强脉冲离子束材料表面改性研究进展

强脉冲离子束材料表面改性技术是正在发展中的新的材料表面改性技术。近四、五年来,我们围绕发展强脉冲离子束材料表面改性技术对其主要机制(强脉冲能量效应)、离子辐照诱发的热力学过程、表面熔坑现象及大面积均匀离子束技术开展了比较全面的基础性研究。研究表明,强脉冲离子束改性除了离子注入的元素掺杂效应外,其更可利用强脉冲能量沉积诱发的热力学效应,有望突破离子射程对改性层厚度的限制,并高效利用离子剂量和能量,成为新一代低成本、高效率、高生产率、实用化的离子束材料改性与合成工艺。本文对于上述研究的主要进展和相关问题进行了总结和评论。     

强脉冲离子注入中的脉冲能量效应研究

在脉冲离子束流密度为15120A/cm2、脉宽为50150ns、加速电压为150260kV范围内,在11014cm-2的低注量水平上, 研究了高功率Cn++H+混合离子束注入45号钢样品的强脉冲能量效应。摩擦磨损和微观硬度测量以及SEM和X射线衍射分析表明,上述低注量强脉冲离子束注入可以改变材料 表面的微观结构和力学特性,而且强烈依赖于单个脉冲离子束的功率密度和能量密度。在相同离子注量条件下,普通C++H+离子注入对45号钢样品表面微硬度和摩擦系数未 见明显影响。直接证明了强脉冲能量效应在离子注入中是相对独立于注入元素掺杂效应的又一可利用的重要效应。基于一维导热模型,讨论了强脉冲能量效应以及脉冲离 子束功率密度对离子束材料表面改性的作用。     

强脉冲离子束在金属中引起的应力波效应

金属在强脉冲离子束辐照及其后的快速冷却过程中所经历的应力过程是强脉冲离子束金属材料改性的最重要的机制之一。对应于这种过程，金属材料的微观结构和微硬度发生了改变。本文以45＃钢和纯铝为样品，将实验中测量到的不同强度的强脉冲辐照后样品微硬度和微观结构的变化与热力学计算所描述的热力学过程相对照，解释了出现微硬度双峰是由于应力波的形成和传播使然，并预言了由于应力波的在样品背面的反射，在较强能通量的强脉冲离子束辐照下样品背表面一定深度处也会出现微硬度增加的现象，该现象已被实验所证实。     

强流脉冲离子束辐照对钛合金表面相结构的影响

利用X射线衍射(XRD)和能量色散的特征X射线谱(XEDS)扫描,对强脉冲离子束辐照钛合金的表面结构特征和成分分布进行了测试与分析。结果表明,试样钛合金为(α+β)型两相钛合金。当以低能流密度离子束辐照时,材料表面粗糙度的增加导致结构发生明显变化;随着离子束能流密度的增加,材料表面层出现微小非晶相;表面元素呈明显的层状均匀分布;多次脉冲离子束辐照下,表面形成Al2O3等氧化物,从而利于被辐照表面抗氧化性的提高。进一步提高离子束能流密度,多次脉冲辐照,材料表面形成了新相Al6MoTi和AlMoTi2。     

强脉冲离子束在金属中引起的应力波效应

金属在强脉冲离子束辐照及其后的快速冷却过程中所经历的应力过程是强脉冲离子束金属材料改性的最重要的机制之一。对应于这种过程 ,金属材料的微观结构和微硬度发生了改变。本文以 4 5 #钢和纯铝为样品将实验中测量到的不同强度的强脉冲辐照后样品微硬度和微观结构的变化与热力学计算所描述的热力学过程相对照 ,解释了出现微硬度双峰是由于应力波的形成和传播使然 ,并预言了由于应力波的在样品背面的反射 ,在较强能通量的强脉冲离子束辐照下 ,样品背表面一定深度处也会出现微硬度增加的现象 ,该现象已被实验所证实。     

强流辐照对钛合金表面形貌及成分的影响

用强流脉冲离子束技术对钛合金进行了表面轰击,利用原子力显微镜(AFM)在微观尺度上对离子束诱发的表面形貌进行了分析.结果表明,在单脉冲能量密度为～1.44 J/cm2,1次辐照表面开始熔化,5次辐照,轰击表面形成密度较大的块状熔坑,高度差较原始表面增长了约200 nm.用能量色散的特征X射线谱(XEDS)分析了辐照表面...     

离子束轰击形成表面非晶态合金

近期发展起来的离子束材料改性技术,利用离子束轰击固体不但可以改变材料表面成     

强脉冲离子束辐照混合陶瓷/NiCoCrAlY热障涂层研究

为提高高温合金的工作温度,一般在其表面涂覆由粘结过渡层和陶瓷隔热层构成的热障层.热障层的热稳定性决定了高温合金部件的寿命.为延长由部分稳定的ZrO2/NiCoCrAIY合金构成的热障层的服役寿命,采用强脉冲离子束对它们的界面进行辐照处理.本工作研究了不同参数的强脉冲离子束(IPIB)对不同厚度结构的靶的辐照混合效应,通过一系列分析测试研究,发现合适参数的IPIB辐照能够有效地在界面形成混合层,从而改善热障层在高温氧化环境中的高温耐久性.其中采用峰值能量300 keV,脉冲宽度65 ns,峰值流强密度250 A/cm2的IPIB单脉冲辐照后的样品获得最好效果.对其原因做了分析,认为在界面处形成特定元素分布的混合层在高温氧化条件下既能形成完整的保护层,又改善了层间晶格和热胀系数失配,减小了失配热应力,从而提高了热障层在高温氧化条件下的稳定性.     

动态测量强脉冲离子束辐照产生的冲击波

当强脉冲离子束(Intense pulsedion beam,IPIB)辐照材料表面时,在靶材料表面引发快速升温、熔融、气化、烧蚀以及随后的快速固化,并产生热应力与冲击波.本文通过构建并改进以聚偏二氟乙烯(Polyvinylidenefluoride,PVDF)膜为核心的测量系统,成功地对强脉冲离子束辐照所产生的冲击波进行了动态的探测,实验测量与我们自行开发的理论模拟计算相比较,获得较好的吻合.     

离化团束沉积装置的研制

材料表面改性领域的最新发展要求注离子改性范围在纳米量级,离子能量从几个eV到几百个eV,且必须具有强束流。通过离化团束(ICB)技术就可实现上述要求。 团粒是几十、几百或数千个原子或分子的聚合体,它很容易被电离和加速。1972年,Takagi等人通过一个喷嘴利用高温蒸发和膨胀进入真空形成了室温固体团粒,从此开始了离化团束沉积技术的发展。在常规离子束技术中采用原子或分子态离子,而离化团束采用电离的原子团。与单个原子束相比较,团粒束有不同的辐照效应,诸如沉积、溅射、损伤累积和动态退火等。团粒离子对材料的碰撞为表面处理     

离子束微制作

离子束微制作技术对甚大规模集成电路、超大规模集成电路或者未来量子效应器件的制作由于其独特性能而越来越起重要的作用。并且它具有广泛的用途，包括蚀刻、沉积、掺杂、材料合成和改性以及平印术。对于蚀刻，需要具有原子标度的精密度和最低的损伤诱发的技术。本文讨论了低能离子束的重要性及其新蚀刻技术，比如数字蚀刻的特性。     

脉冲离子束作用下金属氚化物氦释放测量技术研究

为认识脉冲离子束作用下金属氚化物的氦释放行为,建立了脉冲离子束作用下金属氚化物氦释放测量系统。利用标准体积气体取样装置,采用气体反扩散法,对系统的容积比、灵敏度进行了实验标定。在此基础上,发展了脉冲离子束作用下金属氚化物氦释放的测量技术,开展了脉冲离子束作用下金属氚化物氦释放实验研究。结果显示,单次脉冲离子束作用下金属氚化物的氦释放呈脉冲式,释放量最大可达10~(13)个原子以上。     

强脉冲离子束辐照混合的RBS研究

采用卢瑟福背散射(Rutherford backscattering spectroscopy,RBS)方法对强脉冲离子束辐照Ti/Al、Al/Ti和Ni/Ti三组薄膜/衬底体系所形成的混合层进行了研究.在Ni/Ti组合中形成了厚度比离子射程大得多的、混合度较高的梯度混合层.发现熔融态混合的程度不仅取决于两材料在熔融态的表面张力的差别,而且取决于它们熔点的差异.这两个参量较接近的混合程度较好.     

脉冲离子束流聚焦装置的研制

用小型化的质量分析系统进行脉冲离子束流实验研究时,从真空弧离子源中引出的束流脉冲幅度大、能量低,由于空间电荷效应使脉冲束流发散度很大,使得离子束流成分分析的不确定度增大。为克服在有限的空间范围内脉冲离子束流聚焦的困难,研制了一种新的双限束光阑三膜片透镜离子束流聚焦装置。双限束光阑着重减少束流发射度,三膜片透镜则适合小尺度空间的脉冲束流聚焦。计算机模拟的结果符合这种大脉冲离子束流聚焦的设计思想。磁质谱仪应用该聚焦装置后,发散到质量分析器分析盒上的脉冲离子束流幅值从未加聚焦前的115 mA减少至0.06 mA,脉冲离子束流质量分析的不确定度降低。     

偏压电荷收集器阵列的研制

分析了偏压电荷收集器测量强流脉冲离子束的原理和影响测量准确度的主要因素；研制了13路偏压离子电荷收集器阵列，利用该装置测量了“闪光二号”加速器高功率离子束的束流密度分布，并对测量结果进行了简单分析。     

强流脉冲离子束辐照对钛合金显微组织的影响

为研究强流辐照过程中钛合金微观组织结构和化学成分的变化,利用束流成分70%H+和30%C+的混合强脉冲离子束对钛合金进行了表面轰击,对离子束诱发的显微组织形貌和化学成分在扫描电子显微镜(SEM)上进行分析。结果表明,钛合金内部组织由α和β两相构成,为α+β型两相钛合金。试样不同区域组织类型存在明显差异,大部分区域组织类型一致,局部区域属于典型的魏氏组织。强流辐照钛合金表层组织和微观结构发生一定的变化,边缘β相结构遭到一定程度的破坏。显微组织结构的变化是由于表层温度梯度引起的热应力及其在靶材体内的传播造成的。     

箍缩反射离子二极管产生的强流脉冲离子束特性

通过对离子束流密度分布的测量和对被离子束轰击的铜箔不同半径处表面微观形貌的分析,研究了200kV箍缩反射离子二极管产生的离子束特性。结果表明：轴线上离子束流密度最大。     

高功率离子束模拟材料的X射线热-力学效应研究

主要介绍了利用高功率离子束模拟1keV黑体辐射X射线对材料的热—力学效应(thermal—mechanical effects)的初步研究结果。计算了“闪光二号”加速器产生的高功率离子束(质子束)和1keV黑体辐射X射线在材料中的能量沉积剖面，计算结果表明二者的能量沉积范围和剖面变化趋势基本一致。给出了利用“闪光二号”加速器高功率离子束辐照不同材料样品的初步实验结果。所辐照的样品表面镀层被剥离掉，Cu和Al样品表面有明显的熔融痕迹，样品的质量损失约几十毫克，3mm厚的石墨样品碎裂成数块，1mm厚的Al靶形变达到6mm。实测的5mm厚硬Al靶背面应力波峰值约35MPa。因而可以利用“闪光二号”加速器产生的高功率离子束模拟1keV黑体辐射X射线的热—力学效应。     

MeV原子团簇离子束的产生、鉴定及其与固体的作用

介绍了北京大学 2× 1.7MV串列静电加速器实验室开发能量为MeV/atom的原子团簇离子束的情况以及对这些团簇离子束的鉴定手段。应用这些团簇离子束 ,使团簇粒子离子能量损失中的邻近效应研究和团簇离子束在单晶硅中引起的辐照损伤研究等工作得到了开展     

离子束辅助沉积铌提高铀的抗腐蚀性能研究

利用离子注入技术在铀表面进行了离子束辅助沉积铌和离子注入铌形成表面改性层，并对改性层的厚度、注入元素的分布进行俄歇电子能谱（AES）分析和表面相及结构的X射线衍射谱（XRD）分析，用电化学极化法测试抗腐蚀性能。结果表明：离子束辅助沉积表面改性层比离子注入表面改性层明显增厚，铀的耐蚀性得到进一步改善。最后讨论了注铌改性层耐蚀性提高的原因。