一,、前言

離子束是三束（離子束、電子束,、激光束）工藝中對(duì)材料改性最有應(yīng)用價(jià)值的一種,，離子濺射技術(shù)屬原子級(jí)表面加工技術(shù)，其良好的改性效果逐漸顯出了強(qiáng)大的生命力,。在國(guó)外的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛,，而目前，國(guó)內(nèi)的離子濺射材料改性才開(kāi)始起步,，只在一些領(lǐng)域開(kāi)拓出了一定規(guī)模的市場(chǎng),，如醫(yī)用人造關(guān)節(jié)、人體植入物,、航天軸承和齒輪,、金屬加工、擠壓和成型等,。離子濺射材料改性的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,，市場(chǎng)巨大，涉及領(lǐng)域包括：醫(yī)療器械,、鐵路交通,、航空航天、航海,、建筑,、礦山,、生物育種等民用和軍用工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，具體包括：醫(yī)用人造關(guān)節(jié)（假肢）,、模具,、鑄臺(tái)、切削刀具,、絲錐,、鉆頭、齒輪,、軸承,、擠壓螺桿、軋輥等金屬材料,、陶瓷材料,、半導(dǎo)體材料、各種高分子聚合物和渦輪葉片等,。

近二十年來(lái),，在非半導(dǎo)體工業(yè)中，離子濺射技術(shù)的快速發(fā)展,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料表面聲學(xué),、光學(xué)和超導(dǎo)性能的改性，通過(guò)離子濺射（轟擊）到材料表面,，直接獲得過(guò)飽和固溶體和非晶態(tài)等亞穩(wěn)平衡狀態(tài),，改變材料表面層的化學(xué)成份、物理結(jié)構(gòu)和相態(tài),，提高材料的工作硬度,、耐磨損性、抗腐蝕性和抗氧化性,，成功的解決了各種材料因?yàn)橹T如疲勞,、腐蝕、摩擦和磨損而引起的損壞,。

二,、離子濺射材料改性機(jī)理

離子濺射是根據(jù)被處理材料所需要的性能，選擇適當(dāng)元素,，從離子源中引出離子束,，通過(guò)加速器將離子束加速，高能高速地注入（轟擊）到靶室中的材料表面,。在碰撞中離子能量傳遞給基體原子,，離子產(chǎn)生大角度偏轉(zhuǎn)，損失的能量使晶格原子產(chǎn)生位移，離開(kāi)它的平衡位置進(jìn)入間隙狀態(tài),，從微觀(guān)上改變了物質(zhì)的原子的狀態(tài),，形成一層0.3-3μm厚的高致密硬膜，從而使材料表面的物理,、化學(xué)性能發(fā)生改變,，從而在宏觀(guān)上奠定了物質(zhì)加工、特別是材料改性的基礎(chǔ),，實(shí)現(xiàn)改性材料耐磨性,、硬度、抗腐蝕性的顯著改善,，提高材料的工作硬度,、耐磨損性,、抗腐蝕性和抗氧化性,，最終延長(zhǎng)材料工作使用壽命，從而達(dá)到材料改性的目的,。

其中,，離子濺射在金屬材料改性的應(yīng)用，已作為提高金屬表面硬度,、強(qiáng)度和潤(rùn)滑性的重要方法,。載能離子濺射金屬表面后，由于能量傳遞及離化效應(yīng),，會(huì)形成輻射損傷,，因此形成大量空位和空位團(tuán)及間隙原子。這些晶體缺陷積聚在表面增大了位錯(cuò)密度,，從而使表面強(qiáng)化,。在抗腐蝕方面的機(jī)理主要為，通過(guò)合適的元素注入金屬,，改變陽(yáng)極或陰極的異電解反應(yīng)速率,，從而控制溶液對(duì)材料的腐蝕速率。

三,、離子濺射技術(shù)的特點(diǎn)

現(xiàn)代科技的高速發(fā)展,，對(duì)材料表面性能（抗磨損、抗腐蝕,、抗疲勞等）的要求日益提高,，特別是高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速,、高壽命,、耐高溫、低損耗零部件的迫切需求，廣泛采用而且不斷發(fā)展的傳統(tǒng)表面處理技術(shù)及工藝（拋光,、電刷鍍,、化學(xué)鍍復(fù)合鍍層、熱噴涂,、激光表面強(qiáng)化,、汽相沉積、等離子體滲氮,、滲碳,、滲硼及金屬修補(bǔ)膠和薄膜性保護(hù)技術(shù)），雖然在各自領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,，但都存在一定的缺點(diǎn)和局限性,，例如：鍍層與基體結(jié)合不緊密，在高溫高速運(yùn)動(dòng)中容易脫落,；汽相沉積能夠在材料表面形成3-100μm的膜,，但改變了改性材料的尺寸，在精密零件中的應(yīng)用就受到限制,；滲氮,、滲碳、滲硼工藝需要在一定溫度下（幾百度）,、較長(zhǎng)的時(shí)間（幾天-幾個(gè)星期,，甚至上月），易引起改性材料的變形,。

離子濺射材料改性技術(shù)與傳統(tǒng)的材料改性工藝相比,，具有以下優(yōu)特點(diǎn)：

（1）離子濺射一般在常溫或低溫下進(jìn)行，整個(gè)過(guò)程均在真空中完成,，因而表面處理中無(wú)氧化和脫碳現(xiàn)象,，被處理的部件不會(huì)受到環(huán)境的污染，因而十分適合零件或產(chǎn)品的最后表面處理,。

（2）離子濺射是一個(gè)非平衡過(guò)程,，注入元素選擇不受冶金學(xué)的限制，注入的濃度也不受平衡相圖的約束,，不像熱擴(kuò)散那樣受到化學(xué)結(jié)合力,、擴(kuò)散系數(shù)及固溶度等方面限制?？蓪⑷魏卧刈⑷氲饺魏尾牧蠙C(jī)體中而不論它們是否互溶,，這是常規(guī)方法難以獲得的。

（3）離子濺射是原子級(jí)的直接混合,，注入后,，材料尺寸不會(huì)發(fā)生變化，能夠保持原有的尺寸精度。如在人造人體功能材料的實(shí)際應(yīng)用中,，不會(huì)改變?nèi)嗽旒僦谋砻嫘蚊埠皖伾?，易于被患者所接受?

（4）注入離子是分散停留在基體內(nèi)部，沒(méi)有界面,，故改性層與基體之間結(jié)合強(qiáng)度很高,，附著性好。注入層和基體不存在明顯的界面,，注入離子的深度由離子具有的能量所決定,，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，并且沒(méi)有廢物排放,，制造工藝清潔,、安全可靠。

（5）離子濺射使材料表面的晶格畸變,，形成密結(jié)的位錯(cuò)網(wǎng)格,，使材料表面得到強(qiáng)化；與此同時(shí)注入離子與位錯(cuò)相互作用,，使位錯(cuò)被“釘扎”,，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到阻礙]。

離子濺射材料改性也存在著它的一些局限性,，如，對(duì)于非金屬材料一般只能直射性注入,，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的非金屬材料作用不明顯,；離子濺射改善材料催化特性的工藝中，注入層或?yàn)R射層易于被腐蝕掉而失去催化作用,，需要增強(qiáng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的催化特性,；能量較高的離子濺射可能會(huì)使注入的活性元素埋在表面以下，而表面卻呈現(xiàn)為非催化特性,。

四,、離子濺射在材料改性中的應(yīng)用

離子濺射材料改性技術(shù)是一種可精確控制注入離子的劑量和濃度實(shí)現(xiàn)精確控制材料表面和界面特性的方法。從80年代以來(lái)相繼出現(xiàn)離子束注入,、離子束混合,、離子束增強(qiáng)薄膜沉積技術(shù)、強(qiáng)金屬離子濺射和全方位離子濺射技術(shù),，極大的拓寬了離子束加工技術(shù)的應(yīng)用范圍,。

1、離子束注入技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)中的新應(yīng)用

利用在注入過(guò)程當(dāng)中能量較高的離子濺射可能會(huì)使注入的活性元素埋在表面以下,，而表面卻沒(méi)有變化的特性是制作砷化鎵集成電路最理想的選擇之一,，同時(shí)在制備“二十一世紀(jì)的微電子材料”SOI材料的最佳方法之一。

2、離子濺射材料改性在工模件等領(lǐng)域的應(yīng)用

（1）提高材料表面硬度和強(qiáng)度：強(qiáng)度和硬度是材料改性的重要研究參數(shù),。大量的實(shí)驗(yàn)和研究表明：離子濺射可以不同程度的提高金屬材料表面的強(qiáng)度和硬度,；金屬表面的硬度和強(qiáng)度隨著注入劑量的增加而增加。當(dāng)金屬中注入碳,、氮,、氧和磷等非金屬元素時(shí)，可在金屬中析出碳化物,、氮化物,、磷化物等彌散相和超硬相，在近表面形成TiC／TiN,，F(xiàn)e2Ti,，F(xiàn)e2N和Fe2C,表面洛氏硬度得到提高。

（2）耐磨損：在工程技術(shù)上摩擦包括摩擦和磨損兩種現(xiàn)象,，一般來(lái)說(shuō)材料的磨損特性更為重要,，因此離子濺射大多用來(lái)改善材料表面磨損特性。對(duì)于此方面,，離子濺射現(xiàn)已在醫(yī)學(xué)上有了較大規(guī)模的應(yīng)用,，由于注入層不脫落，N離子濺射鈦合金人造假肢關(guān)節(jié)和與之相配合的高分子臼明顯延長(zhǎng)了假肢的壽命,，而且N對(duì)人體有益,，因此備受醫(yī)學(xué)界歡迎。在美國(guó)僅1994年用此技術(shù)為醫(yī)療界加工了10萬(wàn)只膝關(guān)節(jié),、胯關(guān)節(jié)和其他關(guān)節(jié),。

Ti和Ti+Y離子濺射均可使65鋼表面硬度和耐磨性顯著提高；不銹鋼表面在注人N后,，表面形成為γN相,，耐磨性有很大提高，利用Ti,、Ni離子濺射鋁表面,，注人劑量分別為1.5×1018cm^-2和6×10¹⁷cm^-2，形成Al₃Ti,、NiTi,、Al₂O₃等合金層，其中Ti在鋁中的深度高達(dá)7000?,，磨損率明顯降低,，H13鋼塑料模具注入N離子后，耐磨性顯著提高,。N注入可使工具表面形成穩(wěn)定的抗磨損結(jié)構(gòu),，已成功的改善了塑料注模,、沖壓模具等嚴(yán)重磨損工件的使用壽命。例如,，N注入到M2高速鋼質(zhì)地螺紋銑刀,，可延壽5倍；N注入4Ni1Cr質(zhì)地的工具插塊中,，可降低磨損率3倍,。采用全方位離子濺射與沉積技術(shù)使9Cr18、Cr4Mo4V等軸承材料抗磨損性能增強(qiáng),，可用于高速列車(chē)軸承強(qiáng)化處理,。

（3）抗疲勞：疲勞是材料失效異常危險(xiǎn)的一種形式，出現(xiàn)失效前并沒(méi)有明顯的先兆,。例如,，在A(yíng)ISI1018鋼表面注入N+，可以使基材的疲勞強(qiáng)度至少提高2倍,。采用離子濺射可改善接觸疲勞引起的工件失效問(wèn)題,，大幅度的增強(qiáng)工件的疲勞強(qiáng)度。

（4）耐腐蝕：采用合適的元素注入到金屬表面改善材料的抗腐蝕性,。由于注入層不脫皮,，而且可實(shí)現(xiàn)馬氏體硬化等特性，在實(shí)際應(yīng)用中,，離子濺射抗腐蝕現(xiàn)在較多用于航空航天用精密軸承和齒輪上,。例如，選用元素Cr,、Mo,、N注入航空軸承材料Cr4Mo4V和GCrL5中，增強(qiáng)軸承的抗腐蝕性,。在軍用飛機(jī)的推進(jìn)器中，滾珠和軸承環(huán)的接觸處常出現(xiàn)腐蝕斷裂的危險(xiǎn),，此問(wèn)題輕則引起軸承使用壽命縮短而需頻繁更換,，重則導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)災(zāi)難性的失效。例如：美國(guó)海軍試驗(yàn)室用Ti+,，Ta+注入滾珠軸承鋼52100,、M50達(dá)到抗蝕目的。

（5）降低摩擦系數(shù)：摩擦系數(shù)是材料表面性能的一個(gè)重要指標(biāo),，它是描述物體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)產(chǎn)生的一種現(xiàn)象,。實(shí)驗(yàn)表明：摩擦系數(shù)的增減與注入離子的種類(lèi)有關(guān)；增減幅度與注入離子的劑量和能量有關(guān),。將氮離子濺射鈦合金（Ti-6Al-4V）發(fā)現(xiàn),，注入能量為200keV,、注人劑量為3.8×10¹⁷ions／cm²情況下，由于形成TiN等硬質(zhì)合金相,，距表層20nm處硬度提高達(dá)200％,、距表層100nm處硬度提高達(dá)100％，摩擦系數(shù)從0.48降到0.15,，磨損率下降兩個(gè)數(shù)量級(jí),，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于鈦合金人造關(guān)節(jié)的表面改性上；Co和Ti離子濺射有很好的潤(rùn)滑作用,，可使鋼表面的摩擦系數(shù)下降65％,，并能提高HSS鋼表面的韌性和彈性，使其具有很好的自修復(fù)能力,。結(jié)果表明,，大劑量，高能量注入的效果更明顯,，雙注入好于單注入,。

（6）提高催化作用：離子濺射可獲得和離子濺射同樣的催化效果，而且沒(méi)有膜層脫落的問(wèn)題,，如固體-液體界面的催化反應(yīng)為電催化作用,，用離子濺射可發(fā)展燃料電池。Ni和Mo離子濺射Ti基體和Ni離子濺射低碳鋼,、鈦金屬和玻璃碳基體的表面層能明顯改善電催化特性,。用貴金屬離子濺射可獲得珍貴催化特性的表面，釕的氧化物是用來(lái)生成氯氣的良好電極,，鉑注入使其產(chǎn)生了催化活性,，且特性?xún)?yōu)于純鉑。實(shí)驗(yàn)表明,，此應(yīng)用最重要的是,，這種電極對(duì)甲醇的燃燒呈現(xiàn)惰性。

3,、離子濺射材料改性其它領(lǐng)域的應(yīng)用

（1）陶瓷：離子濺射可改善陶瓷的韌性,，提高陶瓷表面的硬度，改變陶瓷的微觀(guān)結(jié)構(gòu),。目前,，生產(chǎn)中更有意義的是離子濺射TiN，注入的TiN層可明顯的延長(zhǎng)工件的使用壽命,。

（2）聚合物：離子濺射聚合物可增加表面的電導(dǎo)率,，提高表面硬度，改變表面微觀(guān)結(jié)構(gòu),，提高表面氧化阻抗和化學(xué)的穩(wěn)定性,。用2MeV的Ar離子轟擊聚合物,，可使其電導(dǎo)率增加4-5個(gè)數(shù)量級(jí)；而用能量為1MeV的Ar離子轟擊聚碳酸酯時(shí),，可使其表面硬度達(dá)到鋼的表面硬度,。

（3）人體功能材料：離子束加工可通過(guò)濺射、沉積和刻蝕來(lái)改變植入器件表面形貌,、成分和機(jī)械特性,。近來(lái)，應(yīng)用這種技術(shù)進(jìn)行了疾病的診斷和治療,，取得了許多新的進(jìn)展,。例如，用離子束濺射制備表面組織高分子聚合物膜置換腹膜,。美國(guó)NASA魯伊斯研究中心等聯(lián)合利用離子束和覆膜技術(shù)研制成功了血泵膜,，提高了心血管修復(fù)的水平。

（4）生物育種：離子濺射誘變育種損傷輕,、突變率高及突變率廣的特點(diǎn),，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、生物工程和環(huán)境科學(xué)當(dāng)中,，如：高產(chǎn)水稻,、玉米育種、基因培育,、細(xì)菌改良,、白酒酵母改良等。