“我們在廣泛而深入地研調國際離子束材料表面改性發展動向的基礎上，根據我們所的技術優勢，敏銳地捕捉到當時國際上還剛剛問世的 M EVVA源這一新技術，提出了把它應用于強流金屬離子注入材料表面改性的發展方向。因為 M EVVA源的發明者布朗博士發明 M EVVA源的本意是用于核物理研究，因此我們提出這一設想是一次技術創新?！?/p>

??? MEVVA源離子注入材料表面改性是上世紀80年代后期在國際上發展起來的一項材料表面工程高技術，也是我們所承擔的一項863高技術項目。它包括以下2個密切相關的部分：
??? （1）MEVVA源離子注入機的研制；
??? （2）MEVVA源離子注入材料表面改性及其實際應用。為了解讀這項高技術，我們先從離子注入講起。

??? 什么是離子注入？

??? 我們設想在真空中有一束離子束射向一塊固體材料時會發生哪些現象呢？離子束把固體材料的原子或分子撞出固體材料表面，這個現象叫做濺射；而當離子束射到固體材料時，從固體材料表面彈了回來，或者穿出固體材料而去，這些現象叫做散射；另外有一種現象是，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，并最終停留在固體材料中，這一現象就叫做離子注入。

??? 離子注入技術又是近30年來在國際上蓬勃發展和廣泛應用的一種材料表面改性高新技術。其基本原理是：用能量為100keV量級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生一系列物理的和化學的相互作用，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、結構和性能發生變化，從而優化材料表面性能，或獲得某些新的優異性能。此項高新技術由于其獨特而突出的優點，已經在半導體材料摻雜，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用，取得了巨大的經濟效益和社會效益。作為一種材料表面工程技術，離子注入技術具有以下一些其它常規表面處理技術難以達到的獨特優點：（1）它是一種純凈的無公害的表面處理技術；（2）無需熱激活，無需在高溫環境下進行，因而不會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生一系列物理和化學相互作用而形成的一個新表面層，它與基體之間不存在剝落問題；（4）離子注入后無需再進行機械加工和熱處理。進行離子注入的設備──離子注入機

??? 離子注入是在一種叫做離子注入機的設備上進行的。離子注入機是由于半導體材料的摻雜需要而于上世紀60年代問世。雖然有一些不同的類型，但它們一般都由以下幾個主要部分組成：（1）離子源，用于產生和引出某種元素的離子束，這是離子注入機的源頭；（2）加速器，對離子源引出的離子束進行加速，使其達到所需的能量；（3）離子束的質量分析（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。非半導體材料的離子注入表面改性

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

??? 在非半導體材料離子注入表面改性研究的初始階段，主要是沿用半導體離子注入機所產生的氮離子束來進行。這主要是因為氮等氣體離子在適用于半導體離子注入的設備上容易獲得比較高的離子束流。氮離子注入在金屬、硬質合金、陶瓷和高分子聚合物等的表面改性的研究與應用中取得了引人注目的成功。因此這個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。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的變化，來改善固體材料的某些表面性能。研究結果表明，金屬離子注入在非半導體材料離子注入表面改性研究與應用中效果更加顯著，應用范圍更加廣泛，許多氮離子注入無法實現的，金屬離子注入可以很好地實現。但是，基于半導體離子注入需要的傳統離子注入機，要想獲得比較強束流的金屬離子束是比較困難的，進行非半導體材料離子注入表面改性所需的費用也是比較昂貴的。

??? M EVVA源離子注入———強流金屬離子注入的一場革命

??? M EVVA源是金屬蒸汽真空弧離子源的縮稱。這是上世紀80年代中期由美國加州大學伯克利分校的布朗博士由于核物理研究的需要發明研制成功的。這種新型的強流金屬離子源問世后很快就被應用于非半導體材料離子注入表面改性，并引起了強流金屬離子注入的一場革命，這種獨特的離子注入機被稱為新一代金屬離子注入機。 M EVVA源離子注入機的突出優點有以下幾點：（1）對元素周期表上的固體金屬元素（含碳）都能產生10毫安量級的強束流；（2）離子純度取決于陰極材料的純度，因此可以達到很高的純度，同時可以省去昂貴而復雜的質量分析器；（3）金屬離子一般有幾個電荷態，這樣可以用較低的引出電壓得到較高的離子能量，而且用一個引出電壓可實現幾種能量的疊加（離子）注入；（4）束流是發散的，可以省去束流約束與掃描系統而達到大的注入面積。其革命性主要表現在兩個方面，一是它的高性能，另一是使離子注入機的結構大大簡化，主要由離子源、靶室和真空系統這三部分組成。

??? M EVVA源金屬離子注入表面改性技術研究與應用

??? 北京師范大學低能核物理研究所在國家863計劃資助下，已經成為國內唯一、國際上為數不多的能夠研制和生產新一代強流金屬離子注入機之一，獲得了2項技術新型專利。北京師范大學低能核物理研究所和北京有色金屬研究院合作，在國際上首先開展 M EVVA源離子注入材料表面改性研究及其應用，十多年來取得了許多重要的突破和進展，并獲得了3項發明專利。總之，在設備研制和表面處理技術兩方面均已具備了將此項高技術推向市場，實現產業化的基礎。

??? 在國家863計劃的大力支持下，經過十多年的研究和開發， M EVVA源金屬離子注入表面技術在硬件（設備）和軟件（工藝）兩方面均已取得了重要的突破和進展，并已具備了實現產業化的基礎。在設備方面，完成了 M EVVAIIA－H、MEVVAII－B和MEVVA50型3種不同型號 M EVVA源的研制，主要性能達到國際先進水平。僅“九五”期間，就已先后為***地區、香港地區和國內大學研究所和工廠生產了15臺 M EVVA源離子注入機或 M EVVA源鍍膜設備。

??? M EVVA源離子注入機的應用，使強流金屬離子注入變得更簡便、更經濟，效率大大提高，十分有利于這項高新技術的產業化。在表面優化工藝方面，鋼制切削工具、模具和精密運動耦合部件3大類、7個品種的 M EVVA源離子注入表面處理，取得了延壽3－30倍的顯著優化效果，并已通過國家部委級技術鑒定，成果屬國際先進水平。本項目立項之初，國內外有不少人對離子注入材料表面改性的應用前景比較悲觀，其中一個重要的原因是英國和美國等工業發達國家的一些著名實驗室對于麻花鉆等金屬切削工具的離子注入表面改性的工業應用試驗屢屢受挫。我們經過分析，改進了工藝，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，在國際上首次取得了這一方面的突破，并首先實現產業化，受到了國內外的重視。

??? 這項高新表面處理技術的優越性、實用性及其廣闊的市場前景已被越來越多的部門和單位所賞識，得到越來越廣泛的應用。

??? 根據我們多年來的研究與開發，同時借鑒近年來國際上的新進展， 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控加工中使用的鉆、銑、車、磨等工具和硬質合金工具），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，延長使用壽命10倍左右；（3）精密運動耦合部件，如抽氣泵定子和轉子，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，提高耐磨性和耐蝕性，延長使用壽命最多可以達到100倍以上；（4）擠壓合成纖維和光導纖維的精密噴嘴，可以大大提高其抗磨蝕性和使用壽命；（5）半導體工業中的精密模具，罐頭工業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）醫用矯形修復部件（如鈦合金人工關節）和手術器具等，其經濟效益和社會效益非常好。

??? 這項高技術是一個方興未艾的新興產業，硬件設備的處理能力和效率有待進一步提高，在軟件（離子注入材料表面改性技術）方面，也有待進一步深化和細化，其應用范圍也有待不斷擴大。

??? 背景介紹

??? 該項863課題是從1988年開始啟動的，它為我們提供了一個千載難逢的機遇。當時離子注入材料表面改性正處于新突破的前夜，有許多人對其應用前景比較悲觀，我們成為這一項目的唯一申請者，幾乎沒有遇到競爭者。我們在廣泛而深入地研調國際離子束材料表面改性發展動向的基礎上，根據我們所的技術優勢，敏銳地捕捉到當時國際上還剛剛問世的 M EVVA源這一新技術，提出了把它應用于強流金屬離子注入材料表面改性的發展方向。因為 M EVVA源的發明者布朗博士發明 M EVVA源的本意是用于核物理研究，因此我們提出這一設想是一次技術創新，并且符合國際發展的需要和趨勢，至今，離子注入依然是 M EVVA源的主要用途。我們之所以能夠爭取到這個項目，還因為我們在離子注入材料表面改性技術上在國內有優勢。我們是國內最早開展離子注入并在國際上有一定影響的單位之一。

??? 國內外發展概況美國的 I SM Tech．公司是國際上生產 M EVVA源離子注入機的專業公司，在綜合技術水平上處于國際領先。上世紀90年代以來先后研制生產了幾種不同類型的商用 M EVVA源離子注入機。最近報道的一種多 M EVVA源離子注入機，在真空室里配備了4臺 AVIS80－75MEV- VA源，總束流可達300mA，總束斑面積可打12，000cm2，是目前世界上束流最強的 M EVVA源離子注入機。歐美工業發達國家的離子注入表面處理技術這一新興產業發展情況良好，如美國的 S PIRE公司和ISM Tech．公司、英國的 A EA Industrial Tech．，Tec Vac和Tech－Ni－Plant、法國的 N itruvid和IBS、西班牙的INASMET和AIN、德國的 M AT和丹麥 D TI Tribology Centre等均已經取得了可觀的經濟效益和社會效益，起了很好的示范作用。他們已經將金屬離子注入的費用降低到＄0．05－0．5／cm2的水平，可以被包括醫療、航空、航天、機械等廣泛的領域和部門所接受。北京師范大學低能核物理研究所和北京有色金屬研究總院合作進行的這一高技術研發處于國內領先，國際先進水平。具體進展如前所述。

??? 知識鏈接

??? 離子注入：離子注入技術是近30年來在國際上蓬勃發展和廣泛應用的一種材料表面改性高新技術。其基本原理是：用能量為100keV量級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生一系列物理的和化學的相互作用，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、結構和性能發生變化，從而優化材料表面性能，或獲得某些新的優異性能。

??? 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80年代中期由美國加州大學伯克利分校的布朗博士由于核物理研究的需要發明研制成功的。這種新型的強流金屬離子源問世后很快就被應用于非半導體材料離子注入表面改性，并引起了強流金屬離子注入的一場革命，這種獨特的離子注入機被稱為新一代金屬離子注入機。

離子注入技術，60年代即已普及，目前主要用來做大規模集成電路。注入機，其實就是一臺小的加速器：有離子源，產生要注入的離子；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；有磁鐵的偏轉和聚焦，以便使離子少丟失并有一定強度；有電磁掃描系統，使離子能夠按要求在物體表面畫出圖樣來。
??集成電路中的成千上萬個電子元件（電阻、電容、二極管、三極管……），就是在半導體硅晶片表面內，注入不同的離子，經處理，使局部形成了不同類型的半導體，從而構成器件的。沒有集成電路，就沒有現代化的電子工業，就沒有現代化的科學實驗。集成電路的發明，是技術革命的一個重要里程碑。這里有離子注入的一大功績。
??離子注入的第二大功績，是在冶金學方面。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，可以輕易地得到實現。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。當然，得到的成品，僅在金屬的表面層，可這在許多應用中已足夠了，而且還有節約材料的優點。
??離子注入的第三大功績，是表面改性。如注入氮+，可增加金屬的硬度和耐磨性；錫+使鋼的摩擦系數減小；鉛+使鋼的摩擦系數增加；鉻+使金屬增加耐腐蝕性……離子注入的優點：①任何元素，都可注入到所有固體物質之中。③注入深度、濃度可調，濃度可達過飽和。③注入溫度低，材料基本不變形。④注入層無界面，不易脫落。⑤成本低，易實現自動化生產。
??表面改性的原因是什么呢？因為離子注入后，使物體表面排列整齊的晶格發生畸變，形成了密結的位錯網，這網，使物體表面得到強化。
??也許有人會說，表面特性無論如何提高，當一層表面磨完不就完了嗎？能有多大神通？其實不然，因為注入的原子（注入的離子吸收電子后都要變為原子），能使位錯被“釘扎”住。在磨損過程中，注入的原子，會不斷向內部遷移。注入原子的深度，初始約0．l微米，在摩擦條件下工作時，因熱作用，注入原子就向內部遷移，可達初始深度的100-1000倍！