第6章 电子束和离子束加工

6电子束和离子束加工

6.1电子束加工

1.加工原理

电子束加工是利用高速电子的冲击动能来加工工件的，如图6-1所示。在真空条件下，将具有很高速度和能量的电子束聚焦到被加工材料上，电子的动能绝大部分转变为热能，使材料局部瞬时熔融、汽化蒸发而去除。图6-1电子束加工原理

控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。如只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化就可以进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化，就可进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻加工。

2．特点与应用 电子束加工的特点如下：

(1)电子束能够极其微细地聚焦(可达l～0.1μm)，故可进行微细加工。

(2)加工材料的范围广。由于电子束能量密度高，可使任何材料瞬时熔化、汽化且机械力的作用极小，不易产生变形和应力，故能加工各种力学性能的导体、半导体和非导体材料。

(3)加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。

(4)电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较贵，故在生产中受到一定程度的限制。

电子束加工的应用：（1）高速打孔（2）加工型面及特殊表面（3）刻蚀（4）焊接（5）热处理（6）电子束光刻图6-2电子束加工的喷丝头异形孔电子束加工应用于加工微细小孔、异型孔图6-3电子束加工曲面、穿孔

电子束加工弯曲的型面：

其原理为：电子束在磁场中受力，在工件内部弯曲，工件同时移动，即可加工曲面Ⅰ；随后改变磁场极性，即可加工曲面Ⅱ；在工件实体部位内加工，即可得到弯槽Ⅲ；当工件固定不动，先后改变磁场极性，二次加工，即可得到一个入口、两个出口的弯孔Ⅳ。拉制电子束速度和磁场强度，即可控制曲率半径。

6.2离子束加工

1．加工原理 离子束加工也是一种新兴的特种加工，它的加工原理与电子束加工原理基本类似，也是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速、聚焦后投射到工件表面的加工部位以实现加工的。所不同的是离子带正电荷，其质量比电子大数千倍乃至数万倍，故在电场中加速较慢，但一旦加至较高速度，就比电子束具有更大的撞击动能。离子束加工是靠微观机械撞击能量转化为热能进行的。

离子束加工的物理基础是离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应和注入效应。离子束加工可分为四类。

1)离子刻蚀 离子轰击工件，将工件表面的原子逐个剥离，又称离子铣削，其实质是一种原子尺度的切削加工。

2)离子溅射沉积 离子轰击靶材，将靶材原子击出，沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层薄膜。

3)离子镀(又称离子溅射辅助沉积)

离子同时轰击靶材和工件表面，目的是为了增强膜材与工件基材之间的结合力。

4)离子注入 离子束直接轰击被加工材料，由于离子能量相当大，离子就钻入被加工材料的表层。工件表面层含有注入离子后，就改变了化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理性能。

2．特点及应用 离子束加工有如下特点：

(1)离子束加工是目前特种加工中最精密、最微细的加工。离子刻蚀可达纳米级精度，离子镀膜可控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度亦可精确地控制。

(2)离子束加工在高真空中进行，污染少，特别适宜于对易氧化的金属、合金和半导体材料进行加工。

(3)离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观作用，所以加工应力和变形极小，适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工。

离子束加工的应用： （1）刻蚀加工(如加工空气轴承的沟槽，加工极薄材料等)；（2）镀膜加工(如在金属或非金属材料上镀制金属或非金属材料)；（3）注入加工(如某些特殊的半导体器件)等。

思考题电子束和离子束在原理上和在应用范围上有何异同？电子束加工、离子束加工和激光加工相