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离子注入技术
“我们在广泛而深入地研调国际离子束材料表面改性发展动向的基础上，根据我们所的技术优势，敏锐地捕捉到当时国际上还刚刚问世的 M EVVA源这一新技术，提出了把它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fa明者布朗博士发明 M EVVA源的本意是用于核物理研究，因此我们提出这一设想是一次技术创新。”

MEVVA源离子注入材料表面改性是上世纪80年代后期在国际上发展起来的一项材料表面工程高技术，也是我们所承担的一项863高技术项目。它包括以下2个密切相关的部分：

（1）MEVVA源离子注入机的研制；

（2）MEVVA源离子注入材料表面改性及其实际应用。为了解读这项高技术，我们先从离子注入讲起。

什么是离子注入？

我们设想在真空中有一束离子束射向一块固体材料时会发生哪些现象呢？离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做溅射；而当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射；另外有一种现象是，离子束射到固体材料以后，受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并Z终停留在固体材料中，这一现象就叫做离子注入。

离子注入技术又是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术。其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，Z后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。此项高新技术由于其独特而突出的优点，已经在半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用，取得了巨大的经济效益和社会效益。作为一种材料表面工程技术，离子注入技术具有以下一些其它常规表面处理技术难以达到的独特优点：（1）它是一种纯净的无公害的表面处理技术；（2）无需热激活，无需在高温环境下进行，因而不会改变工件的外形尺寸和表面光洁度；（3）离子注入层由离子束与基体表面发生一系列物理和化学相互作用而形成的一个新表面层，它与基体之间不存在剥落问题；（4）离子注入后无需再进行机械加工和热处理。进行离子注入的设备——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。离子注入机是由于半导体材料的掺杂需要而于上世纪60年代问世。虽然有一些不同的类型，但它们一般都由以下几个主要部分组成：（1）离子源，用于产生和引出某种元素的离子束，这是离子注入机的源头；（2）加速器，对离子源引出的离子束进行加速，使其达到所需的能量；（3）离子束的质量分析（离子种类的选择）；（4）离子束的约束与控制；（5）靶室；（6）真空系统。非半导体材料的离子注入表面改性

非半导体材料离子注入表面改性研究对离子注入机提出了一些新的要求。大家知道，半导体材料的离子注入所需的剂量（即单位面积上打进去了多少离子，单位是：离子／平方厘米）比较低，而所要求的纯度很高。非半导体材料离子注入表面改性研究所需的剂量很高（比半导体材料离子注入高1000倍以上），而纯度不要求像半导体那么高。

在非半导体材料离子注入表面改性研究的初始阶段，主要是沿用半导体离子注入机所产生的氮离子束来进行。这主要是因为氮等气体离子在适用于半导体离子注入的设备上容易获得比较高的离子束流。氮离子注入在金属、硬质合金、陶瓷和高分子聚合物等的表面改性的研究与应用中取得了引人注目的成功。因此这个阶段被称为氮离子注入阶段。

金属离子注入是新一代的材料表面处理高技术。它利用具有很高能量的某种金属元素的离子束打入固体材料所引起的一系列物理的与化学的变化，来改善固体材料的某些表面性能。研究结果表明，金属离子注入在非半导体材料离子注入表面改性研究与应用中效果更加显著，应用范围更加广泛，许多氮离子注入无法实现的，金属离子注入可以很好地实现。但是，基于半导体离子注入需要的传统离子注入机，要想获得比较强束流的金属离子束是比较困难的，进行非半导体材料离子注入表面改性所需的费用也是比较昂贵的。

M EVVA源离子注入———强流金属离子注入的一场革命

M EVVA源是金属蒸汽真空弧离子源的缩称。这是上世纪80年代中期由美国加州大学伯克利分校的布朗博士由于核物理研究的需要发明研制成功的。这种新型的强流金属离子源问世后很快就被应用于非半导体材料离子注入表面改性，并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有以下几点：（1）对元素周期表上的固体金属元素（含碳）都能产生10毫安量级的强束流；（2）离子纯度取决于阴极材料的纯度，因此可以达到很高的纯度，同时可以省去昂贵而复杂的质量分析器；（3）金属离子一般有几个电荷态，这样可以用较低的引出电压得到较高的离子能量，而且用一个引出电压可实现几种能量的叠加（离子）注入；（4）束流是发散的，可以省去束流约束与扫描系统而达到大的注入面积。其革命性主要表现在两个方面，一是它的高性能，另一是使离子注入机的结构大大简化，主要由离子源、靶室和真空系统这三部分组成。

M EVVA源金属离子注入表面改性技术研究与应用

北京师范大学低能核物理研究所在国家863计划资助下，已经成为国内唯yi、国际上为数不多的能够研制和生产新一代强流金属离子注入机之一，获得了2项技术新型ZL。北京师范大学低能核物理研究所和北京有色金属研究院合作，在国际上首先开展 M EVVA源离子注入材料表面改性研究及其应用，十多年来取得了许多重要的突破和进展，并获得了3项发明ZL。总之，在设备研制和表面处理技术两方面均已具备了将此项高技术推向市场，实现产业化的基础。

在国家863计划的大力支持下，经过十多年的研究和开发， M EVVA源金属离子注入表面技术在硬件（设备）和软件（工艺）两方面均已取得了重要的突破和进展，并已具备了实现产业化的基础。在设备方面，完成了 M EVVAIIA－H、MEVVAII－B和MEVVA50型3种不同型号 M EVVA源的研制，主要性能达到国际先进水平。仅“九五”期间，就已先后为台湾地区、香港地区和国内大学研究所和工厂生产了15台 M EVVA源离子注入机或 M 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便、更经济，效率大大提高，十分有利于这项高新技术的产业化。在表面优化工艺方面，钢制切削工具、模具和精密运动耦合部件3大类、7个品种的 M EVVA源离子注入表面处理，取得了延寿3－30倍的显著优化效果，并已通过国家部委级技术鉴定，成果属国际先进水平。本项目立项之初，国内外有不少人对离子注入材料表面改性的应用前景比较悲观，其中一个重要的原因是英国和美国等工业发达国家的一些实验室对于麻花钻等金属切削工具的离子注入表面改性的工业应用试验屡屡受挫。我们经过分析，改进了工艺，取得了提高麻花钻片、片铣刀和三面刃铣刀等金属切削工具使用寿命10倍左右的显著成效，在国际上首次取得了这一方面的突破，并首先实现产业化，受到了国内外的重视。

这项高新表面处理技术的优越性、实用性及其广阔的市场前景已被越来越多的部门和单位所赏识，得到越来越广泛的应用。

根据我们多年来的研究与开发，同时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工模具和零部件的表面处理：（1）金属切削工具（包括各种用于精密加工和数控加工中使用的钻、铣、车、磨等工具和硬质合金工具），一般可以提高使用寿命3－10倍；（2）热挤压和注塑模具，可使能耗降低20％左右，延长使用寿命10倍左右；（3）精密运动耦合部件，如抽气泵定子和转子，陀螺仪的凸轮和卡板，活塞、轴承、齿轮、涡轮涡杆等，可大幅度地降低摩擦系数，提高耐磨性和耐蚀性，延长使用寿命Z多可以达到100倍以上；（4）挤压合成纤维和光导纤维的精密喷嘴，可以大大提高其抗磨蚀性和使用寿命；（5）半导体工业中的精密模具，罐头工业中的压印和冲压模具等，可显著提高这些贵重、精密模具的工作寿命；（6）医用矫形修复部件（如钛合金人工关节）和手术器具等，其经济效益和社会效益非常好。

这项高技术是一个方兴未艾的新兴产业，硬件设备的处理能力和效率有待进一步提高，在软件（离子注入材料表面改性技术）方面，也有待进一步深化和细化，其应用范围也有待不断扩大。

背景介绍

该项863课题是从1988年开始启动的，它为我们提供了一个千载难逢的机遇。当时离子注入材料表面改性正处于新突破的前夜，有许多人对其应用前景比较悲观，我们成为这一项目的唯yi申请者，几乎没有遇到竞争者。我们在广泛而深入地研调国际离子束材料表面改性发展动向的基础上，根据我们所的技术优势，敏锐地捕捉到当时国际上还刚刚问世的 M EVVA源这一新技术，提出了把它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fa明者布朗博士发明 M EVVA源的本意是用于核物理研究，因此我们提出这一设想是一次技术创新，并且符合国际发展的需要和趋势，至今，离子注入依然是 M EVVA源的主要用途。我们之所以能够争取到这个项目，还因为我们在离子注入材料表面改性技术上在国内有优势。我们是国内Z早开展离子注入并在国际上有一定影响的单位之一。

国内外发展概况美国的 I SM Tech．公司是国际上生产 M EVVA源离子注入机的专业公司，在综合技术水平上处于国际lingxian。上世纪90年代以来先后研制生产了几种不同类型的商用 M EVVA源离子注入机。Z近报道的一种多 M EVVA源离子注入机，在真空室里配备了4台 AVIS80－75MEV- VA源，总束流可达300mA，总束斑面积可打12，000cm2，是目前世界上束流Z强的 M EVVA源离子注入机。欧美工业发达国家的离子注入表面处理技术这一新兴产业发展情况良好，如美国的 S PIRE公司和ISM Tech．公司、英国的 A EA Industrial Tech．，Tec Vac和Tech－Ni－Plant、法国的 N itruvid和IBS、西班牙的INASMET和AIN、德国的 M AT和丹麦 D TI Tribology Centre等均已经取得了可观的经济效益和社会效益，起了很好的示范作用。他们已经将金属离子注入的费用降低到＄0．05－0．5／cm2的水平，可以被包括YL、航空、航天、机械等广泛的领域和部门所接受。北京师范大学低能核物理研究所和北京有色金属研究总院合作进行的这一高技术研发处于国内lingxian，国际先进水平。具体进展如前所述。

知识链接

离子注入：离子注入技术是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术。其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，Z后停留在材料中，并引起材料表面成份、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。

M EVVA源离子注入： M EVVA源是金属蒸汽真空弧离子源的缩称。这是上世纪80年代中期由美国加州大学伯克利分校的布朗博士由于核物理研究的需要发明研制成功的。这种新型的强流金属离子源问世后很快就被应用于非半导体材料离子注入表面改性，并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。