离子束加工原理
离子束技术在材料加工中的应用研究
离子束技术在材料加工中的应用研究随着科技的不断进步和发展，离子束技术在现代工业领域中得到了广泛的应用和推广。
离子束技术指的是利用离子束在材料表层进行鲜明的原子化改变、物理性质的改变或者化学结构变化，从而达到对材料进行加工或改变性质的目的。
离子束技术在材料加工方面的应用，不但可以大幅度提高材料加工效率和生产效率，还能增加材料的导电性和耐腐蚀性，使材料的性能和质量得到了进一步的提高。
一、离子束技术基础原理离子束技术是利用离子束与物质之间的相互作用来加工或改变材料物理性质的技术。
技术首先需要制造一个离子束。
常见的离子束有氦离子束、氢离子束、氖离子束等。
这些离子束通过高压电场加速，能够获得高速的线性运动，达到微米尺度的材料表面。
当离子束击中材料表面时，会产生剥离、敏化、溶解、离化等化学反应和各种物理反应，从而改变材料的物理、化学和表面特性。
二、离子束技术在材料加工中的应用离子束技术在材料加工方面的应用，主要集中在以下方面：1. 表面硬化和改性离子束在材料表面形成的离子化区域竞争激烈，使表面出现贯穿性缺陷，从而使表面硬化和改性。
利用离子束技术进行材料表面硬化和改性，可以有效提高材料的强度、韧性和抗磨性，从而提高材料的使用寿命和可靠性。
这种技术广泛应用于汽车、航空航天、电子设备等领域。
2. 表面精密雕刻和加工离子束技术的高精度和高清洁性，可以用于材料表面的精密雕刻和加工。
离子束加工可以直接控制材料的深度和形状，从而进行微型元件制造和雕刻加工。
这种技术在制造超微型电子器件、MEMS元件等方面有很大的应用前景。
3. 脱除表面负离子离子束在材料表面形成的离子化区域，可以有效地脱除表面的负离子，从而提高材料的表面电导率和抗静电能力。
这种技术在电子显示器、LCD显示器等领域有广泛的应用。
4. 表面刻蚀和薄膜制备利用离子束技术进行表面刻蚀和薄膜制备，可以控制材料的厚度和形状，从而进行材料表面的功能性涂层和薄膜制备。
这种技术在制造晶体、磁性材料等方面有广泛的应用。
离子束加工原理
离子束加工原理离子束加工（ ion beammachining ， IBM）是在真空条件下利用离子源（离子枪）产生的离子经加快聚焦形成高能的离子束流投射到工件表面，使资料变形、损坏、分别以达到加工目的。
因为离子带正电荷且质量是电子的千万倍，且加快到较高速度时，拥有比电子束大得多的撞击动能，所以，离子束撞击工件将惹起变形、分别、损坏等机械作用，而不像电子束是经过热效应进行加工。
2.离子束加工特色加工精度高。
因离子束流密度和能量可获取精准控制。
在较高真空度下进行加工，环境污染少。
特别合适加工高纯度的半导体资料及易氧化的金属资料。
加工应力小，变形极细小，加工表面质量高，合适于各样资料和低刚度零件的加工。
3.离子束加工的应用范围离子束加工方式包含离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射堆积和离子注入等。
1）离子刻蚀3.离子束加工的应用范围离子束加工方式包含离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射堆积和离子注入等。
1）离子刻蚀当所带能量为 0.1 ～5keV、直径为十分之几纳米的的氩离子轰击工件表面时，此高能离子所传达的能量超出工件表面原子或分子间键协力时，资料表面的原子或分子被逐一溅射出来，以达到加工目的这类加工实质上属于一种原子尺度的切削加工，往常又称为离子铣削。
离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄资料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等高精度图形。
2）离子溅射堆积采纳能量为 0.1 ～5keV 的氩离子轰击某种资料制成的靶材，将靶材原子击出并令其堆积到工件表面上并形成一层薄膜。
实质上此法为一种镀膜工艺。
3）离子镀膜离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面堆积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以加强镀层与基材之间的结协力（可达10～20MPa），此法适应性强、膜层平均致密、韧性好、堆积速度快，当前已获取宽泛应用。
4）离子注入用 5～ 500keV 能量的离子束，直接轰击工件表面，因为离子能量相当大，可使离子钻进被加工工件资料表面层，改变其表面层的化学成分，进而改变工件表面层的机械物理性能。
离子束加工
离子注入：
采用5~500Kev的较高能量的离子束，直接垂直轰 击被加工材料，由于离子能量相当大，离子就钻进被加 工材料的表面层，工件表面层含有注入离子后，就改变 了化学成分，从而改变了工件表面层的机械物理和化学 性能，称离子注入为表面改性。
3.离子束加工的特点
1）离子束是所有特种加工方法中最精密、最微细的加 工方法，离子刻蚀可以达到纳米级的加工精度，是当代 纳米加工技术的击出。
离子注入在半导体方面的应用，在国内外都很普遍， 它是用硼、磷等杂质离子注入半导体，制造p-n结，目前 成为制作半导体器件和大面积集成电路的重要手段。
离子注入改善金属表面性能正在形成一个新型的领域。 利用离子注入可以改变金属表面的物理化学性能，可以制 的新的合金，从而可制的新的合金，从而改善金属表面的 抗蚀性能、抗疲劳性能、润滑性能和耐磨性能。
离子束加工设备： 主要包括离子源、真空系统、控制系统和电源部分； 离子源用以产生离子束流，产生离子束流的基本 原理和方法是使原子电离。具体办法是把要电离的 气态原子（氩等惰性气体或金属蒸汽）注入电离室， 经高频放电、电弧放电、等离子体放电或电子轰击， 使气态原子电离为等离子体（正离子数和负离子数 相等的混合体）用一个相对于等离子体为负电势的 电极，就可从等离子体中引出正离子束流。
2.离子束加工分类 根据物理效应和达到的目的不同分类；
利用离子撞击的离子刻蚀；
利用能量为0.5~5Kev的氩离子倾斜轰击工件，将工 件表面的原子逐个剥离，其实质是一种原子尺度的切削加 工，又称离子铣削。
离子溅射沉积： 利用能量为0.5~5Kev的氩离子倾斜轰击某种材料
制成的靶，离子将靶材原子击出，垂直沉积在靶材附近 的工件上，使工件表面镀上一层薄膜，溅射沉积是一种 涂膜工艺。
离子束加工技术的研究及应用
离子束加工技术的研究及应用离子束加工技术是通过加速离子束并将其瞄准到目标物表面，通过离子与物质相互作用，使得目标物表面发生物理或化学反应的一种表面加工技术。
该技术具有精度高、化学反应可控制、组织控制可靠、退火处理少等优点。
因此，离子束加工技术在材料科学、电子信息、光学等领域中获得广泛应用。
本文将从离子束加工技术的原理、研究进展以及应用三个方面来介绍该技术的现状和未来发展。
一、离子束加工技术的原理离子束加工技术是一种表面加工技术，其加工原理与传统的机械切削和化学反应加工有所不同。
其基本过程是通过高能离子束准确地瞄准到目标物表面，离子束与目标物表面相互作用，促进表面发生物理或化学反应，最终实现加工过程。
其中，离子束主要通过瞄准精度和加速能量来控制反应速率和表面结构。
离子束加工技术的主要原理包括以下三个方面：1. 离子束加速技术：离子束加工技术中，离子束的加速是其基本原理。
离子束一般通过加速器进行加速，其加速倍数决定了离子束的加工速率和加工深度。
离子束的加速倍数越高，则离子束的轰击能量，对工件表面的损伤就越大，加工效果也就越好。
2. 离子束瞄准技术：离子束瞄准技术是通过控制离子束的方向和位置，使其准确瞄准到目标物表面进行加工。
通过瞄准角度、扫描方向和覆盖范围等参数的调整，可以实现加工位置的精度控制，并且可以保证加工精度和加工质量。
3. 离子束撞击效应：离子束撞击效应是指离子束与目标物表面相互作用时，离子的动能被转化为等离子体能，并且通过反射、透射和散射等现象，与目标物表面发生相互作用，从而实现表面加工。
二、离子束加工技术的研究进展离子束加工技术具有精度高、化学反应可控制、组织控制可靠、退火处理少等优点，因此，在材料科学、电子信息、光学等领域中获得了广泛应用。
随着物理化学技术的发展和相关领域的需求，离子束加工技术在处理材料方面表现出越来越重要的作用。
离子束加工技术的研究进展主要包括前置处理技术、控制技术、退火处理技术以及晶体控制技术等方面：1. 前置处理技术：前置处理技术主要包括差速泵技术和真空和高温蒸发技术。
07第五节 离子束加工
概念：离子束加工（简称IBM） 是利用离子束对材料进行成形和
改性的加工方法。
一、加工原理与特点
离子束加工是在真
空条件下将离子源产 生的离子束经过加速、 聚焦后，打到工件表 面以实现去除加工。
电子束加工是靠动能
转化为热能来进行加 工的，而离子束加工 是靠微观的机械撞击 动能。
离子束加工工艺特点
蚀的目的。（北京创威纳科技有限公司 ）
超声加工
概念：超声加工是利用工具做超声振
动，通过悬浮液中磨料的高速轰击进
行加工的方法。
加工原理与特点
超声波发生器将交流电转变为超声频电振荡，由换能器将电振荡变为垂直于 工件表面的超声机械振动，再由变幅杆把振幅从0.005mm放大到0.1mm左右。 加工时，在工具和工件之间不断注入磨料悬浮工作液，工具端面的超声振动， 迫使悬浮液中的磨粒以很大的速度不断撞击、抛磨被加工表面，把工件加工 区域的材料粉碎成微粒脱落下来。
复合加工
一、复合加工方法
复合切削加工：振动切削复合加工 化学机械复合加工
磁场辅助研抛加工
复合加工
机械化学抛光（CMP）
磁性浮动抛光（MFP）
磁性磨料精整加工 （MAF）
激光辅助车削（LAT）
回顾
一、离子束
二、超声加工 三、电子束加工
四、复合加工
作业
网上查询有关特种加工工艺及发展趋 势
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
离子刻蚀：又称离子铣削。离子加速到一万～几万
电子伏，且离子入射方向与被加工表面成25～30时， 离子可将工件表面的原子或分子逐个撞击出去，实现 离子铣削、离子蚀刻或离子抛光等。
离子注入：离子加速到几十万电子伏或更高时，离
简述离子束加工原理及应用
简述离子束加工原理及应用离子束加工是一种利用离子束对物体表面进行加工的技术。
它利用离子束的高能量和较高质量，通过离子与物体表面的相互作用，改变物体表面的性质和形态。
离子束加工的基本原理是通过向物体表面注入高能量的离子，使其与物体表面的原子或分子发生碰撞，从而改变物体表面的结构和性质。
离子束加工可分为两种方式：离子轰击和离子注入。
离子轰击是指将离子束直接撞击在物体表面，使离子与物体表面的原子或分子碰撞，产生剧烈的动能转换和表面物理或化学反应。
这种反应可用于表面修饰、改变物体的形貌和结构，以及提高物体的耐磨性、耐蚀性和耐高温性能。
例如，在高能量离子轰击下，物体表面的晶格结构可以被破坏，形成无序的表面结构，从而改变物体的性能。
离子注入是指将高能量的离子注入到物体表面的一定深度，改变物体的材料组成和物理性质。
这种方法可用于改变电子器件的电学性能，提高材料的导电性、导热性和机械强度。
例如，在半导体加工中，使用离子注入技术可改变材料的掺杂浓度，从而改变半导体器件的导电性能。
离子束加工广泛应用于多个领域。
在材料科学中，离子束加工可以用于改变材料的物理、化学性质，提高材料的功能性和性能。
例如，离子注入技术可以提高金属的硬度和耐腐蚀性能，用于制作高强度合金和耐高温材料；离子轰击技术可用于表面增强的纳米制备、表面复合材料以及表面涂层的制备。
在纳米科技中，离子束加工可用于纳米材料的制备和调控；在生物医学领域，离子束加工可用于生物材料的表面处理和生物影像技术的加工；在电子器件领域，离子注入技术可用于制作不同类型的半导体器件和集成电路的制作。
然而，离子束加工也存在一些挑战和限制。
首先，离子束加工需要大型设备和高能量离子源，成本较高。
其次，离子束加工过程需要对离子束进行定向和聚焦，技术上存在一定的难度。
此外，离子束加工在处理大面积样品时效率较低，通常适用于小面积样品的加工。
在未来，离子束加工技术有望得到进一步发展和应用。
随着纳米科技、生物医学和电子器件等领域的发展，对材料表面性能的要求越来越高，离子束加工技术将成为一种重要的加工手段。
离子束和等离子体加工
离子束和等离子体加工的原理和特点及这两种加工技术在高精度表面抛光中应用。
1.离子束加工的基本原理所谓离子束抛光, 就是把惰性气体氩、氮等放在真空瓶中, 用高频电磁振荡或放电等方法对阴极电流加热, 使之电离成为正离子, 再用5千至10万伏高电压对这些正离子加速, 使它们具有一定的能量。
利用电子透镜聚焦，将它们聚焦成一细束,形成高能量密度离子流，在计算机的控制下轰击放在真空室经过精磨的工件表面, 从其表面把工件物质一个原子一个原子地溅射掉。
用这种方法对工件表面进行深度从100 埃到10微米左右的精密加工。
2.等离子体加工的基本原理等离子体加工又称为等离子弧加工，是利用电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束，靠局部熔化及气体去除材料的。
等离子体又被成为物质的第四种状态。
等离子体是高温电离的气体，它由气体原子或分子在高温下获得能量电离之后，理解成带正电荷的离子和带负电荷的自由电子，整体的正负离子数目和正负电荷仍相等，因此称为等离子体，具有极高的能量密度。
3. 离子束加工主要的特点（1）属于原子级逐层去除加工，加工精度高（2）加工生产污染小（3）加工应力、变形小（4）加工范围广（利用机械碰撞能量加工）（5）易实现自动化（6）设备复杂、价格贵4. 等离子体加工主要的特点由于等离子体电弧对材料直接加热，因而比用等离子体射流对材料的加热效果好得多。
因此，等离子体射流主要用于各种材料的喷镀及热处理等方面；等离子体电弧则用于金属材料的加工、切割以及焊接等。
等离子弧不但具有温度高、能量密度大的优点，而且焰流可以控制。
适当的调节功率大小、气体类型、气体流量、进给速度和火焰角度，以及喷射距离，可以利用一个电极加工不同厚度和多种材料。
5.离子束抛光的典型应用离子束抛光是 1965 年美国亚利桑那大学的工作人员发现并研制成功的。
目前，美国离子光学公司、法兰克福兵工厂早已研制成功离子束抛光设备，并应用于生产。
此外，日本、英国、法国等国也已开发和研究了这一新技术。
聚焦离子束加工
聚焦离子束加工离子束加工是一种先进的材料加工技术，它通过利用离子束对材料进行加工和改性。
离子束加工具有高精度、高效率、无环境污染等优点，被广泛应用于微电子、光电子、材料科学等领域。
本文将聚焦于离子束加工的原理、应用和未来发展方向，以及它对人类社会的意义。
一、离子束加工的原理离子束加工是利用高能离子束对材料表面进行物理或化学作用，从而改变材料的性质和形状的一种加工技术。
离子束加工主要包括离子束刻蚀、离子束沉积和离子束混杂等过程。
其中，离子束刻蚀是将高能离子束直接轰击材料表面，使表面原子或分子脱离材料，达到刻蚀的目的。
离子束沉积是将高能离子束轰击到材料表面上，使离子束中的原子或分子与材料表面的原子或分子发生反应，形成新的材料层。
离子束混杂是将高能离子束注入材料内部，改变材料的物理和化学性质。
二、离子束加工的应用离子束加工在微电子领域有着广泛的应用。
它可以用于制造微电子器件中的细小结构和通道，提高器件的性能和稳定性。
同时，离子束加工还可以用于修复集成电路中的缺陷，并改善器件的可靠性。
此外，离子束加工还可以用于制备纳米材料、光学器件和生物芯片等领域。
在材料科学领域，离子束加工也发挥着重要的作用。
它可以用于改变材料的表面形貌和性质，提高材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
离子束加工还可以用于制备具有特殊功能的材料，如防反射膜、光学薄膜和超疏水薄膜等。
此外，离子束加工还可以用于材料的改性和合金化，提高材料的性能和应用范围。
三、离子束加工的未来发展方向随着科学技术的不断发展，离子束加工也在不断创新和改进。
未来离子束加工的发展方向主要包括以下几个方面：1. 提高加工精度和效率：通过改进离子束的发射、聚焦和控制技术，提高离子束加工的精度和效率，实现更加精细的加工和更高的加工速度。
2. 开发新的加工方法和工艺：通过研究和开发新的加工方法和工艺，如离子束刻蚀、离子束沉积和离子束混杂等，实现对材料的多功能加工和多层次加工。
3. 探索新的应用领域：开拓离子束加工的新应用领域，如生物医学、能源材料和环境保护等，为人类社会的发展做出更大的贡献。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
离子束加工原理
离子束加工（ion beam machining，IBM）是在真空条件下利用离子源（离子枪）产生的离子经加速聚焦形成高能的离子束流投射到工件表面，使材料变形、破坏、分离以达到加工目的。
因为离子带正电荷且质量是电子的千万倍，且加速到较高速度时，具有比电子束大得多的撞击动能，因此，离子束撞击工件将引起变形、分离、破坏等机械作用，而不像电子束是通过热效应进行加工。
2.离子束加工特点
加工精度高。
因离子束流密度和能量可得到精确控制。
在较高真空度下进行加工，环境污染少。
特别适合加工高纯度的半导体材料及易氧化的金属材料。
加工应力小，变形极微小，加工表面质量高，适合于各种材料和低刚度零件的加工。
3.离子束加工的应用范围
离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射沉积和离子注入等。
1）离子刻蚀
3.离子束加工的应用范围
离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射沉积和离子注入等。
1）离子刻蚀
当所带能量为0.1～5keV、直径为十分之几纳米的的氩离子轰击工件表面时，此高能离子所传递的能量超过工件表面原子或分子间键合力时，材料表面的原子或分子被逐个溅射出来，以达到加工目的
这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。
离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等高精度图形。
2）离子溅射沉积
采用能量为0.1～5keV的氩离子轰击某种材料制成的靶材，将靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜。
实际上此法为一种镀膜工艺。
3）离子镀膜
离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增强镀层与基材之间的结合力（可达10～20MPa），
此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快，目前已获得广泛应用。
4）离子注入
用5～500keV能量的离子束，直接轰击工件表面，由于离子能量相当大，可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。
此法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求注入不同离子（如
磷、氮、碳等）。
注入表面元素的均匀性好，纯度高，其注入的粒量及深度可控制，但设备费用大、成本高、生产率较低。
3 离子束及等离子体加工技术
3.1 现状
表面功能涂层具有高硬度、耐磨、抗蚀功能，可显著提高零件的寿命，在工业上具有广泛用途。
美国及欧洲国家目前多数用微波ECR等离子体源来制备各种功能涂层。
等离子体热喷涂技术已经进入工程化应用，已广泛应用在航空、航天、船舶等领域的产品关键零部件耐磨涂层、封严涂层、热障涂层和高温防护层等方面。
等离子焊接已成功应用于18mm铝合金的储箱焊接。
配有机器人和焊缝跟踪系统的等离子体焊在空间复杂焊缝的焊接也已实用化。
微束等离子体焊在精密零部件的焊接中应用广泛。
我国等离子体喷涂已应用于武器装备的研制，主要用于耐磨涂层、封严涂层、热障涂层和高温防护涂层等。
真空等离子体喷涂技术和全方位离子注入技术已开始研究，与国外尚有较大差距。
等离子体焊接在生产中虽有应用，但焊接质量不稳定。
3.2 发展趋势
离子束及等离子体加工技术今后应结合已取得的成果，针对需求，重点开展热障涂层及离子注入表面改性的新技术研究，同时，在已取得初步成果的基础上，进一步开展等离子体焊接技术研究。
1）复杂零件“保形”离子注入与混合沉积技术研究，获得高密度等离子体方法研究；
2）空间结构焊接工艺参数自适应控制及焊缝自动跟踪系统研究，以及等离子弧焊过程中变形控制技术研究；
3）等离子喷涂陶瓷热障涂层结构、工艺及工程化研究；
4）层流湍流自动转换技术及轴向送粉、三维喷涂技术研究；
5）层流等离子体喷涂系统的研制及其喷涂技术的研究。