离子注入与蒸发镀膜复合技术的应用方向及发展

“我们在广泛深入研究国际离子束材料表面改性发展趋势的基础上，根据我院的技术优势，敏锐地捕捉到了当时国际上刚刚发布的M EVVA源新技术，提出了将其应用于强流金属离子注入材料表面改性的发展方向。因为M EVVA源的发明者布朗博士发明M EVVA源原本是为了核物理研究，所以我们把这个想法作为技术创新提出来。”

MEVVA源离子注入材料的表面改性是国际上80年代末发展起来的高技术材料表面工程，也是我们承担的863高技术项目。它包括以下两个密切相关的部分:

(1)MEVVA源离子注入机的研制；

(2)MEVVA源离子注入材料的表面改性及其实际应用。为了理解这项高科技，我们先从离子注入说起。

什么是离子注入？

当我们想象一束离子束射向真空中的固体材料时会发生什么？离子束将固体材料的原子或分子从固体材料的表面撞出。这种现象被称为溅射。当离子束撞击固体材料时，它会从固体材料的表面反弹回来或者离开固体材料。这些现象被称为散射。此外，还有一种现象是离子束撞击固体材料后，受到固体材料的阻力，速度慢慢降低，最后停留在固体材料中。这种现象被称为离子注入。

离子注入技术是近30年来国际上大力发展并广泛应用的一种高科技材料表面改性技术。其基本原理是，当能量为100keV的离子束入射到材料上时，离子束与材料中的原子或分子之间会发生一系列的物理和化学相互作用，入射离子会逐渐失去能量并最终停留在材料中，引起材料表面组成、结构和性能的变化，从而优化材料的表面性能或获得一些新的优异性能。由于其独特而突出的优点，这一高新技术已广泛应用于半导体材料的掺杂和金属、陶瓷、聚合物的表面改性，并取得了巨大的经济效益和社会效益。离子注入技术作为一种材料表面工程技术，具有以下其他常规表面处理技术无法达到的独特优势:(1)它是一种纯净无污染的表面处理技术；(2)不需要热激活和高温环境，因此不会改变工件的整体尺寸和表面光洁度；(3)离子注入层是离子束与衬底之间一系列物理化学相互作用形成的新的表层，它与衬底之间不存在剥离问题；(4)离子注入后，不需要机械加工和热处理。离子注入设备-离子注入机

离子注入是在一种叫做离子注入机的设备上进行的。由于半导体材料的掺杂需要，离子注入机在20世纪60年代问世。虽然有一些不同的类型，但一般都是由以下几个主要部分组成:(1)离子源，用来产生和提取某种元素的离子束，是离子注入机的来源；(2)加速器，加速来自离子源的离子束以达到所需的能量；(3)离子束质量分析(离子种类选择)；(4)离子束的约束和控制；(5)目标房间；(6)真空系统。离子注入非半导体材料的表面改性

离子注入非半导体材料表面改性的研究对离子注入机提出了新的要求。众所周知，半导体材料离子注入所需剂量(即单位面积离子数，单位:每平方厘米离子数)相对较低，而所需纯度却很高。离子注入非半导体材料表面改性研究所需剂量很高(比离子注入半导体材料高1000倍以上)，但纯度不要求和半导体一样高。

在离子注入非半导体材料表面改性的初始阶段，主要使用半导体离子注入机产生的氮离子束。这主要是因为氮气等气体离子容易在适合半导体离子注入的设备上获得相对较高的离子束流。氮离子注入在金属、硬质合金、陶瓷和聚合物表面改性的研究和应用中取得了显著的成功。所以这个阶段叫做氮离子注入阶段。

金属离子注入是新一代材料表面处理高新技术。它利用某种金属元素的高能离子束引起的一系列物理化学变化来改善固体材料的某些表面性质。结果表明，金属离子注入在离子注入非半导体材料表面改性的研究和应用中更有效，应用范围更广。很多氮离子注入不能实现，但是金属离子注入可以很好的实现。但基于半导体离子注入所需的传统离子注入机，很难获得相对较强的金属离子束束，非半导体材料离子注入表面改性的成本也相对昂贵。

EVVA源离子注入——强流金属离子注入的革命

M EVVA源是金属蒸汽真空电弧离子源的缩写。它是由美国加州大学伯克利分校的布朗博士在80年代中期为了核物理研究的需要而研制成功的。这种新型强流金属离子源很快被用于离子注入非半导体材料表面改性，引起了强流金属离子注入的一场革命。这种独特的离子注入机被称为新一代金属离子注入机。M EVVA源离子注入机的突出优点是:(1)能对周期表中的固体金属元素(包括碳)产生10 mA的强束流；(2)离子纯度取决于阴极材料的纯度，因此可以达到高纯度，同时可以省去昂贵复杂的质量分析仪；(3)金属离子一般有几种电荷态，因此可以用较低的引出电压获得较高的离子能量，用一个引出电压就可以实现几种能量的叠加(离子)注入；(4)光束发散，可以省去光束约束和扫描系统，实现大的注入面积。其革命性主要表现在两个方面，一是高性能，二是大大简化了离子注入机的结构，主要由离子源、靶室和真空系统组成。

EVVA源金属离子注入表面改性技术的研究与应用

在国家863计划的支持下，北京师范大学低能核物理研究所成为国内唯一、世界上为数不多的能够研制生产新一代强流金属离子注入机的单位，并获得了两项技术新专利。北京师范大学低能核物理研究所和北京有色金属研究所合作开展了国际上M EVVA源离子注入材料表面改性的研究和应用，近十年来取得了多项重要突破和进展，获得了三项发明专利。总之，无论是设备开发还是表面处理技术，都为将这一高新技术推向市场、实现产业化奠定了基础。

在国家863计划的大力支持下，经过十余年的研发，M EVVA源金属离子注入表面技术在硬件(设备)和软件(工艺)两方面都取得了重要突破和进展，具备了产业化的基础。在设备方面，研制了MevVaIIA-H、mevvaiib、MEVVA50三种不同类型的M EVVA源，主要性能达到国际先进水平。仅在“九五”期间，已先后为台湾省、香港和中国的大学、研究所和工厂生产了15米EVVA源离子注入机和EVVA源镀膜设备。

M EVVA源离子注入机的应用使强流金属离子注入变得更简单、更经济，效率大大提高，非常有利于这项高技术的产业化。在表面优化技术方面，M EVVA源离子注入对7个品种的钢制刀具、模具、精密运动耦合件进行表面处理，取得了显著的延寿3-30倍的优化效果，并通过了国家部委的技术鉴定，成果处于国际先进水平。在这个项目开始的时候，国内外很多人对离子注入表面改性的应用前景持悲观态度。其中一个重要原因就是英美等工业化国家的一些著名实验室在麻花钻等金属切削刀具离子注入表面改性的工业应用试验中屡屡受挫。经过分析，我们改进了工艺，在延长麻花钻、切屑铣刀、三面铣刀等金属切削刀具的使用寿命方面取得了显著的效果，提高了约10倍。我们在国际上首次在该领域取得突破，率先实现产业化，引起国内外关注。

这种高科技表面处理技术的优越性、实用性和广阔的市场前景，已被越来越多的部门和单位所重视，并得到广泛应用。

根据我们多年的研究开发，并借鉴近年来国际上的新进展，M EVVA源金属离子注入特别适用于以下几类刀具和零件的表面处理:(1)金属切削刀具(包括精密加工和数控加工中使用的钻、铣、车、磨等各种刀具，以及硬质合金刀具)一般可提高使用寿命3-10倍；(2)热挤压和注射成型可降低能耗约20%，延长使用寿命约10次；(3)精密运动耦合部件，如气泵的定子和转子、陀螺仪的凸轮和夹板、活塞、轴承、齿轮和涡轮滚动条，可大大降低摩擦系数，提高耐磨性和耐腐蚀性，使用寿命最高可延长100次以上；(4)挤压合成纤维和光纤的精密喷嘴，可大大提高其耐磨性和使用寿命；(5)半导体行业的精密模具，制罐行业的冲压、冲压模具等。，可以显著提高这些珍贵精密模具的工作寿命；(6)医用骨科修复件(如钛合金人工关节)和手术器械具有很好的经济效益和社会效益。

这一高科技产业方兴未艾，硬件设备的处理能力和效率有待进一步提高，软件(离子注入材料表面改性技术)有待进一步深化和细化，应用范围有待不断扩大。

背景介绍

863项目从1988起步，给我们提供了一个千载难逢的机会。当时离子注入材料的表面改性正处于新突破的前夜，很多人对其应用前景持悲观态度。我们成为这个项目的唯一申请人，几乎没有遇到任何竞争对手。在广泛深入研究国际上离子束材料表面改性发展趋势的基础上，根据我院的技术优势，敏锐地捕捉到了当时国际上刚刚发布的M EVVA源新技术，提出了将其应用于强流金属离子注入材料表面改性的发展方向。因为M EVVA源的发明者布朗博士发明M EVVA源原本是为了核物理研究，我们把这个想法作为一个技术创新提出来，它符合国际发展的需要和趋势。到目前为止，离子注入仍然是M EVVA源的主要用途。我们之所以能拿下这个项目，是因为我们在国内离子注入材料表面改性技术上有优势。我们是国内最早开展离子注入的机构之一，在国际上也有一定的影响力。

国内外Ism技术发展概况。美国公司是国际上生产M EVVA源离子注入机的专业公司，综合技术水平处于国际领先地位。自20世纪90年代以来，已经开发和生产了几种不同类型的商用M EVVA源离子注入机。最近报道的一台多M EVVA源离子注入机，在真空室中装有4个AVIS80-75MEV- VA源，总束流为300mA，束斑总面积为65，438±02，000 cm2。它是目前世界上最强的M EVVA源离子注入机。离子注入表面处理技术是欧美发达国家的新兴产业，发展势头良好，如S PIRE和ISM Tech..在美国，一个EA工业技术..在英国。法国的Tec Vac和Tech-Ni-Plant、N itruvid和IBS、西班牙的INASMET和AIN、德国的M AT、丹麦的D TI摩擦学中心等都取得了可观的经济效益和社会效益，起到了良好的示范作用。他们已经将金属离子注入的成本降低到0.05-0.5美元/cm2，可以被包括医疗、航空、航天、机械等在内的广泛领域和部门接受。这项由北京师范大学低能核物理研究所和北京有色金属研究院联合进行的高技术研发，在国内处于领先地位，在国际上处于先进地位。具体进度如上所述。

知识链接

离子注入:离子注入技术是近30年来国际上大力发展并广泛应用的一种高科技材料表面改性技术。其基本原理是，当能量为100keV的离子束入射到材料上时，离子束与材料中的原子或分子之间会发生一系列的物理和化学相互作用，入射离子会逐渐失去能量并最终停留在材料中，引起材料表面组成、结构和性能的变化，从而优化材料的表面性能或获得一些新的优异性能。

M EVVA源离子注入:M EVVA源是金属蒸汽真空电弧离子源的简称。它是由美国加州大学伯克利分校的布朗博士在80年代中期为了核物理研究的需要而研制成功的。这种新型强流金属离子源很快被用于离子注入非半导体材料表面改性，引起了强流金属离子注入的一场革命。这种独特的离子注入机被称为新一代金属离子注入机。