一、前言

離子束是三束（離子束、電子束、激光束）工藝中對材料改性最有應(yīng)用價值的一種，離子濺射技術(shù)屬原子級表面加工技術(shù)，其良好的改性效果逐漸顯出了強(qiáng)大的生命力。在國外的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，而目前，國內(nèi)的離子濺射材料改性才開始起步，只在一些領(lǐng)域開拓出了一定規(guī)模的市場，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、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，在非半導(dǎo)體工業(yè)中，離子濺射技術(shù)的快速發(fā)展，實現(xiàn)了對材料表面聲學(xué)、光學(xué)和超導(dǎo)性能的改性，通過離子濺射（轟擊）到材料表面，直接獲得過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為諸如疲勞、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，離開它的平衡位置進(jìn)入間隙狀態(tài)，從微觀上改變了物質(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，從而在宏觀上奠定了物質(zhì)加工、特別是材料改性的基礎(chǔ)，實現(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，通過合適的元素注入金屬，改變陽極或陰極的異電解反應(yīng)速率，從而控制溶液對材料的腐蝕速率。

三、離子濺射技術(shù)的特點

現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，對材料表面性能（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和局限性，例如：鍍層與基體結(jié)合不緊密，在高溫高速運動中容易脫落；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）、較長的時間（幾天-幾個星期，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：

（1）離子濺射一般在常溫或低溫下進(jìn)行，整個過程均在真空中完成，因而表面處理中無氧化和脫碳現(xiàn)象，被處理的部件不會受到環(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）離子濺射是一個非平衡過程，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。可將任何元素注入到任何材料機(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）離子濺射是原子級的直接混合，注入后，材料尺寸不會發(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際應(yīng)用中，不會改變?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，易實現(xiàn)自動化操作，并且沒有廢物排放，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)的位錯網(wǎng)格，使材料表面得到強(qiáng)化；與此同時注入離子與位錯相互作用，使位錯被“釘扎”，位錯運動受到阻礙]。

離子濺射材料改性也存在著它的一些局限性，如，對于非金屬材料一般只能直射性注入，對于結(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，注入層或濺射層易于被腐蝕掉而失去催化作用，需要增強(qiáng)長時間穩(wěn)定的催化特性；能量較高的離子濺射可能會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現(xiàn)精確控制材料表面和界面特性的方法。從80年代以來相繼出現(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

利用在注入過程當(dāng)中能量較高的離子濺射可能會使注入的活性元素埋在表面以下，而表面卻沒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)。大量的實驗和研究表明：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，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，一般來說材料的磨損特性更為重要，因此離子濺射大多用來改善材料表面磨損特性。對于此方面，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了假肢的壽命，而且N對人體有益，因此備受醫(yī)學(xué)界歡迎。在美國僅1994年用此技術(shù)為醫(yī)療界加工了10萬只膝關(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)，可用于高速列車軸承強(qiáng)化處理。

（3）抗疲勞：疲勞是材料失效異常危險的一種形式，出現(xiàn)失效前并沒有明顯的先兆。例如，在AISI1018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，而且可實現(xiàn)馬氏體硬化等特性，在實際應(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，此問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)動機(jī)災(zāi)難性的失效。例如：美國海軍試驗室用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重要指標(biāo)，它是描述物體之間相對運動或有相對運動的趨勢時產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。實驗表明：摩擦系數(shù)的增減與注入離子的種類有關(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，磨損率下降兩個數(shù)量級，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，而且沒有膜層脫落的問題，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，且特性優(yōu)于純鉑。實驗表明，此應(yīng)用最重要的是，這種電極對甲醇的燃燒呈現(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個數(shù)量級；而用能量為1MeV的Ar離子轟擊聚碳酸酯時，可使其表面硬度達(dá)到鋼的表面硬度。

（3）人體功能材料：離子束加工可通過濺射、沉積和刻蝕來改變植入器件表面形貌、成分和機(jī)械特性。近來，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，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。