離子注入技術在材料表面改性中的應用及研究進展

任洪濤

摘? 要：離子注入技術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在材料表面改性中的應用及發展趨勢。

關鍵詞：離子注入;表面改性;發展趨勢

離子注入技術是通過加高電壓將工件（金屬、合金、陶瓷等）放入離子注入機的真空靶室中，將所需元素的離子注入工件表面的過程。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性能發生顯著變化。

一、離子注入技術的應用

1、離子注入金屬材料。帶MEVVA（金屬蒸汽真空?。┰吹慕饘匐x子注入機的出現，克服了金屬熔點高，難以氣化及難獲得強金屬離子束流的缺陷，它不僅能提供Ti、V、Ni等多種離子束，還能通過采用化合物與合金弧光放電陰極材料產生各種高能量復合離子束，使金屬離子注入深度超過離子射程所能達到的深度。因此，高能金屬離子注入材料表面后將通過替位原子固溶強化、位錯強化、替位原子與間隙原子對強化、細晶強化、輻射相變強化、結構差異強化、濺射強化和自潤滑機理提高材料的表面耐磨性。

有學者使用MEVVA離子源注入機把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%。基底抗磨特性明顯改善。在較高注入劑量下，鋼表面摩擦系數下降65%，磨損率降低50%。韌性與彈性提高，使其具有良好的自修復能力。同時，把Ti、Mo、Co和V離子在相同參數下分別注入鉆頭表面，發現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鉆頭使用壽命，提高生產效率。

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顯著降低，從而提高其耐磨性。

還有學者在醫用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。其結果表明：注入層納米硬度隨壓針壓入深度的增加呈現先增大后降低的趨勢，這與金屬離子在注入層中的濃度-深度分布相關。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。即金屬離子注入對合金試樣有潤滑、減摩作用。當摩擦開始時，注入的Ag和Ta離子在Ti6A14V合金晶格中成為位錯運動的阻礙，阻礙塑性流動，減輕黏著剪切阻力，從而降低摩擦因素;而在磨穿注入強化層后，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。陶瓷材料具有化學穩定性好、強度高、摩擦因數低等性能，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性能等。金屬離子或金屬離子+非金屬離子也常被使用來注入陶瓷薄膜表面，以進一步提高陶瓷薄膜的性能。

為改善DLC膜與基體的結合力，可采用MEVVA源把Ti離子摻雜DLC膜后發現，DLC膜表面粗糙度比摻雜前有所降低，而顯微硬度有所增加，摩擦因數也有所降低。Ti離子摻雜后，DLC膜中sp³鍵含量降低，表層發生石墨化轉變。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生了晶粒細化和非晶/納米晶的超細復合結構層，使材料硬度提高，摩擦因數大幅度下降，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⁺，發現CrNbN相、CrC相、Nb₂0相和石墨相共同存在，膜硬度也相應提高。在摩擦實驗中，碳化物充當固體潤滑劑作用，使摩擦因數降低，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輕、耐腐蝕、絕緣、易加工等特性，它在目前社會中成為繼金屬材料、陶瓷材料之后的又一研究熱點，高分子聚合物表面合金化是當前國際上極為關注的研究課題。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特性。

有學者把不同劑量的A1、Ti和Fe離子分別注入到聚苯醚和環氧樹脂表面，研究注入劑量對兩種聚合物摩擦學性能的影響。其結果表明，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結構的改性層，分子鏈間的交聯形成三維網狀結構，進一步阻止了分子鏈間的滑移和增加骨架結構剛性的結果。注入劑量對改性層摩擦因數和磨損率有著顯著影響，對每一種離子，都存在一個最佳注入劑量對應的最小磨損體積，例如，將Al離子注入聚苯醚和環氧樹脂，劑量為2×10¹⁵ions/cm²時，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在注入劑量為2×10¹⁵、1×10¹⁶ions/cm²時;Ti離子注入層的最小磨損體積則分別出現在劑量為1×10¹⁶、1×10¹⁷ions/cm²時。離子注入使材料表面石墨化形成碳膜，起到固體潤滑作用;注入表面能微量吸水，有利于形成水的邊界潤滑膜，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，表面摩擦因數都有不同程度的減小。其原因在于自由基交聯作用分別使其表面分子量、纏結密度、主碳鏈剛度增大，同時邊界潤滑膜的存在對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展趨勢

離子注入技術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，同時節約了貴金屬材料，因此可用離子注入發展燃料電池。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構。離子注入聚合物增加了表面的電導率，提高了表面氧化阻抗和化學穩定性。碳離子注入將會在表面形成類似金剛石結構的薄膜，膜與基體粘合性好，在酸、堿和其他化學溶液中化學穩定性好。然而這種膜制備困難，因要有好的基本材料來支撐。同時通過改進注入的方法，使材料表面改性的效果更明顯。有試驗表明，雙離子注入和共注入比單離子注入改性效果更好。隨著離子注入技術的發展和應用領域的開拓，離子注入技術在材料表面改性方面將有更大的發展。

參考文獻

[1]? 程國安.MEVVA源強流Ti離子注入純銅表面層的結構與性能研究[J].自然科學版，2015（04）.

[2]? 胡智杰.離子注入TiN薄膜摩擦磨損性能的研究[J].物理測試，2015（02）.