离子注入表面处理
离子注入工艺流程
离子注入工艺流程
《离子注入工艺流程》
离子注入工艺是一种将离子束束注入半导体器件中，改变器件性能的技术。
离子注入工艺可以增强器件的导电性、改变其电子结构、调节材料的性能等。
下面我们将介绍一下离子注入工艺的基本流程。
首先，器件准备。
在进行离子注入之前，需要准备好待处理的半导体器件。
这包括对器件进行清洁和表面处理，以确保离子能够完全渗透到材料内部。
接着是离子注入。
在离子注入设备中，通过高能离子束束注入到半导体器件中。
这一步需要严格控制离子束的能量、注入时间和深度，以确保离子能够准确地渗透到材料内部并达到预期的效果。
然后进行退火处理。
在离子注入完成后，通常需要对器件进行退火处理。
这是为了让离子束注入的材料重新排列，使其在晶格中形成更稳定的结构，并恢复器件的性能。
最后是器件测试。
经过以上步骤后，需要对器件进行测试，以确保离子注入工艺达到预期的效果。
这包括对器件的导电性能、电子结构等进行检测。
总的来说，离子注入工艺流程包括器件准备、离子注入、退火处理和器件测试。
通过严格控制这些步骤，离子注入工艺可以
有效地改善半导体器件的性能，为半导体工业的发展提供重要支持。
氮离子注入表面改性PBO薄膜及其性能
氮离子注入表面改性PBO薄膜及其性能涂先兵;徐雨强;林家豪;季已捷;庄启昕【摘要】利用70 keV能量的氮离子对聚苯并二噁唑(PBO)薄膜进行常温下离子注入表面改性,注入剂量(每平方厘米注入的氮离子数)从1×1015 N+/cm2到5×1016 N+/cm2.采用红外(FT-IR)、拉曼(Raman)、光电子能谱(XPS)及原子力显微镜(AFM)对其表面结构、组成及形貌进行了表征.研究了氮离子注入剂量对PBO 薄膜表面结构与性能的影响.结果表明:注入氮离子后,薄膜表面发生化学键的断裂和交联,近表面区域发生碳化.随氮离子注入剂量的增加,表面粗糙度增加,表面接触角从93°降低到60°,表面润湿性提高了35％,电导率提高到5.7×10-9 S/cm,比纯PBO 薄膜增加了3个数量级.【期刊名称】《功能高分子学报》【年(卷),期】2016(029)002【总页数】7页(P220-226)【关键词】聚苯并二噁唑;离子注入;接触角;电导率【作者】涂先兵;徐雨强;林家豪;季已捷;庄启昕【作者单位】华东理工大学材料科学与工程学院,特种功能高分子材料及相关技术教育部重点实验室,上海200237;华东理工大学材料科学与工程学院,特种功能高分子材料及相关技术教育部重点实验室,上海200237;华东理工大学材料科学与工程学院,特种功能高分子材料及相关技术教育部重点实验室,上海200237;华东理工大学材料科学与工程学院,特种功能高分子材料及相关技术教育部重点实验室,上海200237;华东理工大学材料科学与工程学院,特种功能高分子材料及相关技术教育部重点实验室,上海200237【正文语种】中文【中图分类】O63目前，聚合物的表面改性方法主要有等离子体处理、偶联剂处理、化学试剂处理等。
等离子体处理时间短、效率高，对材料损伤较小，不足之处在于处理效果会随时间延长而减弱；偶联剂处理可引入极性基团与材料表面反应，增加表面反应活性，但不利于高温条件下应用；化学试剂处理能够增加表面自由能，提高表面润湿性，同时容易引入杂质影响主体结构。
石墨产品的表面处理方法
石墨产品的表面处理方法因其特殊的性质和用途而有所不同。
以下是几种常见的石墨产品表面处理方法：
1.研磨抛光：通过磨削和抛光来改善石墨产品的表面质量和光洁度。
可以使用研磨机、砂
轮或研磨膏等工具进行手动或机械研磨，以去除表面的毛刺、凹陷和不平整。
2.化学处理：采用化学方法对石墨产品进行表面处理，如酸洗、碱洗或氧化。
酸洗可以去
除表面污染物和金属杂质，使石墨表面更加纯净。
碱洗可以去除油脂和有机杂质，提高表面的清洁度。
氧化处理可以增加石墨表面的活性，提高润湿性和粘接性。
3.涂覆保护层：通过在石墨产品表面涂覆保护层来提高其耐腐蚀性和耐磨性。
常用的涂层
包括聚合物涂料、聚四氟乙烯（PTFE）涂层和金属涂层等。
涂覆保护层可以防止石墨表面与环境中的化学物质或摩擦产生反应，从而延长石墨产品的使用寿命。
4.离子注入：离子注入是一种改善石墨表面性能的方法。
通过将离子注入到石墨表面，可
以修改其导电性、摩擦系数和抗氧化性等特性。
常见的离子注入方法包括离子束辐照和离子浸渍等。
5.表面涂层：对于一些特殊要求的石墨产品，可以采用表面涂层的方式进行处理。
例如，
在高温环境下需要更好的耐热性能时，可以在石墨表面涂覆耐高温的陶瓷涂层。
以上列举了几种常见的石墨产品表面处理方法，根据具体情况选择适合的处理方法可以提高石墨产品的使用性能和寿命。
在进行表面处理之前，建议先了解石墨产品的特性和所需的表面性能，以确保选用正确的处理方法。
离子束表面处理技术
离子束表面处理技术离子束加工是利用离子束对材料进行成形或表面改性的加工方法，是一种原子级的加工技术。
离子注入、离子沉积和强脉冲离子束材料改性等离子束加工工艺已在工业中获得大量应用。
目前，正在研究开发一些新的离子束加工工艺。
关键词：离子束加工离子注入表面处理Ion beam machining is the use of ion beam surface modification of materials forming or processing methods and it is an “atomiclevel” process technology. Ion implantation. Ion beam deposition. and Intense pulsed ion beam materials modification have been applied in dustry .some newer ion beam process technologies are being studied and developed.Keywords: Ion beam machining Ion implantation Surface Treatment离子束加工技术是70年代发展起来的一种特种加工，具有加工精度高，易精确控制，污染少，加工应力、变形极小等特点。
目前，离子束材料表面改性技术的研究和推广应用已经取得了巨大的成就，其标志之一就是离子注入微细加工技术的发展。
离子注入微细加工技术已经成为超大规模集成电路微细加工的关键技术，推动了现代电子技术工业的飞速发展。
离子材料改性的工程问题是离子注入引起材料表面成分、微观结构变化和新的化合物析出，由此引起材料表面（硬度）、摩擦学特性和化学特性的变化。
离子束可控地形成材料表面成分的改变、结构变化和温升效应是离子束材料改性的三把利剑。
其构筑的工艺特性远超于其他工艺。
离子注入高分子材料表面改性
3.力学性能 力学性能
由表中数据可以看出, 由表中数据可以看出, 经过高能离子注 入的材料, 硬度都得到了不同程度的提高。 入的材料, 硬度都得到了不同程度的提高。 在对这些改性后的材料用GPC (凝胶色谱 凝胶色谱) 在对这些改性后的材料用GPC (凝胶色谱)进 行分析后, 行分析后, 均发现交联的大分子在结构中占 很大的比例, 很大的比例, 所以交联网状结构对材料的硬 度起着决定性的作用。但是, 度起着决定性的作用。但是, 至今交联密度 与硬度间的关系尚未建立, 与硬度间的关系尚未建立, 这将成为未来研 究的热点。 究的热点。
离子注入的原理
离子注入对高分子材料的改性是通过离 子注入使材料的结晶、 子注入使材料的结晶、组分以及分子空间位 置的变化来实现的。 置的变化来实现的。 用能量为100keV 100keV量级的离子束入射到材 用能量为100keV量级的离子束入射到材 料中去， 料中去，离子束与材料中的原子或分子将发 生一系列物理的和化学的相互作用， 生一系列物理的和化学的相互作用，入射离 子逐渐损失能量，最后停留在材料中， 子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引 起材料表面成分、结构和性能发生变化， 起材料表面成分、结构和性能发生变化，从 而优化材料表面性能，或获得某些新的优异 而优化材料表面性能， 性能。 性能。
离子注入
我们设想在真空中有一束离子束射向一块固体 我们设想在真空中有一束离子束射向一块固体 真空 材料时会发生哪些现象呢？ 材料时会发生哪些现象呢？离子束把固体材料的原 子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做溅射； 子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做溅射； 而当离子束射到固体材料时， 而当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了 回来，或者穿出固体材料而去， 回来，或者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射 另外有一种现象是，离子束射到固体材料以后， 另外有一种现象是，离子束射到固体材料以后， 受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来， 受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最终 停留在固体材料中，这一现象就叫做离子注入。 停留在固体材料中，这一现象就叫做离子注入。 离子注入
金属表面改性-离子注入技术
金属表面改性方法-离子注入技术(材料加工-铸造一班訾凌君 11S009103)摘要：系统介绍了金属表面改性用离子注入的机理和特点剖析了温度、注入剂量、离子种类等影响因子对改性层效果的影响，综述了该技术在提高强度和硬度、改善磨损性能、降低摩擦系数等方面的用途，展示了离子注入技术的开发方向和应用前景。
关键词：表面改性；离子注入；应用；Abstract: mechanism and characteristic of ion implantation using for improvement of surface properties of metallic materials are described systematically. Anatomy genes such as temperature, dosage and the kind of ion infection on improved layer, its applications such as enhancing hardness and strength; improving wear resistance reducing friction modulus have been reviewed, so as to indicate the direction of development and wide range of its use.Keywords: ion implantation; improvement of surface property of metallic materials application.1、前言现代科技的高速发展，对金属材料表面性能(抗磨损、抗腐蚀、抗疲劳等)的要求日益提高，特别是高负荷、高转速、高寿命、耐高温、低损耗金属零部件的迫切需求，广泛采用最近发展的金属表面处理技术及工艺(抛光、电刷镀、化学镀复合镀层、热喷涂、激光表面强化、气相沉积、等离子体渗氮、渗碳、渗硼及金属修补胶和薄膜性保护技术)虽然在各自领域发挥着重要作用,但都存在一定的缺点和局限性，因而使得离子注人技术应运而生。
第27教学单元表面处理新技术4--离子注入技术
离子注入机的主要指标是离子束能量、束流的强度和均匀性。离子注入的深度主要取决于离子束能量，通常在20～400KeV之间，注入的效率主要由束流强度决定；注入元素剂量的均匀性和重复性也是衡量离子注入机的重要指标。
二、离子注入装置
离子注入的装置称为离子注入机。
离子注入机按离子注入对象可分为半导体注入机和金属离子注入机；按离子束的能量可分为为中束流注入机、强束流注入机和高能注入机三种；还可分为质量分析注入机、氮离子注入机和等离子源注入机。
美国Eaton和Varian是世界上最大的离子注入机制造公司，其次是日本。
注：各栏大小可根据需要进行调整。
三、离子注入的应用
离子注入的应用主要是半导体的渗杂和金属材料的表面处理。此外，离子注入在改进陶瓷表面韧性与摩擦性方面也已显示出一定的能力；离子注入还可以引起高分子聚合物的交联、降解、石墨化等，从而改善其强度或光学特性。
离子注入技术已广泛地用于宇航尖端零件、重要化工零件、医学矫形件以及模具、刀具和磁头的表面改性。我国已对多种模具、刃具、人工关节、金刚石拉丝模及磁头等做了离子注入方面的研究，航天、航空和核工程用的精密轴承也相继进行了离子注入研究，有的已取得了重要成果。
通过对离子能量和数量的控制可以改变注入的深度与浓度。
注入元素可任意选择，它可注入从原子量为1的氢到原子量200以上的全部元素，主要注入元素有N、Cr、P、B、C、S等。；
离子注入后无需再进行机械加工和热处理。
从目前的技术水平看，离子注入技术还存在一定局限性，如注入层太薄（<1μm）；离子只能直线行进，对于复杂的或有内孔的零件不能进行离子注入；设备造价高，所以应用还不广泛。
轴承表面的处理方法
轴承表面的处理方法轴承是机械设备中必不可少的组成部分，其运动的平稳性和寿命直接影响到设备的使用效果和维护成本。
轴承表面的处理方法是保障轴承性能的重要环节，在此我们将介绍几种常用的轴承表面处理方法。
1. 磨削法磨削是一种比较常用的轴承表面处理方法，通过使用磨削工具将轴承表面加工得到平整、光洁的效果。
磨削方法既能用于轴承的初加工，也可用于轴承的维修。
磨削效率高，可以精确地控制加工后的表面粗糙度以及形状尺寸等因素，从而保证轴承的性能。
但是，磨削所产生的热量可能导致轴承表面的变形或者硬度降低，需要在磨削时进行冷却处理。
2. 涂覆法涂覆法是一种将特定的涂料涂覆在轴承表面，保护轴承表面不受外界环境的损害，提高轴承表面的耐磨性和使用寿命。
涂料种类繁多，包括硅油、陶瓷和聚四氟乙烯等。
涂覆的涂料需要注意选择，不同涂料的成分不同，使用效果也有所区分，因此选择涂料时需要根据轴承的使用环境和要求进行选择。
3. 离子注入法离子注入法是通过将氮、碳等离子体注入轴承表面，从而提高轴承表面的硬度和耐磨性。
这种方法所形成的表面硬度比传统的表面处理方法提高了一倍或者更多，可以大大延长轴承的使用寿命。
离子注入法虽然效果显著，但是后续的处理需要特殊的条件和工艺，使用成本较高。
4. 化学处理法化学处理法是一种将轴承表面浸泡在特殊的化学溶液中，以达到去除表面污垢、氧化物和减少表面粗糙度的效果。
化学处理法一般需要在高压、高温下进行，处理效果会更加显著。
此外，化学处理法还可以通过控制处理时间和处理条件来达到控制表面硬度和化学性质的效果。
综上所述，轴承表面的处理是保证设备健康运行的必要环节之一。
选择合适的处理方法，能够有效地增加轴承的使用寿命和提高设备的运行效率。
在处理时需要注意安全和环保等因素，以获得最佳使用效果。
离子注入技术
2.3 离子注入设备和方法来自
最简单的离子注入机（图2）应包括一个产生离子的离 子源和放臵待处理物件的靶室。当前主要有以下几种类型的 注入机： 1. 质量分析注入机，能注入任何元素。它有如下优点： a. 能产生任何元素的离子。 b. 能产生纯的单能离子束，对目的明确的开发研究特别有 利。 c. 能很准确地确定处理参数。 d. 靶室压强低，可限制污染。 e. 离子束能量变化范围很宽。 缺点是： a. 束流一般较小。 b. 机器昂贵且复杂，需专门人员操作和维修。 c. 处理复杂形状时，要求样品翻转。
(5)离子注入一般是在常温真空中进行,加工后的工件表 面无形变,无氧化,能保持原有尺寸精度和表面粗糙度,特别 适合于高精密部件的最后工序。 (6)可以在工件表面层形成压应力,减少表面裂纹。 (7)采用清洁的高真空和无毒的工艺和材料，处理温度 低，待处理材料的整体性能不受影响。 (8)由于注入仅达表面区域，可节约昂贵材料或战略材 料。
由于注入时高能离子束提供反应后的驱动力，故有可能在 注入材料中形成常规热力学方式不能获得的亚稳态或“非平衡 态”化合物这就可能使一种元素的添加量远远超过正常热溶解 的数量。
2.2 离子注入的特点
与通常的冶金方法不同,离子注入是用高能量的离子注 入来获得表面合金层的,因而有其特点: (1)离子注入是一个非热平衡过程,注入离子的能量很高, 可以高出热平衡能量的2～3个数量级。因此,原则上周期表 中的任何元素都可以注入任何基体材料。 (2)注入元素的种类,能量,剂量均可选择,用这种方法形 成的表面合金,不受扩散和溶解度的经典热力学参数的限制, 即可得到用其他方法难以获得的新合金相。 (3)离子注入层相对基体材料没有明显的界面,因此表面 不存在粘附破裂或剥落问题,与基体结合牢固。 (4)离子注入可以通过控制注入剂量,注入能量及束流密 度来精确控制注入离子的浓度和深度的分布。
离子渗离子注入-概述说明以及解释
离子渗离子注入-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述离子渗透注入是一种新型的材料表面处理技术，通过在材料表面注入离子，可以改变材料的表面性质和结构。
与传统的表面涂层技术相比，离子渗透注入具有许多优势，如处理效率高、处理深度大、处理温度低、处理不会改变材料基体性质等。
本文将重点探讨离子渗透注入的原理、应用及未来发展方向，以期为相关领域的研究和应用提供参考和启示。
1.2 文章结构本文主要分为三个部分，包括引言、正文和结论。
在引言部分，将对离子渗透注入进行概述介绍，同时说明文章的结构和目的，为读者提供一个整体了解的框架。
正文部分将分为三个小节，分别是离子渗透的概念、离子注入的原理以及离子渗透注入的应用。
每个小节将详细阐述相关概念、原理和应用，并通过实例和数据来说明。
最后，在结论部分，将总结离子渗透注入的优势和重要性，展望未来的发展趋势，并通过一个简短的结束语来总结全文的内容。
1.3 目的离子渗透注入作为一种先进的材料表面改性技术，其主要目的在于提高材料的表面性能和功能，以满足特定的工程要求和应用需求。
通过对材料表面进行离子注入处理，可以实现增强材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性能，同时还能改善材料的润滑性、导热性和光学性能。
离子渗透注入技术具有高效、环保、低能耗等优势，可广泛应用于金属、陶瓷、聚合物等材料的表面改性和功能化处理，为材料行业的发展和进步提供重要支持和推动。
本文旨在深入探讨离子渗透注入技术的原理、应用及发展前景，为读者提供关于该领域的相关知识和信息。
2.正文2.1 离子渗透的概念离子渗透是一种物质在通过半透膜时受到的渗透作用。
在生物学和化学领域，离子渗透通常指的是离子在细胞膜或其他生物膜上的渗透过程。
这个过程是由生物膜上的蛋白质通道或者活性转运器所控制的。
在物理化学领域，离子渗透是指在离子浓度差异引起的离子通过半透膜的不同速率。
半透膜是一种只允许特定粒子通过的膜，将高浓度的物质与低浓度的物质隔开。
生物材料的离子注入表面改性
图 2 不同剂量 C +离子注入前后氧化铝显微硬度变化 曲线图 [ 20]
F ig. 2 D isp lays v ariations in nanoha rdness w ith dep th fo r
un imp lanted alum ina and a lum ina surfaces im planted a t
变 , 导致原子环境和电子组态等微观状态的扰动 , 改善 材料表面性能 。 离子注入技术不影响基体材料的力学 性能 , 形成的注入层与基体无明显界面 , 在提高生物材 料表面硬度及耐磨性方面得到了成功的应用 , 在改善 生物材料的生物相容性方面成效甚好 [ 1-3] 。 本文综述 了离子注入技术在生物材料表面改性中的应用及研究 概况 。
生物陶瓷材料的表面状况会对力学性能产生很大 的影响 , 如断裂往往就从表面开始 。 通过离子注入技
术可调节陶瓷的表面结构 , 改善其力学性能 。 早在 20 世纪 80 年代 , M cH a rgue[ 18] 等就发 现 , Z rO 2 表面 注入
T i+和 A l+, 在剂量小于非晶化剂量时 , 断裂韧性随注 量增加而升高 。 H ioki[ 19] 等发现 A r+或 N +注 入单晶
统生物材料 (如金属 、陶瓷 、高分子等 )逐渐显露出了 并引发不良的生化反应 , 而且植入后与骨的结合是一
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 、
种机械锁合 , 不能很快与人体软硬组织形成生物结合 , 可能在生物体内发生毒性 、炎症及血栓等[ 4] 。 利用离
have been rev iew ed. The d irection o f deve lopm en t and research in surface m odifica tion o f biom ateria ls by ion im plantation
聚酰亚胺塑料表面处理工艺
聚酰亚胺塑料表面处理工艺
聚酰亚胺塑料作为一种高性能工程塑料，具有优异的耐热、耐化学腐蚀、耐磨损等性能，在航空、汽车、电子等领域得到广泛应用。
然而，其表面特性却使得它难以进行粘接、涂覆等后续加工处理。
因此，如何对聚酰亚胺塑料进行表面处理，充分发挥其优异性能，成为了研究的热点之一。
目前，常用的聚酰亚胺塑料表面处理工艺主要有以下几种：
1. 涂覆处理：采用特殊的涂层材料，通过化学反应或物理吸附作用，将涂层牢固粘附在聚酰亚胺塑料表面，从而增强其表面性能。
2. 离子注入：使用离子束轰击聚酰亚胺塑料表面，使其表面原子发生改变，从而改善其界面粘附性能。
3. 等离子体处理：通过等离子体的作用，对聚酰亚胺塑料表面进行清洁、激活等处理，从而提高其粘附性能。
4. 机械加工：通过机械加工，如研磨、磨光等处理，改善聚酰亚胺塑料表面的平整度和粗糙度，提高其粘附性能。
总之，针对聚酰亚胺塑料表面处理的工艺选择应根据具体应用场景和工艺要求进行选择，以充分发挥其优异性能，为产业发展做出贡献。
- 1 -。
离子束表面改性技术综述
元素
C
Si
Mn
S
P
CrБайду номын сангаас
Mo
Ni
V
含量
0.14
0.16
0.28
0.02
＜0.015
4.10
4.38
3.58
1.16
3
9Cr18钢属于高碳高铬马氏体不锈钢，淬火后具有高硬度、高耐磨性和耐腐蚀性能。该钢适宜制造承受高耐磨、高负荷以及在腐蚀介质作用下的塑料模具。该钢属于莱氏钢体，容易形成不均匀的碳化物偏析而影响模具使用寿命，所以在热加工时必须严格控制热加工工艺，注意适当的加工比。
表4GCr15成分
元素
C
Mn
Si
S
P
Cr
Mo
Ni
Cu
Ni+Cu
含量
0.95-1．05
0.20-0.40
0.15-0.35
≤0.020
≤0.027
1.30-1.65
≤0.10
≤0.30
≤0.25
≤0.50
GCr15热处理制度为：钢棒退火，钢丝退火或830-840度油淬。
GCr15钢热处理工艺参数如下：
（4）提高耐疲劳性疲劳性是一种对表面状态敏感的性能，轴承、齿轮等部件对抗疲劳特性有着严格的要求。通过离子注入技术可以改善材料表面滑移特性和各向同性，而且通过离子注入产生压缩应力，发生固溶强化和析出相弥散强化，提高材料表面耐疲劳性能[10]。
2.1.4
（1）注入温度试样的温度对注入合金层的结构和性能有重大的影响：a.升温往往使注入所得的亚稳态结构（如过饱和固溶体和非晶态）转变成平衡状态，即进行了退火处理，从而使离子注入所产生的硬化表面层发生软化；b.加速原子的扩散，使注入层浓度降低。c.存在一个“临界温度”，低于此温度进行注入，温度对混合层的影响较小，碰撞作用决定混合量；高于此温度进行注入，混合量随着温度增加而呈指数增加，扩散混合起主要作用[11-12]；对于金属表面改性用离子注入，一般要求在常温或低温（碰撞起主要作用）下进行。应根据应用目的、基体材料、离子种类、离子的能量和质量等条件综合利用温度效应。
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文献研讨
通过三种Fe-Si相不同的峰值结合能对XPS采集的 距表面14nm的Fe 2p3/2 峰值结合能数据进行进行 剥离得到右图所示：
高注入剂量（ 2.16×10 17 atoms/cm 2 ）
文献研讨 Conclusion
基于XRD和XPS测试结果的各类稳定Fe-Si相浓度的深度分布图
2.16×10 17 atoms/cm 2
添加文本
5.
可以进行新材料的开发;注入离子在基体中进行原子级 混合,可以形成固溶添体加、文本化合物或新型合金。 添加文本
离子注入技术简介
影响因子
注入温度
能量和剂量
离子种类
升温往往使注入所得的亚稳态结 构(如过饱和固溶体和非晶态)转 变成平衡状态，从而使注入而硬 化的表面层发生软化；加速表面 层原子扩散，使得注入层浓度降 低。
文献研读
Ion Implantations of Oxide Dispersion Strengthened Steels 氧化物弥散强化钢的离子注入
文献阅读
TEXT
Introduction
在核电行业中对结构材料的要求很高，例 如反应堆压力容器钢，因为这些材料都将 受到巨大的辐射，高强度的热应力和器械 应力。随着对核电行业当今的迅速发展， 对相应结构材料的研究很有必要。
离子注入技术 表面处理
Ion Implantation Technology
目录
第一部分
离子注入技术简介
第三部分
文献研读 . 高能注入 . 低能注入
第二部分
离子注入在金属表面改性中应用
第四部分
总结与展望
离子注入技术简介
TEXT
什么是离子注入？
离子束射到固体材料以后， 受到固体材料的抵抗而速度 慢慢减低下来，并最终停留 在固体材料中，这一现象就 叫做离子注入
TEXT
什么是离子注入技术？
在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的原子的离子注入固体 材料，从而在被注入的区域形成一个具有特殊性质的表面层
离子注入技术简介
TEXT
离子注入金属表面改性 通过离子注入技术可以使金属材料表面 陶瓷化和金刚石化，使其披上一层十分 坚固的盔甲。常用注入原子有:碳、氮、 氧、硼、氦、磷、铁、铝、锌、钴、锡、 镍等，注入原子原则上可以是元素周期 表中的任何元素，被注入基体原则上可 以是任何材料
缺陷强度并没有随着退火时间发生明显变化，特别对于经过离子注入样品 缺陷浓度计算结果显示随着退火时间延长和氢离子的注入，缺陷浓度降低 纵切和横切引起的微观结构不均匀性带来了一些误差
以上得出的是一些初步结论，后续研究将会有进一步深入
文献研读
Investigation of Various Phases of Fe–Si Structures Formed in Si by Low Energy Fe Ion Implantation
对通过低能铁离子注入在硅表面形成不同铁硅结构相的研究
文献研讨
Experimental Instruments and Methods Instruments: 低能离子注入器(IBMAL), 离子源(NEC), XPS(PHI 5000 Versaprobe), XRD(Rigaku Ultima III)
高速离子注入金属后,与金 属中的原子、电子发生弹性 碰撞(离子能量较低)、非弹 性碰撞(离子能量较高),逐渐 把离子的动能传递给反冲原 子和电子,完成能量的传递 和沉积
离子注入改性机理
离子注入金属表面后,有助 于析出金属化合物和合金相、 形成弥散强化相、位错网， 灵活地引入各种强化因子, 即掺杂强化和固溶强化
2、通过离子注入后的样品，其缺陷浓度大幅下降 （主要是因为缺陷中的湮没寿命的增长），又一 次得出空位尺寸增加，即更大尺寸空位团形成的 结论
文献研讨 Conclusion
氢离子注入能使得样品缺陷尺寸从4个空位的空位团增大到5~6个空位的空位团 大小，同时热处理也能使得空位尺寸增大
文中研究了氢离子注入模拟辐射 损伤以及不同时间退火处理方， 对氧化物弥散强化钢MA956的结 构影响。得出以下结论：
参考文献
[1] S. Sojak, J. Simeg Veternikova, V. Slugen, M. Petriska, et al. Ion Implantations of Oxide Dispersion Strengthened Steels[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. [2] Wickramaarachchige J, Lakshantha, et al. Investigation of Various Phases of Fe–Si Structures Formed in Si by Low Energy Fe Ion Implantation[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. [3] 冯凯. 离子注入提高不锈钢耐腐蚀和表面导电性质的研究[D]. 上海：上海交通大学博士 学位论文, 2011. [4] 陈勇军, 史庆南, 左孝青等. 金属表面改性——离子注入技术的发展与应用 [J]. 表面技术, 2003, 30(2): 29-34. [5] 李晓娜等. 离子注入合成β-FeSi2薄膜的显微结构[J]. 物理学报, 2002, 30(2): 29-34.
总结与展望
TEXT
离子注入技术总结与展望
离子注入属原子级表面加工技术。其改性效果明显、效率高、可控性和可 操作性强、无污染等优点逐渐显出强大的生命力和优势。但离工业化、产 业化道路还有一段距离,作者认为有以下发展方向: (1)从注入离子与金属表面相互作用的物理化学与冶金规律出发,探讨注入 工艺参数对表面改性层结构和性能的影 响规律; (2)提高改性层厚度,探讨注入层厚度增长动力学、热力学影响因素； (3)实现多元注入、高能注入、不同能量重叠注入； (4)加大研究与开发力度,使离子注入这一新型表面改性技术多领域、多功 能、多形式的应用。
文献研讨
平均湮没寿命计算公式：
注入前后各样品的平均湮没寿命对比图
1、结构不均匀性和热处理造成平均湮没寿 命不同
2、所有样品经过离子注入后其平均湮没寿 命都增加，即离子注入使得空位尺寸增大
文献研讨
通过LT 20 软件计算出缺陷浓度
注入前后各样品的缺陷浓度对比图
1、热处理会使缺陷浓度减少，且随着退火时间增 加浓度越低
TABLE
N+ 注入后金属表面硬度增加量
离子注入在金属表面改性中应用
提高抗磨损、抗氧化、抗腐蚀和抗疲劳性能
通常认为离子注入使基体相晶面间距 增大,产生晶格畸变和形成新的强化相, 是材料硬度和耐磨性提高的主要原因。 常采用N、Cr、Te、Mo等离子注入来提 高金属材料的耐磨性和铁合金的表面力 学性能。
基于右图，能测定用离子注入方法在硅集体上 合成的Fe-Si薄膜的各类相的深度分布
1、离子注入后形成的无定型的a-FeSi2 经过退 火后结晶形成β-FeSi2
2、样品在高能离子注入后距表面14nm到 28nm处生成三种相
3、a- Fe3Si在经过500℃ 1h退火后结晶形成晶 体Fe3Si，经过800℃ 1h退火后转化成β-FeSi2 和 FeSi
Methods：
Fe ion(50KeV，0.50 ×10 17 atoms/cm 2 and 2.16 ×10 17 atoms/cm 2 )into Si (100)，room temperature, vacuum
在真空下不同样品分别 在500℃和800℃下退火 60分钟
测试
文献研讨
Results and Discussion
选择原子半径大的注入离子 在合适温度下尽量吸附在位 错上
注入间隙原子,如N、O或C， 以有利于形成各种复杂的化 合物,从而形成弥散强化
离子注入在金属表面改性中应用
提高表面硬度与强度
大量的实验和研究表明:离子注入可以不同程度的提高金属材料表面的强度和硬度;金属表面的硬度和强度随 着注入剂量的增加而增加。当金属中注入碳、氮、氧和磷等非金属元素时,可在金属近表面中析出碳化物、氮 化物、磷化物等弥散相,表面洛氏硬度得到提高。
离子注ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ技术简介
1.
进入金属晶格的离子浓度不受热 力学平衡条件的限制
2.
注入是无热过程,可在室温或地温 下进行，不引起金属热变形
3.
注入离子在基体中与基体原子混 合,没有明显的界面,注入层不会像 镀层或涂层那样发生脱落现象
4.
不受合金相图中固添溶加度文本的限制,能注入互不相容添加的文本杂 质,可改变金属材料的表面硬度,断裂韧度,弯曲强度, 提高耐磨性
改善物 理性能
改善化 学性能
价值
改善机 械性能
离子注入技术简介
如果晶格原子从碰撞中获得足够的能 量(大于移位阀功即克服断键能和克服 势垒作功之和),则被撞击原子将越过 势垒而离开晶格位置进入原子间隙成 为间隙原子
如果反冲原子获得的反冲 能量远远超过移位阀功,它 会继续与晶格原子碰撞,产 生新的反冲原子,发生“级 联碰撞”
采用氢离子注入，注入剂量：6.24 ×1017 ions/cm2 ，注入能力：800 keV ，注入温度不超过100℃
文献研讨 Experimental Results
正电子是电子的反粒子, 两者除电荷符号相反外, 其他性质（静止质量、电 荷的电量、自旋）都相同。
所有处理样品都将用设置FWHM参数接近200 ps的fast–fast mode下的正电子湮没寿命谱仪（Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy, PALS)来进行测量。