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。     

钛离子注入9Cr18钢的强流脉冲电子束后处理

对９Ｃｒ１８钢经Ｔｉ＾＋离子注入后又使用脉冲强流电子束进行了表面辐照处理用ＡＥＳ分析了注入层的成分,考查了电子束处理前后的硬度,并讨论了脉冲强流电子对离子注入金属材料表面成分产生辐照增强扩散的影响。     

高能Ti离子注入H13钢强化机理研究

对高能Ti离子注入H13钢的强化机理进行了详细的研究。利用离子注入精确可控,掺杂不受固溶度和材料温度限制的特点,详细研究了H13钢中离子注入各种强化机理的作用。结果证明,用离子注入可将几种强化效果同时用于H13钢强化,从而得到最佳的强化效果。低温、大注入量注入下,以位错强化、超饱和固溶强化为主,可使注入层强化效果提高。400℃加温下注入由于Fe_2Ti和TiC硬化弥散相的形成,强化效果进一步提高。硬度可提高3.2倍。抗磨损效果可提高11倍。注入样品退火可改善弥散强化的效果。     

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。     

升温离子注入——一种新的表面工程方法

利用等离子体源离子注入(PSII)技术对冷作模具钢材料Cr12MoV 进行不同温度范围氮离子注入模拟和实验的研究,研究温度在离子注入中对材料表面改性的影响机理。首先,利用 Trim程序对氮离子在 Cr12MoV 中注入过程进行模拟计算。然后,在能量、剂量等参数相同条件下,改变脉冲频率,即相对应地改变样品的表面温度对不同样品进行试验对比,分别测试其表面温度为:250 ℃,312 ℃,365 ℃,412 ℃,471 ℃。并在 312 ℃的温度条件,分别做了不同剂量的试验。用 X射线衍射分析 ( XRD )表面结构、晶相变化;用俄歇电子能谱 (AES )分析注入氮的浓度分布;用维氏显微硬度计测定其显微硬度;用针-盘磨损机测试其耐磨性能。结果表明,计算机模拟注入深度比实际测定短,由此说明,升温离子注入比常规方法具有更深的注入层。通过对 Cr12MoV 材料 PSII 表面温度效应明显提高试样的表面显微硬度及耐磨性能,根据实验结果得出了该种材料的等离子体源离子注入的最佳工艺参数。     

离子注入对GCr15和Cr4Mo4V轴承材料的显微硬度及摩擦系数的影响

文章报导了经Cr,Mo,N,B离子注入后GCr15和Cr4 Mo4V二种轴承材料的显微硬度和摩擦系数的测试结果。测试结果发现经注入后材料表面的显微硬度提高,摩擦系数降低,经Cr+Mo+B和Cr+Mo+N注入试样的摩擦系数降为末注试样的1/3以下。     

在线低能气体离子源

材料中氦和氢积累可引起材料性能的恶化甚至失效。为研究材料内氦和氢的存在形式、氦与氢及缺陷的相互作用、气泡的形成和演变过程以及各种因素的影响,建立一套离子束能量最高20keV的潘宁型气体离子源引出和聚焦系统,与200kV透射电镜联机,在离子注入现场原位观察氦和氢不同注入浓度下材料内部的微观结构及变化过程。对离子源进行氦离子的起弧、引出和聚焦测试。离子源在15–60mA放电电流范围内稳定地工作。在5×10–3Pa和1.5×10–2Pa工作气压下,放电电压约380V和320V。低气压下引出离子束流比高气压下大,且引出束流随放电电流和吸极电压的增加而增加。等径三圆筒透镜有显著聚焦作用,在距透镜出口150cm处,离子束流密度提高一个量级以上。能量10keV左右的氦离子获得束流密度约200nA·cm–2的离子束,可满足多种材料进行在线离子注入和原位电镜观测的需要。     

电子回旋共振等离子体源的特性

简要描述了一台频率为２．４５ＧＨｚ的电子回旋共振（ＥＣＲ）等离子体源的特性测试,结果表明,放电室内的等离子体密度和电子温度与静态磁场、微波输入功率和真空度等参数均有着密切关系。当磁场达到共振条件８７．５ｍＴ时,等离子体很易产生,但等离子体密度的最大值却出现在９３ｍＴ处。ＥＣＲ源在真空度为０．１－１Ｐａ间均能运行。由石英、Ａｌ２Ｏ３陶瓷和ＢＮ构成的微波输入窗有良好的阻抗匹配,在微波功率为２００－７０     

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。     

高功率脉冲离子束注入初步研究

离子注入用于半导体器件和大规模集成电路的生产中,显示出这种工艺的许多优越性。七十年代初期,哈威尔实验室等研究部门开始进行离子注入技术在非半导体材料中的应用研究。大量实验结果表明,仅几千埃的注入深度就能对金属材料的磨损和抗氧化性能起积极的影响,如一定浓度的氮离子注入钢能显著提高钢材的耐磨性,而且小于0.5μm的注入层能使20μm深度处的耐磨性仍有改善;适当剂量的Cr和Zr注入氧化铝陶瓷中,能起到硬化作用;     

低能离子束辐照对纤维素微观结构变化的影响

采用红外光谱(IR),X射线衍射分析和扫描电镜(SEM)对低能离子(N+)注入纤维素粉微观结构的变化进行了研究。结果表明,低能离子辐照使纤维素分子内和分子间氢键均发生了断裂;随着辐照剂量的增加,纤维素相对结晶度逐渐减小,当注量增加到1500×1014cm-2时,相对结晶度较对照减少6.84%;纤维素颗粒直径逐渐变小,纤维变得越来越不完整,纤维表面出现较明显分层脱落现象,大多呈现的是细小碎片。     

氮离子束注入诱变选育胞外多糖高产菌株

采用氮离子束注入胞外多糖产生菌进行诱变处理来获得胞外多糖高产菌株。氮离子注入过程采用的能量为10 keV,剂量为60×1014–140×1014cm-2。根据其存活率及突变率确定最佳的注入剂量。结果表明:菌株存活率曲线遵循氮离子注入生物效应的"马鞍型曲线",当注入剂量为120×1014cm-2时,获得了最佳的诱变效果。通过筛选和连续5次传代,获得具有良好稳定性的突变株,其多糖产量达到3.29 g/L,较出发菌株提高了19.20%,且发酵周期缩短了6 h。     

Surface decomposition and annealing behavior of GaN implanted with Eu

Investigations on surface decomposition of GaN implanted with low energy (80keV) Eu ion to a low dose (1×1014cm-2), and its annealing behavior under high temperature (1050℃) in N2 are performed. The as-grown, as-implanted and annealed GaN films are characterized by proton elastic scattering (PES), Rutherford backscattering spectrometry (RBS), photoluminescence (PL) and atomic force microscopy (AFM). The results show that Eu ion implantation induces radiation defects and decomposition of GaN. The GaN surface decomposition is more serious during high temperature annealing. The atomic ratio of N in as-grown, as-implanted and annealed GaN film is 47 at.%, 44 at.% and 40 at.%, respectively. As a result, a rough Ga-rich layer is formed at the surface, though the lattice defects are partly removed after high temperature annealing.     

离子注入Cr、Y、Nb对γ-TiAl金属间化合物高温氧化性能的影响

采用MEVVA离子源将Cr、Y、Nb离子分别注入γ -TiAl金属间化合物 ,注入能量 50—6 0keV ,注入剂量为 1× 10 17cm- 2 ,研究γ -TiAl在 10 0 0℃空气中的循环氧化行为。结果表明 ,Cr离子和Y离子注入对γ -TiAl的高温氧化性能均没有明显影响 ;Nb离子注入γ -TiAl,在氧化初期 ,抗氧化性能得到显著提高 ,但随着氧化过程的继续 (超过 10 0h) ,这种改善作用逐渐降低。实验发现 ,通过离子注入和基体合金化向γ -TiAl中加入相同元素 ,由于工艺过程的差异 ,对其高温氧化性能的影响不同。在长时间高温氧化 (10 0 0℃ )条件下 ,离子注入表面改性无法达到提高γ -TiAl抗氧化性能的目的     

The Effects of Low-Energy Nitrogen Ion Implantation on Pollen Exine Substructure and Pollen Germination of Cedrus deodara

The aim of this study is to investigate the biological effects of ion beams on pollen. Pollen grains of Cedrus deodara were implanted with 30 keV nitrogen ion beams at doses ranging from 1 × 10^15 ions/cm^2 to 15 × 10^15 ions/cm^2. The effects of N^＋ implantation on the pollen exine substructure were examined using an atomic force microscope （AFM）, and the structure and morphology of pollen and pollen tubes were observed using a laser scanning confocal microscope （LSCM）. AFM observations distinctly revealed the erosion of the pollen exine caused by N^＋ implantation in the micrometer to nanometer range. Typical results showed that the erosion degree was linearly proportional to the ion dose. Pollen germination experiments in vitro indicated that N^＋ implantation within a certain dose range increased the rate of pollen germination. The main abnormal phenomena in pollen tubes were also analyzed. Our results suggest that low energy ion implantation with suitable energy and dosage can be used to break the pollen wall to induce a transfer of exogenous DNA into the pollen without any damage to the cytoplasm and nuclei of the pollen. The present study suggests that a combination of the method of ion-beam-induced gene transfer and the pollen-tube pathway method （PTPW） would be a new plant transformation method.