层的时空演化。哈尔滨工业大学的田修波教授利用无碰撞离子流体模型，对复杂外形靶体(具有沟槽的靶体)的piii注入过程进行了模拟，模拟结果显示高密度的非均匀等离子体可以有效地改善注入剂量均匀情况48。由于egdpiii注入过程中可以产生离子密度高达的等离子体，根据上述结果egdpiii在处理复杂外形靶体时较piii更加有优势。总而言之，利用流体模型可以很便捷的考察形状较为复杂的工件在等离子体过程中鞘层的演化，且计算精度优于解析模型，为优化这类工件的离子注入工艺提供研究基础。4.3 pic方法pic方法是根据牛顿第二定律，通过跟踪大量带电粒子在电磁场作用下的

38、运动来模拟等离子体的动力学特性，从而得出系统随时间的变化行为的粒子模拟方法。模拟过程简单描述为: 被模拟的空间被划分为许多小的网格，将大量粒子按密度分布放置在网格空间，通过适当权重方法分配粒子密度，以此求解泊松方程。得到各个点上的电势和电场后，由相应的权重方法求解空间各点粒子所受的电场力，从而求出下一时刻每个粒子的速度和位置。然后再通过适当的权重方法重新得到粒子在各个网格点上的离子密度。如此进行重复运算，直到脉冲结束，如图8所示。通过对每个粒子的跟踪，可以得到鞘层的演化过程及粒子在鞘层中的运动行为。由于流体模型是从宏观角度研究等离子体大范围、长时间的行为，模拟的对象是流体元而非单个离子，并不能

39、精确地给出密度跃变的细节，因此描述多维情况下等离子体浸没离子注入鞘层扩展动力学过程使用pic方法更为确切。图8 pic方法流程图4.4 monte carlo方法pic方法虽然很好的描述了离子在电场中的运动及电场分布虽时间的变化，但忽略了离子在鞘层内加速过程中与中性粒子间的碰撞。实际piii过程中，虽然气压很低，离子在鞘层中还是可能与中性粒子碰撞，碰撞会使离子能量损失，方向改变。因此考虑碰撞效应对piii过程的影响是必要的。在monte carlo方法中，跟踪进入鞘层中的每一个离子的行踪，考察其与其他粒子是否发生碰撞以及碰撞的类型，确定离子的运动状态，直到离子注入到工件表面。对大量粒子进行统计

40、，从而获得所需的物理量的分布规律。4.5 pic/mc方法 pic/mc 方法是将 pic 和 mc 两种方法结合，其本身不但自洽，而且考虑了粒子间的碰撞，是迄今为止比较公认的一种粒子模拟方法49。所谓 pic/mc 方法，就是在原来 pic 方法的循环步骤中，当得到某一时刻离子的速度和位置后，考虑离子与中性粒子间是否发生碰撞，若发生了碰撞，离子的速度大小及运动方向会发生变化，而位置不变，之后再权重离子到网格点。5、小结 管状构件内表面防护作为表面工程领域近年来的技术需求，对其表面改性技术提出了越来越高的要求。通过近20年的发展，目前已提出并发展了一些内表面真空镀膜技术与装置。随着世界能源和环

41、保问题日益严重，对发展节能、环保、高效的管件内表面改性技术与装置的需要变得越来越紧迫。电镀技术将逐步被以无环境污染的等离子体表面改性技术所取代。pecvd方法尽管可沉积涂层，但由于沉积温度较高及沉积涂层的种类限制，且管内涂层均匀性仍存在一定问题，仍无法广泛应用。磁控溅射方法可沉积的薄膜种类较广，但由于中心柱状靶材的应用及膜基结合力尚嫌不足，对其应用仍存在一定困难。相比而言，电弧离子镀技术对管件内壁镀膜可得到较为致密的膜层，而且通过电磁场对等离子体的聚焦与约束，可制备的管件长径比达到10.0以上，尤其是可制备的薄膜范围广泛，如各种金属膜、氮化物及碳化物薄膜，因此通过技术的不断完善，将会发展为一种

42、适合长管内壁镀膜的有效处理技术。不过，受等离子体传输过程中的损失及大颗粒污染，更细更长管件内表面镀膜仍面临很大挑战。总的来看，各种内表面真空镀膜技术各有其优劣势，如何找到合适的应用领域、发展更广谱、更可靠的内壁镀膜技术、内壁镀膜分析测试方法等仍是今后急需发展的重要方向。6、参考文献1 黄汝宏. 建筑给排水管材的回顾与展望. 中国住宅设施. 2003, (19): 42452 s. sopok, c. rickard, s. dunn. thermal chemical mechanical gun bore erosion of an advanced artillery system par

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