離子注入技術(shù)在材料表面改性中的應(yīng)用及研究進(jìn)展

任洪濤

摘? 要：離子注入技術(shù)是在固體中引入摻雜劑離子的一種材料改性方法，它能有效改善材料的表面性能。本文分析了離子注入技術(shù)在材料表面改性中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：離子注入;表面改性;發(fā)展趨勢(shì)

離子注入技術(shù)是通過(guò)加高電壓將工件（金屬、合金、陶瓷等）放入離子注入機(jī)的真空靶室中，將所需元素的離子注入工件表面的過(guò)程。離子注入后，在材料表層增加注入元素及輻照損傷，以使材料的物理化學(xué)性能發(fā)生顯著變化。

一、離子注入技術(shù)的應(yīng)用

1、離子注入金屬材料。帶MEVVA（金屬蒸汽真空?。┰吹慕饘匐x子注入機(jī)的出現(xiàn)，克服了金屬熔點(diǎn)高，難以氣化及難獲得強(qiáng)金屬離子束流的缺陷，它不僅能提供Ti、V、Ni等多種離子束，還能通過(guò)采用化合物與合金弧光放電陰極材料產(chǎn)生各種高能量復(fù)合離子束，使金屬離子注入深度超過(guò)離子射程所能達(dá)到的深度。因此，高能金屬離子注入材料表面后將通過(guò)替位原子固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、替位原子與間隙原子對(duì)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、輻射相變強(qiáng)化、結(jié)構(gòu)差異強(qiáng)化、濺射強(qiáng)化和自潤(rùn)滑機(jī)理提高材料的表面耐磨性。

有學(xué)者使用MEVVA離子源注入機(jī)把102 keV的Co、Ti離子在不同劑量下分別注入H13鋼表面的研究表明，金屬離子注入能使鋼表面硬度提高15%～50%?；卓鼓ヌ匦悦黠@改善。在較高注入劑量下，鋼表面摩擦系數(shù)下降65%，磨損率降低50%。韌性與彈性提高，使其具有良好的自修復(fù)能力。同時(shí)，把Ti、Mo、Co和V離子在相同參數(shù)下分別注入鉆頭表面，發(fā)現(xiàn)幾種金屬離子注入均使鉆頭表面硬度顯著提高，紅硬性與鉆削效率更好。其中，V離子注入效果最明顯，在較低注入量下就可明顯延長(zhǎng)鉆頭使用壽命，提高生產(chǎn)效率。

此外，在Zr⁺、V⁺注入Al，其表層形成DO₂₃-A1₃Zr、L1₂-A1₂Zr、A1₁₀V和Al₃V等化合物，使Al表面硬度和彈性模量明顯提高，抗磨性變好。Sb在Al中溶解度小于0.1at%，在很低注入劑量時(shí)就能吸出A1Sb第二相，提高材料的耐磨性與抗氧化性。在Sn、Pb、Mo、Co等金屬離子注入鋼中，都可使鋼的表面摩擦因數(shù)顯著降低，從而提高其耐磨性。

還有學(xué)者在醫(yī)用Ti6A14V鈦合金中先注入Ag離子，后注入Ta離子，研究雙金屬離子注入層的摩擦耐磨性能。其結(jié)果表明：注入層納米硬度隨壓針壓入深度的增加呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，這與金屬離子在注入層中的濃度-深度分布相關(guān)。金屬離子注入試樣與未注入合金試樣相比，磨損開始階段的摩擦因素降低。即金屬離子注入對(duì)合金試樣有潤(rùn)滑、減摩作用。當(dāng)摩擦開始時(shí)，注入的Ag和Ta離子在Ti6A14V合金晶格中成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙，阻礙塑性流動(dòng)，減輕黏著剪切阻力，從而降低摩擦因素;而在磨穿注入強(qiáng)化層后，離子注入減摩效果幾乎全部消失，使摩擦因素上升到略低于合金基體的水平。

2、離子注入陶瓷材料。陶瓷材料具有化學(xué)穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、摩擦因數(shù)低等性能，但其脆性大、韌性差、不耐急冷急熱等。金屬離子注入可在陶瓷材料表面形成非晶層，提高表面硬度和摩擦學(xué)性能等。金屬離子或金屬離子+非金屬離子也常被使用來(lái)注入陶瓷薄膜表面，以進(jìn)一步提高陶瓷薄膜的性能。

為改善DLC膜與基體的結(jié)合力，可采用MEVVA源把Ti離子摻雜DLC膜后發(fā)現(xiàn)，DLC膜表面粗糙度比摻雜前有所降低，而顯微硬度有所增加，摩擦因數(shù)也有所降低。Ti離子摻雜后，DLC膜中sp³鍵含量降低，表層發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變。膜中形成彌散分布的TiC納米晶。高劑量Mo⁺、Co⁺和Nb⁺注入TiN薄膜后在材料表面產(chǎn)生了晶粒細(xì)化和非晶/納米晶的超細(xì)復(fù)合結(jié)構(gòu)層，使材料硬度提高，摩擦因數(shù)大幅度下降，其中Mo⁺注入效果最好。

多離子注入陶瓷材料的研究多以金屬離子+非金屬離子共同注入為主。有學(xué)者在CrN薄膜中先注入Nb⁺，觀察到CrNbN相存在，膜層顯微硬度比注入前有所上升。隨后注入C⁺，發(fā)現(xiàn)CrNbN相、CrC相、Nb₂0相和石墨相共同存在，膜硬度也相應(yīng)提高。在摩擦實(shí)驗(yàn)中，碳化物充當(dāng)固體潤(rùn)滑劑作用，使摩擦因數(shù)降低，磨損率減小。

3、離子注入高分子聚合物。高分子聚合物具有質(zhì)輕、耐腐蝕、絕緣、易加工等特性，它在目前社會(huì)中成為繼金屬材料、陶瓷材料之后的又一研究熱點(diǎn)，高分子聚合物表面合金化是當(dāng)前國(guó)際上極為關(guān)注的研究課題。已有研究表明，金屬離子注入能有效改善高分子聚合物表面物理及化學(xué)特性。

有學(xué)者把不同劑量的A1、Ti和Fe離子分別注入到聚苯醚和環(huán)氧樹脂表面，研究注入劑量對(duì)兩種聚合物摩擦學(xué)性能的影響。其結(jié)果表明，離子注入后試樣的顯微硬度、彈性模量大幅提高。這是因離子注入表面形成了一層交聯(lián)結(jié)構(gòu)的改性層，分子鏈間的交聯(lián)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步阻止了分子鏈間的滑移和增加骨架結(jié)構(gòu)剛性的結(jié)果。注入劑量對(duì)改性層摩擦因數(shù)和磨損率有著顯著影響，對(duì)每一種離子，都存在一個(gè)最佳注入劑量對(duì)應(yīng)的最小磨損體積，例如，將Al離子注入聚苯醚和環(huán)氧樹脂，劑量為2×10¹⁵ions/cm²時(shí)，其磨損體積最小;Fe離子注入層的最小磨損體積則分別出現(xiàn)在注入劑量為2×10¹⁵、1×10¹⁶ions/cm²時(shí);Ti離子注入層的最小磨損體積則分別出現(xiàn)在劑量為1×10¹⁶、1×10¹⁷ions/cm²時(shí)。離子注入使材料表面石墨化形成碳膜，起到固體潤(rùn)滑作用;注入表面能微量吸水，有利于形成水的邊界潤(rùn)滑膜，以降低摩擦，從而減小磨損。

另有研究表明：Al、Fe、Ti和Ni離子注入尼龍后，表面摩擦因數(shù)都有不同程度的減小。其原因在于自由基交聯(lián)作用分別使其表面分子量、纏結(jié)密度、主碳鏈剛度增大，同時(shí)邊界潤(rùn)滑膜的存在對(duì)抗磨性能的提高也有一定的作用。

二、離子注入材料表面改性的發(fā)展趨勢(shì)

離子注入技術(shù)是一種精確控制材料表面和界面特性的方法，它已成為金屬材料、陶瓷材料、絕緣材料、高分子材料等材料改性的重要研究工具。在改善材料表面的抗摩擦、抗疲勞、抗腐蝕等特性方面已取得可喜成果。貴金屬離子注入金屬材料表面可形成具有良好催化特性的催化層，同時(shí)節(jié)約了貴金屬材料，因此可用離子注入發(fā)展燃料電池。離子注入改善了陶瓷的韌性，提高了陶瓷表面的硬度，改變了陶瓷表面的微觀結(jié)構(gòu)。離子注入聚合物增加了表面的電導(dǎo)率，提高了表面氧化阻抗和化學(xué)穩(wěn)定性。碳離子注入將會(huì)在表面形成類似金剛石結(jié)構(gòu)的薄膜，膜與基體粘合性好，在酸、堿和其他化學(xué)溶液中化學(xué)穩(wěn)定性好。然而這種膜制備困難，因要有好的基本材料來(lái)支撐。同時(shí)通過(guò)改進(jìn)注入的方法，使材料表面改性的效果更明顯。有試驗(yàn)表明，雙離子注入和共注入比單離子注入改性效果更好。隨著離子注入技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的開拓，離子注入技術(shù)在材料表面改性方面將有更大的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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