淺談等離子體浸沒離子注入技術(shù)及其應(yīng)用

黃瓊儉 周永福 汪小利

摘要：等離子浸沒離子注入技術(shù)是一種新型的離子注入技術(shù)，有著自己獨特的優(yōu)點，目前已成為熱點研究領(lǐng)域，其主要應(yīng)用于對材料表面處理以提高其磨損性能。本文簡要闡述了等離子體浸沒離子注入技術(shù)，并就其在表面改性領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用進行了分析與探究。

關(guān)鍵詞：等離子體 浸沒與注入 應(yīng)用 技術(shù)

1 等離子體浸沒離子注入技術(shù)

等離子體俗稱物質(zhì)存在的第四態(tài)，是指在一定強度的電場作用下，氣體中的原子受到激發(fā)，內(nèi)部帶點粒子發(fā)生加速運動相互碰撞后進行能量傳遞，最后電離放電而形成的一種物質(zhì)。等離子體在常規(guī)條件下是不可能產(chǎn)生的，必須在特殊條件下才能形成。而等離子體注入，就是等離子體的一種應(yīng)用領(lǐng)域，也是目前運用比較多的一種表面改性處理技術(shù)，是通過向基體注入外來離子而改變基體材料表面組成成分以及結(jié)構(gòu)，達(dá)到改變基體材料各種性能的目的。

等離子體浸沒離子注入英文簡稱為PIII，其設(shè)備由等離子體源、脈沖電源、真空室以及真空泵四大部門組成。將樣品置入實驗真空室內(nèi)，并安裝在特定需要的位置，當(dāng)真空抽至所需要求時，將工作氣體通入真空室內(nèi)，通過射頻耦合等多種方式將通入的氣體電離成等離子體。由于等離子體在真空室內(nèi)處于彌漫狀態(tài)，因此可以達(dá)到樣品完全浸沒氣體的目的。向樣品表面施加負(fù)脈沖偏壓，等離子體在負(fù)偏壓的電場作用下，電子向真空室壁運動，正離子向樣品表面停留，便形成了一層厚度較厚的正離子鞘層。此時，正離子在電場作用下獲得能力，垂直入射到樣品表面，達(dá)到了樣品表面注入離子的目的。

與傳統(tǒng)的離子注入技術(shù)相比，PIII有著獨特的優(yōu)點。在實驗過程中不需要旋轉(zhuǎn)樣品，因為在真空室內(nèi)形成的等離子是屬于彌漫型，能達(dá)到360°浸沒與注入的效果；可以加工形狀復(fù)雜的樣品；所加偏壓高，足以滿足正離子注入樣品表面，與原有粒子發(fā)生結(jié)合形成新的金相組織結(jié)構(gòu)，既能保持樣品材料原有性能、表面光潔度和尺寸，又能以改變這種材料表面的物理，化學(xué)及機械性能。

2 等離子體浸沒離子注入技術(shù)的應(yīng)用

1987年，J.R.Comrad教授在美國提出了PIII技術(shù)，運用至今，已有多年歷史，并是當(dāng)前表面改性的熱點，以其設(shè)備簡單、效率高、成本低的特點廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。其中，運用最多的是對材料的表面改性領(lǐng)域中，以此提高材料表面的磨損性能。

目前，我國已經(jīng)提供了多種離子的浸沒與注入設(shè)備，如：非金屬類有N、C、B等；金屬類的有W、Ta、Ti等。鄭立允等人在W6Mo5Cr4V2鋼制螺母沖頭表面進行PIII技術(shù)處理后，研究其耐磨性能，發(fā)現(xiàn)其使用壽命提高了三倍以上。劉洪喜等人使用PIII技術(shù)在9Cr8軸承鋼表面進行不同工藝的氣體、金屬以及混合等離子以及碳化鈦和類金剛石薄膜的等離子表面處理，并研究了處理后樣品的各種性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過PIII技術(shù)處理的試樣表面顯微硬度增大，摩擦磨損性能顯著提高。另外，劉洪喜還對Ti6Al4V表面進行PIII技術(shù)改性，比較了燈絲放電和射頻輝光放電兩種等離子體形成方式的PIII對基體表面進行氮離子注入后的改性效果，分析表明，利用這種技術(shù)處理后可以使Ti6Al4V樣品表面的顯微硬度提高80%，摩擦系數(shù)降到0.16，表現(xiàn)出抗磨損性能顯著提高。王鈞石采用PIII技術(shù)對45鋼進行氮離子注入后分析改性45鋼的注入表層的成分、組織和性能，研究發(fā)現(xiàn)注入層的剖面氮濃度分布呈高斯分布特征，注入層中有大量氮化物相形成，注入層的顯微硬度和摩擦性能有明顯改善。王允江采用等離子體浸沒注入與沉積技術(shù)在T225NG鈦合金材料表面制備了Ti-N/Ti復(fù)合薄膜，并進行各種性能分析，結(jié)果顯示改性材料表現(xiàn)出較好的耐磨性能。另外，宋教花等人使用金屬等離子體浸沒離子注入技術(shù)在Si基體上進行動態(tài)離子束增強沉積NbN膜，制備的薄膜結(jié)構(gòu)致密，表面光滑，硬度高，其性能優(yōu)異，其制備方法簡單而高效。張瑜采用等離子體浸沒離子注入與沉積技術(shù)對純鐵進行表面改性以改善純鐵的耐腐蝕性和生物相容性，分別進行對純鐵進行高壓低頻、低壓高頻氧等離子體浸沒離子注入后，氧離子注入純鐵表面形成了鐵的氧化物，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，特定工藝下處理的純鐵樣品表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能以及良好的生物相容性。包娟娟采用高頻低壓等離子體注入及氮化技術(shù)在工業(yè)純鐵上進行氮離子注入及氮化處理，研究射頻功率及氧分壓對氮化后樣品表面結(jié)構(gòu)、成分及性能的影響，結(jié)果表明，樣品表面的硬度、耐磨性和耐腐蝕性顯著提高。

3 小結(jié)

目前，等離子體浸沒離子注入技術(shù)在等離子研究領(lǐng)域已成為了熱點話題之一，它以其獨特優(yōu)勢和特點被廣泛應(yīng)用于材料表面磨損的性能改善，但其具體應(yīng)用操作技術(shù)仍有待進一步改善，并對其進行深入研究，以找出PIII技術(shù)在應(yīng)用過程中所存在具體問題及應(yīng)對策略。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

黃瓊儉（1985-），女，碩士研究生，重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，助教，研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程。