凹模内腔等离子体离子注入数值仿真——(Ⅱ)工作气压的影响

模具表面改性对提高模具使用寿命和生产率有着十分重要的意义。本文采用二维Particle-in-cell/Monte Carlo colli-sion模型对不同气压下等离子体离子注入处理凹模型腔内表面的鞘层动力学进行研究。考察了气压变化对电势分布、离子运动状态及凹模型腔内表面离子注入剂量、能量和角度分布的影响。计算结果表明随着气压的上升,凹模周围的鞘层厚度变薄;随气压上升,凹模型腔底部和顶部端面离子注入剂量和平均注入能量下降,在型腔侧壁上,离子注入剂量和平均注入能量先上升后下降。注入到型腔侧壁和凹模顶部端面上的离子平均注入角度随气压上升而趋向于垂直入射,型腔底部平均注入角度随气压上升略有增大。研究结果表明通过引入一定的碰撞(变化气压)来改善剂量和能量的均匀性是可行的。     

方管内表面等离子体离子注入动力学GPU-PIC仿真

内表面改性近年日益受到人们重视。本文采用基于Graphic Processing Unit(GPU)的Particle-in-cell(PIC)模型对方形管内表面的离子注入动力学过程进行数值仿真研究。结果表明在注入过程中,辅助地电极周围形成离子空穴,随时间延长,离子空穴发生交联并不断扩展,直至所有离子注入到方管内壁。离子空穴的形成和扩展使得在管内部形成离子密度波,密度波的传播速度随时间增加。由于等离子体鞘层的不均匀重叠使得管内的初始鞘层厚度分布不均,其中位于拐角附近的鞘层较厚,从而又导致了方管内壁周向上的注入剂量和能量分布存在不均匀性,内壁平面附近位置的注入剂量和注入能量均相对较大,而拐角附近的离子注入剂量和能量最小。本文采用GPU加速PIC的算法取得了高达90的加速比,极大缩短了等离子体粒子模拟的计算时间。     

电感耦合等离子体离子注入内表面的数值仿真研究

本文采用Particle-in-cell模型对采用电感等离子体离子注入处理管内表面的动力学过程进行数值仿真研究,考察了电感线宽对管内电势分布、鞘层重叠、离子平均注入能量、剂量和角度等的影响。计算结果表明随着电感线宽的增加,电感线圈对等离子体鞘层扩展的钳制作用增强,管内的鞘层重叠系数下降,电感内的离子消耗速度下降。在鞘层内电场力的作用下,离子会发生聚集,离子聚集点的位置随着电感线宽的增加向外移动。研究结果还表明通过增加电感线宽可以进一步提高管内表面的离子平均注入能量。离子注入以接近垂直的角度注入到管内表面,虽然电感线圈会产生阴影效应,但管内表面的阴影可以通过管与电感线圈的相对运动来消除。     

凹模内腔等离子体离子注入数值仿真—(Ⅰ)脉冲宽度效应

模具表面改性日益受到人们重视。本文采用二维Particle-in-cell/Monte Carlo Collision模型对等离子体浸没离子注入处理凹模型腔内表面的鞘层动力学及均匀性进行了研究。考察了电压脉宽对鞘层中电势分布、离子的运动状态以及型腔内表面离子注入剂量、能量和角度的空间分布的影响。结果表明随着电压脉宽的增加,凹模型腔内表面的注入剂量不均匀性增加,同时注入到内表面的高能离子数目也增加。脉冲宽度变化对注入角度影响不大,离子以接近垂直的入射角度注入到型腔底部,而在侧壁上离子注入角度接近45°。当脉冲宽度较大时,发现少部分注入到侧壁上的离子以一定角度从下往上注入到样品表面,这是由于碰撞效应造成的。从能量和剂量的角度,存在一个合适的脉冲宽度,过大的脉宽会引起剂量不均匀性增加,同时离子注入能量也会下降。     

脉冲宽度对偏转电场法内表面等离子体浸没离子注入的影响

近年来 ,采用等离子体浸没离子注入 (PIII)对零部件内表面进行改性处理引起了各国研究工作者的广泛关注 .研究表明 ,提出的偏转电场法是进行内表面注入处理的有效方法 ,可以极大提高内表面注入的注入剂量和注入能量 .研究了采用偏转电场法注入时注入电压脉冲宽度对注入效果的影响 .结果表明 ,长注入脉宽可以提高内表面注入能量 ,但对注入剂量影响不大 ;脉冲宽度对注入峰值深度和注入剂量的分布有很大影响 ,长注入脉宽使注入峰值深度和注入剂量的最大值向筒内部移动 ;采用适当的不同宽度脉冲进行注入 ,可以改善注入均匀性 .     

等离子体离子注入PIC仿真的MATLAB实现

MATLAB是当今先进计算软件之一,它提供的各类工具箱和内置函数给应用者带来了极大的方便。本文通过调用MATLAB中偏微分方程工具箱和插值函数实现了方管内表面等离子体离子注入的Particle-In-Cell模拟,并与传统其他语言程序的计算结果对比,结果基本一致。文章还讨论了不同尺寸的内电极对离子平均注入能量的影响,结果表明:即使有内部电极"钳位",平均注入能量也不高;在管壁偏压相同的情况下,尺寸较大的内电极因为"钳位"效果较好而具有较高的平均离子注入能量。最后提供了MATLAB对不规则形状靶件的计算结果,证明了MATLAB软件对不规则形状靶件的PIC模型有较好的适应性。MATLAB的应用为等离子体的模拟提供了简便易学的新途径。     

脉冲射频/40kV高压直接耦合等离子体离子注入电源系统研制

研制的用于等离子体浸没离子注入(PIII)的电源系统采用高压隔离与高频滤波技术,将40 kV高压脉冲电源与13.56 MHz射频电源直接耦合,由单一输出电缆连接到实验靶台上,通过射频与高压脉冲的时序控制,实现了40 kV的高压脉冲与脉冲射频交替输出。工作过程中,通过射频产生等离子体,而后施加高压脉冲获得离子注入,进而实现PIII与沉积。该电源系统的性能指标为:高压脉冲电压幅值10~40 kV,脉冲频率10~1000 Hz,射频脉冲宽度0.01~10 ms,射频与高压间隔0.1~10 ms,高压脉冲功率6 kW,射频脉冲功率1 kW。实验研究表明能够有效的实现PIII。本文将介绍该种新电源的设计思想、电路以及在内凹零部件(如管筒内壁)等离子体离子注入等方面的应用。     

等离子体浸没离子注入(PIII)过程中初始离子阵鞘层尺度内各物理量的时空演化

等离子体浸没离子注入(PIII)是用于材料表面改性的一种较新的、廉价的、非视线的技术.靶体被浸没在等离子体中,等离子体中的离子在靶体负脉冲偏压的作用下注入靶体而实现材料的表面改性.为了描述等离子体浸没离子注入过程,我们引用了一维粒子模型(PIC)对其进行了数值模拟,该模型通过求解空间电势的Poisson方程,电子的Bolzmann分布以及离子在网格中受力运动的Newton运动方程来完成.本文重点研究了一个初始离子阵鞘层内电势、离子浓度、离子注入靶体的速度和动能以及离子流密度的时空演化规律.     

等离子体浸没离子注入(P)技术在现代材料表面改性中的应用及发展

本文综述了近几十年才研制发展的一种新型的用于材料表面改性的离子注入新技术——等离子体浸没离子注入 (P ) ,待处理的材料直接浸泡在等离子体中进行处理。该技术保留了常规束线离子注入(CB )技术的主要特点 ,还具有需多独特的特点。将系统介绍该技术在现代材料表面改性中的各方面应用及发展。     

等离子体浸没离子注入的二维元胞粒子法计算机模拟与剂量分布研究

采用二维元胞粒子模型（PIC），模拟了一个完整脉冲时段内，等离子体浸没离子注入平板靶的过程。重点研究了等离子体鞘层的时空演化规律，以及入射离子流密度、入射离子角度与能量的分布，由此得到了注入离子剂量在靶表面的分布。模型结果表明：等离子体鞘层的扩展先快后慢，且形状由椭圆柱形向圆柱形演化，对靶的保形性逐渐变差；注入离子剂量在靶表面的分布不均匀，在边角附近出现峰值；同时，在得到的入射离子信息基础上，对注入离子在改性层中的浓度深度分布研究表明，在靶的不同位置注入的离子在改性层中的浓度深度分布有显著差别，在靶边角处，注入离子的保留剂量很低，投影射程浅，浓度深度分布展宽较窄。     

Beryllium Surface Modified by B Ion Implantation

Beryllium is implanted with 100 keV,2×10~(17) B/cm~2 and post-implanted sample isannealed at 650℃ for 1 h.Hardness measurementindicates that the hardness increases withimplantation and can further be modified bypost-implantation heat treatment.Profile measurement shows that implantationcauses contamination on the surface of beryllium.During annealing boron diffuses out of berylliumand carbon on surface diffuses into beryllium.Beryllium surface is modified by compositionchange and carbide formation.     

一种新型复合加速离子注入动力学研究

提出了一种基于靶台(工件)二次加速的束线离子注入的新方法,基本原理是将传统束线离子注入和等离子体离子注入有效复合。采用二维Particle-in-cell(PIC)模型对这种注入方法进行了数值仿真研究。考察了靶台加负偏压情况下靶台表面空间电势、离子密度变化以及离子的运动状态的时空演化。统计分析了不同时刻离子注入剂量、注入能量和注入角度的分布规律。结果表明:靶台施加偏压对束流离子起到了很好的二次加速效果,束线离子复合加速离子注入这种新方法理论上是切实可行的。同时发现在靶台附近空间电场的作用下,离子束会发生小角度偏转,由柱状形逐渐变成"喇叭口"形,靶台表面有效注入范围扩大。靶台表面注入剂量分布呈中心区域高边缘区域低的趋势。这种新方法有助于减缓电源硬件加工的难度,增加了工艺的灵活性。     

空间飞轮轴承等离子体浸没离子注入氮层性能研究

研究了氮等离子体浸没离子注入(PIII)技术处理后空间飞轮轴承内圈的摩擦学性能。通过原子力显微镜分析改性前后试样表面形貌,利用X射线电子能谱分析试样表面成分及结构,通过显微硬度计测量改性前后及不同注入时间下试样表面硬度,考察改性前后试样摩擦系数变化情况。结果表明,空间飞轮轴承内圈进行表面注氮后,表面形成Cr-N化合物,形成第二相及固溶强化使得试样表面硬度显著增加,摩擦系数明显减小,耐磨性增加,轴承组件工作电流明显减小。     

离子成分比对等离子体浸没离子注入圆柱形介质管内表面鞘层演化特性的影响

采用一维和双离子自洽流体模型研究了等离子体浸没离子注入圆柱形聚对苯=甲酸乙=醇酯介质内表面的离子鞘层动力学.在模型中,考虑工作气体为氮气时离子成分为氮原子离子N+和分子离子N2+.计算结果表明,不同的离子成分比具有不同的鞘层演化特性,氮原子离子含量高会导致严重的充电效应.在实际工艺中,可通过调整相关参数以降低原子离子N+的成分以抑制充电效应.     

Surface Structures and Osteoblast Activity on Biomedical Polytetrafluoroethylene Treated by Long‐Pulse,High‐Frequency Oxygen Plasma Immersion Ion Implantation

Polytetrafluoroethylene (PTFE) is a biologically safe polymer used widely in clinical medicine including oral and orthopedic surgery. However, the high bio‐inertness of PTFE has hampered wider applications in the biomedical fields. In this work, we extend the treatment time in long‐pulse, high‐frequency oxygen plasma immersion ion implantation of PTFE and a more superhydrophobic surface with a water contact angle of 160° is created. X‐ray photoelectron spectroscopy (XPS) and atomic force microscopy (AFM) reveal that the optimized long‐pulse, high‐frequency oxygen plasma immersion ion implantation process induces a rougher surface and to a lesser extent alters the surface oxygen concentration on the PTFE. Our data, especially long‐term contact angles, suggest that the superhydrophobility stems from surface roughness alteration. Furthermore, the activity of MC3T3‐E1 osteoblasts cultured on the treated surfaces is promoted in terms of quantities and morphology.     

工业纯铁等离子体注入与氮化工艺及其性能研究

采用低电压高频率脉冲等离子体浸没离子注入与氮化技术在工业纯铁上进行氮离子注入及氮化强化处理,研究了不同脉冲宽度下,工业纯铁等离子体浸没离子注入与氮化处理的结构及性能.通过X射线衍射谱(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度、销-盘磨损实验,研究了工业纯铁氮离子注入及氮化后的结构、断面组织、表面元素含量、显微硬度、摩擦磨损性能;通过电化学极化方法在0.9%NaCl溶液研究了改性层的耐腐蚀性.研究结果表明:氮等离子注入及氮化后能显著提高纯铁表面的显微硬度、耐磨性和耐腐蚀性能,且表面形成结构为Fe3N和Fe4N的针状组织,针状组织是提高纯铁性能的关键因素;高脉冲宽度下进行等离子注入及氮化有利于提高纯铁表面的机械性能和耐腐蚀性能.     

等离子体源离子注入法制备类金刚石薄膜

用等离子体源注入(PSII)在Si(100)上制备类金刚石膜，放电气体采用CH4，用微波电子回旋共振(ECR)产生等离子体。将-20～-30kV的高压加在衬底上，来提高离子的能量。通过Raman光谱和FT-IR光谱检测了类金刚石膜的化学组成及状态，并对其机械性能和表面形貌进行了检测。结果显示，硅片硬度和摩擦因数得到了改善，用PSII能够制备出性能优良的膜，可以将其应用到微电子器件(MEMS)上去。