浅谈等离子体浸没离子注入技术及其应用

摘要：等离子浸没离子注入技术是一种新型的离子注入技术，有着自己独特的优点，目前已成为热点研究领域，其主要应用于对材料表面处理以提高其磨损性能。本文简要阐述了等离子体浸没离子注入技术，并就其在表面改性领域中的广泛应用进行了分析与探究。

关键词：等离子体 浸没与注入 应用 技术

1 等离子体浸没离子注入技术

等离子体俗称物质存在的第四态，是指在一定强度的电场作用下，气体中的原子受到激发，内部带点粒子发生加速运动相互碰撞后进行能量传递，最后电离放电而形成的一种物质。等离子体在常规条件下是不可能产生的，必须在特殊条件下才能形成。而等离子体注入，就是等离子体的一种应用领域，也是目前运用比较多的一种表面改性处理技术，是通过向基体注入外来离子而改变基体材料表面组成成分以及结构，达到改变基体材料各种性能的目的。

等离子体浸没离子注入英文简称为PIII，其设备由等离子体源、脉冲电源、真空室以及真空泵四大部门组成。将样品置入实验真空室内，并安装在特定需要的位置，当真空抽至所需要求时，将工作气体通入真空室内，通过射频耦合等多种方式将通入的气体电离成等离子体。由于等离子体在真空室内处于弥漫状态，因此可以达到样品完全浸没气体的目的。向样品表面施加负脉冲偏压，等离子体在负偏压的电场作用下，电子向真空室壁运动，正离子向样品表面停留，便形成了一层厚度较厚的正离子鞘层。此时，正离子在电场作用下获得能力，垂直入射到样品表面，达到了样品表面注入离子的目的。

与传统的离子注入技术相比，PIII有着独特的优点。在实验过程中不需要旋转样品，因为在真空室内形成的等离子是属于弥漫型，能达到360°浸没与注入的效果；可以加工形状复杂的样品；所加偏压高，足以满足正离子注入样品表面，与原有粒子发生结合形成新的金相组织结构，既能保持样品材料原有性能、表面光洁度和尺寸，又能以改变这种材料表面的物理，化学及机械性能。

2 等离子体浸没离子注入技术的应用

1987年，rad教授在美国提出了PIII技术，运用至今，已有多年历史，并是当前表面改性的热点，以其设备简单、效率高、成本低的特点广泛应用于各种领域。其中，运用最多的是对材料的表面改性领域中，以此提高材料表面的磨损性能。

目前，我国已经提供了多种离子的浸没与注入设备，如：非金属类有N、C、B等；金属类的有W、Ta、Ti等。郑立允等人在W6Mo5Cr4V2钢制螺母冲头表面进行PIII技术处理后，研究其耐磨性能，发现其使用寿命提高了三倍以上。刘洪喜等人使用PIII技术在9Cr8轴承钢表面进行不同工艺的气体、金属以及混合等离子以及碳化钛和类金刚石薄膜的等离子表面处理，并研究了处理后样品的各种性能，结果发现经过PIII技术处理的试样表面显微硬度增大，摩擦磨损性能显著提高。另外，刘洪喜还对Ti6Al4V表面进行PIII技术改性，比较了灯丝放电和射频辉光放电两种等离子体形成方式的PIII对基体表面进行氮离子注入后的改性效果，分析表明，利用这种技术处理后可以使Ti6Al4V样品表面的显微硬度提高80%，摩擦系数降到0.16，表现出抗磨损性能显著提高。王钧石采用PIII技术对45钢进行氮离子注入后分析改性45钢的注入表层的成分、组织和性能，研究发现注入层的剖面氮浓度分布呈高斯分布特征，注入层中有大量氮化物相形成，注入层的显微硬度和摩擦性能有明显改善。王允江采用等离子体浸没注入与沉积技术在T225NG钛合金材料表面制备了Ti-N/Ti复合薄膜，并进行各种性能分析，结果显示改性材料表现出较好的耐磨性能。另外，宋教花等人使用金属等离子体浸没离子注入技术在Si基体上进行动态离子束增强沉积NbN膜，制备的薄膜结构致密，表面光滑，硬度高，其性能优异，其制备方法简单而高效。张瑜采用等离子体浸没离子注入与沉积技术对纯铁进行表面改性以改善纯铁的耐腐蚀性和生物相容性，分别进行对纯铁进行高压低频、低压高频氧等离子体浸没离子注入后，氧离子注入纯铁表面形成了铁的氧化物，研究结果发现，特定工艺下处理的纯铁样品表现出优异的耐腐蚀性能以及良好的生物相容性。包娟娟采用高频低压等离子体注入及氮化技术在工业纯铁上进行氮离子注入及氮化处理，研究射频功率及氧分压对氮化后样品表面结构、成分及性能的影响，结果表明，样品表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性显著提高。

3 小结

目前，等离子体浸没离子注入技术在等离子研究领域已成为了热点话题之一，它以其独特优势和特点被广泛应用于材料表面磨损的性能改善，但其具体应用操作技术仍有待进一步改善，并对其进行深入研究，以找出PIII技术在应用过程中所存在具体问题及应对策略。

参考文献：

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[2]郑立允，熊惟皓，等.刀具材料表面处理的研究现状[J].金属热处理，2005，30（6）：31-35.

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[4]刘洪喜，汤宝寅，等.钛合金的等离子体浸没离子注入表面强化处理[J].稀有金属材料与工程，2005，34（8）：1318-1321.

作者简介：

黄琼俭（1985-），女，硕士研究生，重庆工业职业技术学院，助教，研究方向：生物医学工程。