无机材料改性技术-第4讲幻灯片.ppt

3 新型表面改性技术 3.1 离子注入技术 离化后的原子在强电场的加速作用下 注射进入靶材料的表层 以改变这种材料表层的物理或化学性质 3.2 等离子体辅助化学气相沉积 在低真空的条件下，利用硅烷类气体、氮气和氧化亚氮，通过射频电场而产生辉光放电形成等离子体 可增强化学反应和降低沉积温度 激光特点 （一）定向发光 （二）亮度极高 （三）颜色极纯 （四）能量密度极大 激光表面处理技术产生 激光加工技术的研究始于20 世纪60 年代 但到20世纪70年代初研制出大功率激光器之后 激光表面处理技术才获得实际的应用 并在近十年内得到迅速的发展 3.3 激光技术 3.3.1 激光表面处理技术的原理及特点 激光是一种相位一致、波长一定、方向性极强的电磁波 激光束由一系列反射镜和透镜来控制，可以聚焦成直径很小的光（0.1mm） 激光表面处理的实现 采用大功率密度的激光束 以非接触性的方式加热材料表面 借助于材料表面本身传导冷却 激光表面处理技术优点 能量传递方便，可以对被处理工件表面有选择地局部强化 能量作用集中，加工时间短，热影响区小，激光处理后，工件变形小 可处理表面形状复杂的工件，而且容易实现自动化生产线 激光表面处理技术能量转化 3.3.2 激光表面合金化 激光表面合金化：在高能量激光束的照射下，使基体材料表面一薄层与根据需要加入的合金元素同时快速熔化、混合，形成10~1000μm厚的表面熔化层 3.3.2 激光表面合金化 又由于熔化层液体内存在着扩散作用和表面张力效应等物理现象 使材料表面仅在很短时间(50μs~2ms) 内就形成了具有要求深度和化学成分的表面合金层 3.3.3 激光化学气相沉积 激光化学气相沉积（LCVD）是新出现的技术，通过激光激活、诱导来促进化学气相沉积 从而使常规CVD技术得到强化，它的沉积过程是激光光子与反应主体或衬底材料表面分子相互作用的过程 LCVD与PCVD的区别 3.3.3.1 激光化学气相沉积原理 选择适合的激光波长，使之能被基体吸收 而不为反应物吸收 随着激光照射点温度的升高，反应开始进行并沉积出TiO2薄膜 激光化学气相沉积分类 激光热解沉积 激光光解沉积 激光化学气相沉积分类 激光热解沉积 激光光解沉积 激光热解沉积原理 激光光解沉积原理 3.3.4 准分子激光照射技术 用准分子激光照射陶瓷材料，可以引起表面形貌、结构及化学组成的改变，使陶瓷材料的表面导电性、催化活性、抗弯强度等性能得到提高 脆性是陶瓷的致命弱点，采取强化增韧方法改善其韧性 3.4 离子束辅助沉积(IBAD) IBAD：将离子注入与薄膜沉积融为一体的材料表面改性新技术 在气相沉积镀膜的同时，采用一定能量的离子束进行轰击混合，从而形成单质或化合物膜层 3.4.1 基本原理 依靠电子束或离子束沉积薄膜的同时，用几十电子伏特到几万电子福特能量的离子束对其进行轰击 利用沉积原子和轰击离子之间的一系列的物理、化学作用，在常温下合成各种优质薄膜 IBAD包含三个方面 静态反冲技术：先沉击膜层，然后用其他载能离子将沉积膜层与基体反冲共混 离子束混合：预先交替沉积膜层，然后用载能离子将多层膜加以混合，得到均匀的新膜层 动态混合技术：即沉积与注入同时进行 3.4.2 IBAD设备简介 离子束辅助沉积设备包括真空系统、离子源及其供电测量系统、供气系统、水冷系统等 3.4.3 IBAD工艺类型与特点 由于离子轰击与薄膜沉积是两个相互独立控制的过程，均可在较大范围内调节 可以实现理想化学配比的膜层以及常温、常压下无法获得的化合物薄膜 3.4.3.1 典型工艺类型 非反应IBAD工艺：注入离子为惰性气体离子，其作用是影响沉积元素或化合物薄膜的形成、成分调制与组织结构等 反应型IBAD工艺：离子束的作用除了影响膜层生长外，还能提供形成化合物膜层的离子 多元膜制备工艺 3.4.3.2 工艺特点 膜基结合强度高，对于所有的基体材料均有较好的结合力（如陶瓷、金属、聚合物） 可与高真空度相容（一般真空度小于10-3Pa） 3.4.4 IBAD过程的影响因素 影响因素：荷能离子的种类、能量、束流、冲击角度、离子/原子到达比、沉积原子入射角度 形核密度高，薄膜内空洞减少，附着力增强 3.4.5 IBAD技术的应用 应用：在电子器件的绝缘膜、保护膜、光学膜、激光镜镀膜、工具模具及轴承的耐磨抗蚀膜层 最早应用电、磁、光等功能性薄膜 IBAD技术的不足 离子束具有直射性，难于处理复杂工件 离子源的限制，离子束轰击范围小，生产效率低 独立控制参数多，参数难以优化 镀膜速度慢，成本高 IBAD技术主要研究应用领域 制备新型亚稳化合物薄膜 制备各种功能膜及抗腐蚀，耐磨损陶瓷膜 计