“我們?cè)趶V泛而深入地研調(diào)國(guó)際離子束材料表面改性發(fā)展動(dòng)向的基礎(chǔ)上，根據(jù)我們所的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，敏銳地捕捉到當(dāng)時(shí)國(guó)際上還剛剛問(wèn)世的 M EVVA源這一新技術(shù)，提出了把它應(yīng)用于強(qiáng)流金屬離子注入材料表面改性的發(fā)展方向。因?yàn)?M EVVA源的發(fā)明者布朗博士發(fā)明 M EVVA源的本意是用于核物理研究，因此我們提出這一設(shè)想是一次技術(shù)創(chuàng)新。”

??? MEVVA源離子注入材料表面改性是上世紀(jì)80年代后期在國(guó)際上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)材料表面工程高技術(shù)，也是我們所承擔(dān)的一項(xiàng)863高技術(shù)項(xiàng)目。它包括以下2個(gè)密切相關(guān)的部分：
??? （1）MEVVA源離子注入機(jī)的研制；
??? （2）MEVVA源離子注入材料表面改性及其實(shí)際應(yīng)用。為了解讀這項(xiàng)高技術(shù)，我們先從離子注入講起。

??? 什么是離子注入？

??? 我們?cè)O(shè)想在真空中有一束離子束射向一塊固體材料時(shí)會(huì)發(fā)生哪些現(xiàn)象呢？離子束把固體材料的原子或分子撞出固體材料表面，這個(gè)現(xiàn)象叫做濺射；而當(dāng)離子束射到固體材料時(shí)，從固體材料表面彈了回來(lái)，或者穿出固體材料而去，這些現(xiàn)象叫做散射；另外有一種現(xiàn)象是，離子束射到固體材料以后，受到固體材料的抵抗而速度慢慢減低下來(lái)，并最終停留在固體材料中，這一現(xiàn)象就叫做離子注入。

??? 離子注入技術(shù)又是近30年來(lái)在國(guó)際上蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用的一種材料表面改性高新技術(shù)。其基本原理是：用能量為100keV量級(jí)的離子束入射到材料中去，離子束與材料中的原子或分子將發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，從而優(yōu)化材料表面性能，或獲得某些新的優(yōu)異性能。此項(xiàng)高新技術(shù)由于其獨(dú)特而突出的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在半導(dǎo)體材料摻雜，金屬、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上獲得了極為廣泛的應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。作為一種材料表面工程技術(shù)，離子注入技術(shù)具有以下一些其它常規(guī)表面處理技術(shù)難以達(dá)到的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：（1）它是一種純凈的無(wú)公害的表面處理技術(shù)；（2）無(wú)需熱激活，無(wú)需在高溫環(huán)境下進(jìn)行，因而不會(huì)改變工件的外形尺寸和表面光潔度；（3）離子注入層由離子束與基體表面發(fā)生一系列物理和化學(xué)相互作用而形成的一個(gè)新表面層，它與基體之間不存在剝落問(wèn)題；（4）離子注入后無(wú)需再進(jìn)行機(jī)械加工和熱處理。進(jìn)行離子注入的設(shè)備──離子注入機(jī)

??? 離子注入是在一種叫做離子注入機(jī)的設(shè)備上進(jìn)行的。離子注入機(jī)是由于半導(dǎo)體材料的摻雜需要而于上世紀(jì)60年代問(wèn)世。雖然有一些不同的類型，但它們一般都由以下幾個(gè)主要部分組成：（1）離子源，用于產(chǎn)生和引出某種元素的離子束，這是離子注入機(jī)的源頭；（2）加速器，對(duì)離子源引出的離子束進(jìn)行加速，使其達(dá)到所需的能量；（3）離子束的質(zhì)量分析（離子種類的選擇）；（4）離子束的約束與控制；（5）靶室；（6）真空系統(tǒng)。非半導(dǎo)體材料的離子注入表面改性

?非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性研究對(duì)離子注入機(jī)提出了一些新的要求。大家知道，半導(dǎo)體材料的離子注入所需的劑量（即單位面積上打進(jìn)去了多少離子，單位是：離子／平方厘米）比較低，而所要求的純度很高。非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性研究所需的劑量很高（比半導(dǎo)體材料離子注入高1000倍以上），而純度不要求像半導(dǎo)體那么高。

??? 在非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性研究的初始階段，主要是沿用半導(dǎo)體離子注入機(jī)所產(chǎn)生的氮離子束來(lái)進(jìn)行。這主要是因?yàn)榈葰怏w離子在適用于半導(dǎo)體離子注入的設(shè)備上容易獲得比較高的離子束流。氮離子注入在金屬、硬質(zhì)合金、陶瓷和高分子聚合物等的表面改性的研究與應(yīng)用中取得了引人注目的成功。因此這個(gè)階段被稱為氮離子注入階段。

??? 金屬離子注入是新一代的材料表面處理高技術(shù)。它利用具有很高能量的某種金屬元素的離子束打入固體材料所引起的一系列物理的與化學(xué)的變化，來(lái)改善固體材料的某些表面性能。研究結(jié)果表明，金屬離子注入在非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性研究與應(yīng)用中效果更加顯著，應(yīng)用范圍更加廣泛，許多氮離子注入無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，金屬離子注入可以很好地實(shí)現(xiàn)。但是，基于半導(dǎo)體離子注入需要的傳統(tǒng)離子注入機(jī)，要想獲得比較強(qiáng)束流的金屬離子束是比較困難的，進(jìn)行非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性所需的費(fèi)用也是比較昂貴的。

??? M EVVA源離子注入———強(qiáng)流金屬離子注入的一場(chǎng)革命

??? M EVVA源是金屬蒸汽真空弧離子源的縮稱。這是上世紀(jì)80年代中期由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的布朗博士由于核物理研究的需要發(fā)明研制成功的。這種新型的強(qiáng)流金屬離子源問(wèn)世后很快就被應(yīng)用于非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性，并引起了強(qiáng)流金屬離子注入的一場(chǎng)革命，這種獨(dú)特的離子注入機(jī)被稱為新一代金屬離子注入機(jī)。 M EVVA源離子注入機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：（1）對(duì)元素周期表上的固體金屬元素（含碳）都能產(chǎn)生10毫安量級(jí)的強(qiáng)束流；（2）離子純度取決于陰極材料的純度，因此可以達(dá)到很高的純度，同時(shí)可以省去昂貴而復(fù)雜的質(zhì)量分析器；（3）金屬離子一般有幾個(gè)電荷態(tài)，這樣可以用較低的引出電壓得到較高的離子能量，而且用一個(gè)引出電壓可實(shí)現(xiàn)幾種能量的疊加（離子）注入；（4）束流是發(fā)散的，可以省去束流約束與掃描系統(tǒng)而達(dá)到大的注入面積。其革命性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是它的高性能，另一是使離子注入機(jī)的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，主要由離子源、靶室和真空系統(tǒng)這三部分組成。

??? M EVVA源金屬離子注入表面改性技術(shù)研究與應(yīng)用

??? 北京師范大學(xué)低能核物理研究所在國(guó)家863計(jì)劃資助下，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)唯一、國(guó)際上為數(shù)不多的能夠研制和生產(chǎn)新一代強(qiáng)流金屬離子注入機(jī)之一，獲得了2項(xiàng)技術(shù)新型專利。北京師范大學(xué)低能核物理研究所和北京有色金屬研究院合作，在國(guó)際上首先開(kāi)展 M EVVA源離子注入材料表面改性研究及其應(yīng)用，十多年來(lái)取得了許多重要的突破和進(jìn)展，并獲得了3項(xiàng)發(fā)明專利。總之，在設(shè)備研制和表面處理技術(shù)兩方面均已具備了將此項(xiàng)高技術(shù)推向市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。

??? 在國(guó)家863計(jì)劃的大力支持下，經(jīng)過(guò)十多年的研究和開(kāi)發(fā)， M EVVA源金屬離子注入表面技術(shù)在硬件（設(shè)備）和軟件（工藝）兩方面均已取得了重要的突破和進(jìn)展，并已具備了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。在設(shè)備方面，完成了 M EVVAIIA－H、MEVVAII－B和MEVVA50型3種不同型號(hào) M EVVA源的研制，主要性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。僅“九五”期間，就已先后為***地區(qū)、香港地區(qū)和國(guó)內(nèi)大學(xué)研究所和工廠生產(chǎn)了15臺(tái) M EVVA源離子注入機(jī)或 M EVVA源鍍膜設(shè)備。

??? M EVVA源離子注入機(jī)的應(yīng)用，使強(qiáng)流金屬離子注入變得更簡(jiǎn)便、更經(jīng)濟(jì)，效率大大提高，十分有利于這項(xiàng)高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。在表面優(yōu)化工藝方面，鋼制切削工具、模具和精密運(yùn)動(dòng)耦合部件3大類、7個(gè)品種的 M EVVA源離子注入表面處理，取得了延壽3－30倍的顯著優(yōu)化效果，并已通過(guò)國(guó)家部委級(jí)技術(shù)鑒定，成果屬國(guó)際先進(jìn)水平。本項(xiàng)目立項(xiàng)之初，國(guó)內(nèi)外有不少人對(duì)離子注入材料表面改性的應(yīng)用前景比較悲觀，其中一個(gè)重要的原因是英國(guó)和美國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的一些著名實(shí)驗(yàn)室對(duì)于麻花鉆等金屬切削工具的離子注入表面改性的工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)屢屢受挫。我們經(jīng)過(guò)分析，改進(jìn)了工藝，取得了提高麻花鉆片、片銑刀和三面刃銑刀等金屬切削工具使用壽命10倍左右的顯著成效，在國(guó)際上首次取得了這一方面的突破，并首先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，受到了國(guó)內(nèi)外的重視。

??? 這項(xiàng)高新表面處理技術(shù)的優(yōu)越性、實(shí)用性及其廣闊的市場(chǎng)前景已被越來(lái)越多的部門和單位所賞識(shí)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

??? 根據(jù)我們多年來(lái)的研究與開(kāi)發(fā)，同時(shí)借鑒近年來(lái)國(guó)際上的新進(jìn)展， M EVVA源金屬離子注入特別適用于以下幾類工模具和零部件的表面處理：（1）金屬切削工具（包括各種用于精密加工和數(shù)控加工中使用的鉆、銑、車、磨等工具和硬質(zhì)合金工具），一般可以提高使用壽命3－10倍；（2）熱擠壓和注塑模具，可使能耗降低20％左右，延長(zhǎng)使用壽命10倍左右；（3）精密運(yùn)動(dòng)耦合部件，如抽氣泵定子和轉(zhuǎn)子，陀螺儀的凸輪和卡板，活塞、軸承、齒輪、渦輪渦桿等，可大幅度地降低摩擦系數(shù)，提高耐磨性和耐蝕性，延長(zhǎng)使用壽命最多可以達(dá)到100倍以上；（4）擠壓合成纖維和光導(dǎo)纖維的精密噴嘴，可以大大提高其抗磨蝕性和使用壽命；（5）半導(dǎo)體工業(yè)中的精密模具，罐頭工業(yè)中的壓印和沖壓模具等，可顯著提高這些貴重、精密模具的工作壽命；（6）醫(yī)用矯形修復(fù)部件（如鈦合金人工關(guān)節(jié)）和手術(shù)器具等，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常好。

??? 這項(xiàng)高技術(shù)是一個(gè)方興未艾的新興產(chǎn)業(yè)，硬件設(shè)備的處理能力和效率有待進(jìn)一步提高，在軟件（離子注入材料表面改性技術(shù)）方面，也有待進(jìn)一步深化和細(xì)化，其應(yīng)用范圍也有待不斷擴(kuò)大。

??? 背景介紹

??? 該項(xiàng)863課題是從1988年開(kāi)始啟動(dòng)的，它為我們提供了一個(gè)千載難逢的機(jī)遇。當(dāng)時(shí)離子注入材料表面改性正處于新突破的前夜，有許多人對(duì)其應(yīng)用前景比較悲觀，我們成為這一項(xiàng)目的唯一申請(qǐng)者，幾乎沒(méi)有遇到競(jìng)爭(zhēng)者。我們?cè)趶V泛而深入地研調(diào)國(guó)際離子束材料表面改性發(fā)展動(dòng)向的基礎(chǔ)上，根據(jù)我們所的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，敏銳地捕捉到當(dāng)時(shí)國(guó)際上還剛剛問(wèn)世的 M EVVA源這一新技術(shù)，提出了把它應(yīng)用于強(qiáng)流金屬離子注入材料表面改性的發(fā)展方向。因?yàn)?M EVVA源的發(fā)明者布朗博士發(fā)明 M EVVA源的本意是用于核物理研究，因此我們提出這一設(shè)想是一次技術(shù)創(chuàng)新，并且符合國(guó)際發(fā)展的需要和趨勢(shì)，至今，離子注入依然是 M EVVA源的主要用途。我們之所以能夠爭(zhēng)取到這個(gè)項(xiàng)目，還因?yàn)槲覀冊(cè)陔x子注入材料表面改性技術(shù)上在國(guó)內(nèi)有優(yōu)勢(shì)。我們是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展離子注入并在國(guó)際上有一定影響的單位之一。

??? 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況美國(guó)的 I SM Tech．公司是國(guó)際上生產(chǎn) M EVVA源離子注入機(jī)的專業(yè)公司，在綜合技術(shù)水平上處于國(guó)際領(lǐng)先。上世紀(jì)90年代以來(lái)先后研制生產(chǎn)了幾種不同類型的商用 M EVVA源離子注入機(jī)。最近報(bào)道的一種多 M EVVA源離子注入機(jī)，在真空室里配備了4臺(tái) AVIS80－75MEV- VA源，總束流可達(dá)300mA，總束斑面積可打12，000cm2，是目前世界上束流最強(qiáng)的 M EVVA源離子注入機(jī)。歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的離子注入表面處理技術(shù)這一新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況良好，如美國(guó)的 S PIRE公司和ISM Tech．公司、英國(guó)的 A EA Industrial Tech．，Tec Vac和Tech－Ni－Plant、法國(guó)的 N itruvid和IBS、西班牙的INASMET和AIN、德國(guó)的 M AT和丹麥 D TI Tribology Centre等均已經(jīng)取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，起了很好的示范作用。他們已經(jīng)將金屬離子注入的費(fèi)用降低到＄0．05－0．5／cm2的水平，可以被包括醫(yī)療、航空、航天、機(jī)械等廣泛的領(lǐng)域和部門所接受。北京師范大學(xué)低能核物理研究所和北京有色金屬研究總院合作進(jìn)行的這一高技術(shù)研發(fā)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，國(guó)際先進(jìn)水平。具體進(jìn)展如前所述。

??? 知識(shí)鏈接

??? 離子注入：離子注入技術(shù)是近30年來(lái)在國(guó)際上蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用的一種材料表面改性高新技術(shù)。其基本原理是：用能量為100keV量級(jí)的離子束入射到材料中去，離子束與材料中的原子或分子將發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成份、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，從而優(yōu)化材料表面性能，或獲得某些新的優(yōu)異性能。

??? M EVVA源離子注入： M EVVA源是金屬蒸汽真空弧離子源的縮稱。這是上世紀(jì)80年代中期由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的布朗博士由于核物理研究的需要發(fā)明研制成功的。這種新型的強(qiáng)流金屬離子源問(wèn)世后很快就被應(yīng)用于非半導(dǎo)體材料離子注入表面改性，并引起了強(qiáng)流金屬離子注入的一場(chǎng)革命，這種獨(dú)特的離子注入機(jī)被稱為新一代金屬離子注入機(jī)。

離子注入技術(shù)，60年代即已普及，目前主要用來(lái)做大規(guī)模集成電路。注入機(jī)，其實(shí)就是一臺(tái)小的加速器：有離子源，產(chǎn)生要注入的離子；有加速電壓，使離子獲得一定能量，以便打入物體的表面層中；有磁鐵的偏轉(zhuǎn)和聚焦，以便使離子少丟失并有一定強(qiáng)度；有電磁掃描系統(tǒng)，使離子能夠按要求在物體表面畫出圖樣來(lái)。
??集成電路中的成千上萬(wàn)個(gè)電子元件（電阻、電容、二極管、三極管……），就是在半導(dǎo)體硅晶片表面內(nèi)，注入不同的離子，經(jīng)處理，使局部形成了不同類型的半導(dǎo)體，從而構(gòu)成器件的。沒(méi)有集成電路，就沒(méi)有現(xiàn)代化的電子工業(yè)，就沒(méi)有現(xiàn)代化的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。集成電路的發(fā)明，是技術(shù)革命的一個(gè)重要里程碑。這里有離子注入的一大功績(jī)。
??離子注入的第二大功績(jī)，是在冶金學(xué)方面。它能完成普通金屬冶煉中做不到的事。例如，鎢和銅互不溶解，所以一般煉不出鎢銅合金。但用離子注入法，可以輕易地得到實(shí)現(xiàn)。銅銀合金也是這樣獲得的。還有含大量氣體的金屬，也容易由離子注入法得到。當(dāng)然，得到的成品，僅在金屬的表面層，可這在許多應(yīng)用中已足夠了，而且還有節(jié)約材料的優(yōu)點(diǎn)。
??離子注入的第三大功績(jī)，是表面改性。如注入氮+，可增加金屬的硬度和耐磨性；錫+使鋼的摩擦系數(shù)減小；鉛+使鋼的摩擦系數(shù)增加；鉻+使金屬增加耐腐蝕性……離子注入的優(yōu)點(diǎn)：①任何元素，都可注入到所有固體物質(zhì)之中。③注入深度、濃度可調(diào)，濃度可達(dá)過(guò)飽和。③注入溫度低，材料基本不變形。④注入層無(wú)界面，不易脫落。⑤成本低，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。
??表面改性的原因是什么呢？因?yàn)殡x子注入后，使物體表面排列整齊的晶格發(fā)生畸變，形成了密結(jié)的位錯(cuò)網(wǎng)，這網(wǎng)，使物體表面得到強(qiáng)化。
??也許有人會(huì)說(shuō)，表面特性無(wú)論如何提高，當(dāng)一層表面磨完不就完了嗎？能有多大神通？其實(shí)不然，因?yàn)樽⑷氲脑樱ㄗ⑷氲碾x子吸收電子后都要變?yōu)樵樱苁刮诲e(cuò)被“釘扎”住。在磨損過(guò)程中，注入的原子，會(huì)不斷向內(nèi)部遷移。注入原子的深度，初始約0．l微米，在摩擦條件下工作時(shí)，因熱作用，注入原子就向內(nèi)部遷移，可達(dá)初始深度的100-1000倍！