ＭＥＶＶＡ 离子束技术的发展及应用

金属蒸汽真空弧放电能够产生高密度的金属等离子体．通过二或三电极引出系统,可以把金属等离子体中的 金属离子引出,并加速成为载能的金属离子束,这是 ＭＥＶＶＡ 离 子 源 技 术．将 载 能 离 子 束 用 于 离 子 注 入,可 以 实 现 材 料 表面改性．经过 ＭＥＶＶＡ 源离子注入处理的工具和零部件,改性效果显著,因此 ＭＥＶＶＡ 离子源在离子注入材料表面改 性技术中得到很好的应用．另一方面,利用弯曲磁场把等离子体导向到视线外的真空靶室中的同 时,过 滤 掉 真 空 弧 产 生 的液滴（大颗粒）,当工件加上适当的负 偏 压 时,等 离 子 体 中 的 离 子 在 工 件 表 面 沉 积,可 以 得 到 高 质 量 的、平 整 致 密 的 薄 膜,称为磁过滤等离子体沉积．是一种先进的薄膜制 备 的 新 技 术．此 外,将 ＭＥＶＶＡ 离 子 注 入 与 磁 过 滤 等 离 子 体 沉 积 相 结合的复合技术,可以首先用离子注入的方法改变基材表面的性能,再用磁过滤等离子体沉积的 方 法 制 备 薄 膜,可 以 极 大的增强薄膜与基材的结合强度,得到性能极佳的薄膜．适用于基材与薄膜性能差别大,结合不 易 的 情 况（例 如 陶 瓷、玻 璃表面制备金属膜）．本文简要介绍了 ＭＥＶＶＡ 离子注入技术、磁过滤等离子体沉积技术和 ＭＥＶＶＡ 复合技术的发展和 应用状况      

离子注入材料改性用强流金属离子源

为满足离子注入材料改性研究和实际应用的需要。研制了一个金属蒸汽真空弧(简称MEVVA)离子源.这是一新型离子源种,它利用阴极和阳极间的真空弧放电原理由阴极表面直接产生高密度金属等离子体,经一多孔三电极系统引出得到强流金属离子束.该源脉冲工作方式,已引出Al,Ti,Fe,Cu,Mo和W等离子,脉冲离子束流强度为0.6～1.26A,Ti的平均束流强度已达10mA.引出束流大小与源的工作参数、引出结构和电压以及阴极材料有关。该源没有气体负载,工作真空度为3×10~(-4)Pa。     

MEVVA源强流Ti离子注入纯铜表面层的结构与性能研究

采用金属蒸气真空弧(MEVVA)离子源技术对强流Ti离子束注入到纯铜表面的结构和性能进行了系统的研究.材料表面层的机械性能测试表明:强流Ti离子注入纯铜后材料表面的硬度和耐磨性均有提高,相对于纯铜基体,5×1017 cm-2注量注入可以使材料表面硬度提高2.3倍,使表面摩擦因数下降14%.注入层的X射线结构分析表明:金属离子注入后,在纯铜表面注入层中析出了合金相,合金相的析出是材料的表面硬度和耐磨性提高的主要因素.     

TiAlN薄膜的磁过滤脉冲真空弧等离子反应沉积制备的研究

采用磁过滤脉冲真空弧等离子反应沉积技术,在室温、钛合金和Si(100)单晶表面制备了TiAlN薄膜.利用SEM、XRD、EDS和XPS等对薄膜的微观组织结构及化学组分进行了观察测试分析,探讨了磁过滤脉冲真空弧等离子反应沉积技术的工艺参数对TiAlN薄膜结构的影响.     

金属等离子体浸没动态离子束增强沉积

采用由阴极真空弧等离子体源、负脉冲高压靶台和磁过滤系统组成的金属等离子体浸没动态离子束增强沉积系统,对３０４Ｌ不锈钢进行金属等离子体浸没动态离子束增强沉积处理。对试样予以电化学测试和ＡＥＳ分析。动态增强沉积试样比非增强沉积试样有更强的抗电化学腐蚀能力。     

过滤管道磁场对改进弧沉积系统弧放电和传输效率的影响

在 90°磁过滤管道和MEVVA源阴极之间加一 30～ 60V的正偏压 ,可使磁过滤管道起到阴极弧放电第二阳极的作用 .在此情况下对磁过滤管道磁场对MEVVA源阳极 阴极以及磁过滤管道 阴极 2个回路弧放电以及磁过滤管道等离子体传输效率的影响进行了实验研究 .研究表明 ,磁过滤磁场升高 ,磁过滤管道和阴极之间的弧放电规模降低 ,系统的等离子体传输效率升高 ,但对MEVVA源阳极和阴极之间的弧放电规模影响不大 .     

MEEVA源生成Ti金属等离子体粒子密度和电离度的原子发射光谱诊断

利用原子发射光谱对等离子体粒子密度进行诊断的Saha-Boltzmann方程法,并对其进行了改进.并结合多谱线斜率法,针对用英国avantes公司生产的AvaSpec-2048FT-8-RM型光栅光谱仪采集到的金属蒸汽真空弧(MEVVA)源生成的金属钛等离子体的发射光谱,对其电子、离子温度,电子、原子、一价离子和二价离子密度,原子和一价离子电离度进行诊断;对MEVVA Ti等离子体的热力学状态进行了判断;从而实现MEVVA Ti等离子体的发射光谱诊断.此外,还对MEVVA Ti等离子体参数随离子源工作弧压的变化情况进行了讨论.     

强束流脉冲Ta离子注入H13钢的背散射分析

利用从金属蒸汽真空弧离子源引出的强束流Ta离子,进行Ta离子注入钢的材料改性研究。研究结果表明,在离子注入剂量为5×1017cm-2,平均束流密度为40μA·cm-2,加速电压为42kV下,Ta离子注入能在钢表面形成厚达80nm的合金层。借助卢瑟福背散射(RBS),我们发现表面合金层中Ta的原子百分浓度在15%以上。     

等离子体对聚酰亚胺表面的改性研究

聚酰亚胺膜（PI）是一种特殊的功能性薄膜,缺点是与金属膜层结合力很差,表面处理是一种提高PI膜和金属膜层结合力的非常有效方法．本文结合MEVVA（金属真空蒸汽离子源）离子注入技术和磁过滤沉积技术对PI膜表面进行改性处理;经4．5×10^15 cm^-2注量的Ni离子注入后,PI膜层表面形貌变化很小,经FTIR分析表面的苯环,酰亚胺环等特征吸收峰强度未有变化,即未造成表面的键断裂等损伤．经4．5×10^15cm^-2Ni注入（10kV）＋10nm Ni沉积＋4．5×10^15cm^-2Ni注入（12kV）＋100nmNi沉积处理后的膜表面形貌发生了较大的变化,形成表面不再平整的过渡层,这过渡层和聚酰亚胺膜有机结合在一起形成了混合钉扎状态,即过渡层和聚酰亚胺表面膜层发生化学作用,这点从膜层剥离后PI膜的特征吸收的消失可以得到直接验证．还利用SRIM和TRIDYN理论模拟计算了10kV的3种不同注量的Ni离子注入PI膜层的射程以及浓度随着深度的变化曲线,比较直接的显示了Ni离子富堆积深度为17．5帆     

W离子注入奥氏体不锈钢的微动磨损性能

采用金属蒸气真空弧离子源,在奥氏体不锈钢上注入金属W离子,研究了W离子注入对奥氏体不锈钢微动磨损性能的影响.结果表明,W离子注入后不锈钢的表面硬度提高了3倍;W离子注入能够显著改善奥氏体不锈钢的微动磨损性能,降低微动磨损面积.这主要归因于离子注入造成的表面强化,以及离子注入在基体表面产生的压应力.     

钨离子沉积聚酯薄膜表面抗磨损特性

采用钨离子束磁过滤技术,对引出的钨离子束中大颗粒离子进行过滤后 ,再注入和沉积到聚酯薄膜(PET)表面,可获得抗磨损特性优异的沉积的金属钨膜.扫描电 子显微镜观察表明,大颗粒已被过滤,表面结构致密.测量表明,镀膜的硬度、弹性模量和 抗磨损特性得到了很大的提高,与基体的黏合特性有了明显改善.进一步对抗磨损机制进行了探讨.     

离子注入制备锐钛矿型Fe:TiO2薄膜紫外光、可见光和自然光催化效果研究

采用溶胶-凝胶法制备纳米Ti O2薄膜,然后用金属蒸汽真空弧(metal vapour vacuumarc,MEVVA)离子注入机注入从6×1015~6×1016cm24种注量的Fe离子,制备复合纳米Fe:Ti O2薄膜.用UV-Vis透射光谱和XRD对催化剂进行了表征.对薄膜在紫外光、可见光和自然光下降解甲基橙的光催化脱色效果进行了研究.     

过滤管道作为第二阳极的磁过滤阴极真空弧沉积系统

建立了一台磁过滤脉冲阴极真空弧沉积装置,通过在90度磁过滤管道和阴极之间加30－60V的正偏压使系统沉积速率得到了大幅度提高,研究和观察表明,此时在过滤管道和阴之间产生了阴极真空弧放电,并因此使阴极消耗率大幅度增大,对此放电回路及其和MEVVA阳极－阴极之间弧放电的相互影响进行了初步的实验研究。     

管型材料离子注入内表面改性研究进展

利用在管材中心引入同轴接地电极并在金属管材上加脉冲负偏压以产生径向离子加速电场,实现了金属管材内表面离子注入。目前国内外还有其它一些技术手段实现材料内表面改性,如脉冲放电爆炸金属箔注入、离子束溅射沉积、等离子体化学气相沉积法等。这些实验方法所遇到的主要问题是离子注入沿轴向不均匀、膜与基底结合不牢。在原实验方法基础上,又提出了一种新的方法——栅极增强等离子体源离子注入法。实验结果表明：此方法不但可以大大提高离子注入沿轴向的均匀性,而且可以实现气体离子和金属离子两种离子的共同注入。     

采用磁过滤MEVVA源制备DLC膜的研究

采用磁过滤MEVVA沉积技术以石墨为阴极在几种衬底表面(单晶硅、不锈钢和工具钢等)上制备高质量类金刚石(DLC)薄膜.实验结果表明,沉积能量对薄膜的sp3键含量的影响为先随能量的增加而增加,达到最大值后,再增加沉积能量含量反而下降.硬度测试结果表明,非晶金刚石薄膜具有极高的硬度,为70～78GPa,远远高于衬底材料的硬度值.对非晶金刚石薄膜的摩擦性能试验结果表明,非晶金刚石薄膜的摩擦因数为0.16～0.2,大大低于衬底材料.     

V+离子注入制备可见光灵敏TiO2光催化薄膜

利用金属蒸汽真空弧(MEVVA)源离子注入机在溶胶凝胶法制备的TiO2薄膜上注入V .薄膜表面的形态和结构分别用扫描电子显微镜(SEM)和X光衍射仪(XRD)进行了研究.通过紫外可见光漫反射谱仪(UV-Vis)测量了注入和退火后薄膜吸收光谱的扩展.在波长λ>400nm辐照下,甲基橙(MO)水溶液中的光催化实验证明,这种薄膜具备可见光波段的催化能力.这种催化效果在V 注量为1×1016 cm-2时最好.     

聚焦磁场对系统弧放电和传输效率的影响

在90°磁过滤管道和阴极之间加一30～60V的正偏压可使磁过滤管道起到阴极弧放电第二阳极的作用.在此情况下对聚焦磁场对MEVVA源阳极-阴极以及磁过滤管道-阴极2个回路弧放电和磁过滤管道传输效率的影响进行了实验研究.研究表明,随聚焦磁场升高,MEVVA源阳极和阴极之间的弧放电规模减小,而磁过滤管道和阴极之间的弧放电规模增大,并且系统的等离子体传输效率也随之升高.     

W离子注入奥氏体不锈钢的微动磨损性能

采用金属蒸气真空弧离子源，在奥氏体不锈钢上注入金属W离子，研究了W离子注入对奥氏体不锈钢微动磨损性能的影响．结果表明，W离子注入后不锈钢的表面硬度提高了3倍；W离子注入能够显著改善奥氏体不锈钢的微动磨损性能，降低微动磨损面积．这主要归因于离子注入造成的表面强化，以及离子注入在基体表面产生的压应力．     

等离子体方法实现金属管件内表面改性研究进展

综述了近年来国内外利用等离子体方法实现金属管件内表面强化的研究进展. 介绍了几种管件内表面等离子体源离子注入和沉积技术，并对其优缺点分别加以分析. 详细介绍了中国科学院物理研究所等离子体物理实验室先后提出的几种等离子体源离子注入方法用于金属管件内表面改性的原理、技术特点及最新研究进展. 力图展望管件内壁离子注入技术研究的发展前景.     

表面处理和涂层技术在齿轮上的应用初探

利用气相物理沉积(PVD)技术和磁过滤弧源沉积的方法(DFAD),在由20CrMo制造的直齿圆柱齿轮表面分别制备了TiN以及C:N薄膜,并在齿轮传动实验台上进行了性能测试.结果表明:齿轮表面上覆C:N薄膜后,在1 800 rpm,12 Nm的工况下,连续运行50 h,对齿轮表面在体式显微镜下进行观察,薄膜无明显破损,而未覆膜的淬火齿轮表面已经失效.因此,齿轮表面覆膜对改善齿轮的减摩抗磨性的效果是十分明显的,也是切实可行的.同时,还探讨了PVD技术在齿轮传动中应用时出现的问题,如用常用的多弧磁控溅射技术在齿轮表面涂覆TiN膜,因温度太高导致渗碳淬火齿轮表面硬度因回火而降低,无法正常使用,采用磁过滤弧源沉积的方法对齿轮表面进行覆膜,能获得满意效果.