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用價值的一種，離子濺射技術屬原子級表面加工技術，其良好的改性效果逐漸顯出了強大的生命力。在國外的應用已相當廣泛，而目前，國內的離子濺射材料改性才開始起步，只在一些領域開拓出了一定規模的市場，如醫用人造關節、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用領域非常廣泛，市場巨大，涉及領域包括：醫療器械、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生產領域中，具體包括：醫用人造關節（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，在非半導體工業中，離子濺射技術的快速發展，實現了對材料表面聲學、光學和超導性能的改性，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等亞穩平衡狀態，改變材料表面層的化學成份、物理結構和相態，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理

離子濺射是根據被處理材料所需要的性能，選擇適當元素，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，離子產生大角度偏轉，損失的能量使晶格原子產生位移，離開它的平衡位置進入間隙狀態，從微觀上改變了物質的原子的狀態，形成一層0.3-3μm厚的高致密硬膜，從而使材料表面的物理、化學性能發生改變，從而在宏觀上奠定了物質加工、特別是材料改性的基礎，實現改性材料耐磨性、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，從而達到材料改性的目的。

其中，離子濺射在金屬材料改性的應用，已作為提高金屬表面硬度、強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，會形成輻射損傷，因此形成大量空位和空位團及間隙原子。這些晶體缺陷積聚在表面增大了位錯密度，從而使表面強化。在抗腐蝕方面的機理主要為，通過合適的元素注入金屬，改變陽極或陰極的異電解反應速率，從而控制溶液對材料的腐蝕速率。

三、離子濺射技術的特點

現代科技的高速發展，對材料表面性能（抗磨損、抗腐蝕、抗疲勞等）的要求日益提高，特別是高負荷、高轉速、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展的傳統表面處理技術及工藝（拋光、電刷鍍、化學鍍復合鍍層、熱噴涂、激光表面強化、汽相沉積、等離子體滲氮、滲碳、滲硼及金屬修補膠和薄膜性保護技術），雖然在各自領域發揮著重要作用，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與傳統的材料改性工藝相比，具有以下優特點：

（1）離子濺射一般在常溫或低溫下進行，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象，被處理的部件不會受到環境的污染，因而十分適合零件或產品的最后表面處理。

（2）離子濺射是一個非平衡過程，注入元素選擇不受冶金學的限制，注入的濃度也不受平衡相圖的約束，不像熱擴散那樣受到化學結合力、擴散系數及固溶度等方面限制。可將任何元素注入到任何材料機體中而不論它們是否互溶，這是常規方法難以獲得的。

（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用中，不會改變人造假肢的表面形貌和顏色，易于被患者所接受。

（4）注入離子是分散停留在基體內部，沒有界面，故改性層與基體之間結合強度很高，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，形成密結的位錯網格，使材料表面得到強化；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，對于結構復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，需要增強長時間穩定的催化特性；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，而表面卻呈現為非催化特性。

四、離子濺射在材料改性中的應用

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

1、離子束注入技術在半導體工業中的新應用

利用在注入過程當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域的應用

（1）提高材料表面硬度和強度：強度和硬度是材料改性的重要研究參數。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度和硬度；金屬表面的硬度和強度隨著注入劑量的增加而增加。當金屬中注入碳、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，Fe2Ti，Fe2N和Fe2C,表面洛氏硬度得到提高。

（2）耐磨損：在工程技術上摩擦包括摩擦和磨損兩種現象，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，離子濺射現已在醫學上有了較大規模的應用，由于注入層不脫落，N離子濺射鈦合金人造假肢關節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，因此備受醫學界歡迎。在美國僅1994年用此技術為醫療界加工了10萬只膝關節、胯關節和其他關節。

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定的抗磨損結構，已成功的改善了塑料注模、沖壓模具等嚴重磨損工件的使用壽命。例如，N注入到M2高速鋼質地螺紋銑刀，可延壽5倍；N注入4Ni1Cr質地的工具插塊中，可降低磨損率3倍。采用全方位離子濺射與沉積技術使9Cr18、Cr4Mo4V等軸承材料抗磨損性能增強，可用于高速列車軸承強化處理。

（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，大幅度的增強工件的疲勞強度。

（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，而且可實現馬氏體硬化等特性，在實際應用中，離子濺射抗腐蝕現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，增強軸承的抗腐蝕性。在軍用飛機的推進器中，滾珠和軸承環的接觸處常出現腐蝕斷裂的危險，此問題輕則引起軸承使用壽命縮短而需頻繁更換，重則導致發動機災難性的失效。例如：美國海軍試驗室用Ti+，Ta+注入滾珠軸承鋼52100、M50達到抗蝕目的。

（5）降低摩擦系數：摩擦系數是材料表面性能的一個重要指標，它是描述物體之間相對運動或有相對運動的趨勢時產生的一種現象。實驗表明：摩擦系數的增減與注入離子的種類有關；增減幅度與注入離子的劑量和能量有關。將氮離子濺射鈦合金（Ti-6Al-4V）發現，注入能量為200keV、注人劑量為3.8×10¹⁷ions／cm²情況下，由于形成TiN等硬質合金相，距表層20nm處硬度提高達200％、距表層100nm處硬度提高達100％，摩擦系數從0.48降到0.15，磨損率下降兩個數量級，現已廣泛應用于鈦合金人造關節的表面改性上；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能力。結果表明，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為電催化作用，用離子濺射可發展燃料電池。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，鉑注入使其產生了催化活性，且特性優于純鉑。實驗表明，此應用最重要的是，這種電極對甲醇的燃燒呈現惰性。

3、離子濺射材料改性其它領域的應用

（1）陶瓷：離子濺射可改善陶瓷的韌性，提高陶瓷表面的硬度，改變陶瓷的微觀結構。目前，生產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率，提高表面硬度，改變表面微觀結構，提高表面氧化阻抗和化學的穩定性。用2MeV的Ar離子轟擊聚合物，可使其電導率增加4-5個數量級；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、成分和機械特性。近來，應用這種技術進行了疾病的診斷和治療，取得了許多新的進展。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合利用離子束和覆膜技術研制成功了血泵膜，提高了心血管修復的水平。

（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，被廣泛應用于農業、生物工程和環境科學當中，如：高產水稻、玉米育種、基因培育、細菌改良、白酒酵母改良等。