《等離子體浸泡式離子注入與沉積技術(shù)》介紹了用于材料表面改性的等離子體浸泡式離子注入與沉積（PⅢD）技術(shù)。主要內(nèi)容包括PHID技術(shù)發(fā)展概況、基礎(chǔ)理論、PⅢD設(shè)備關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)、PⅢD鞘層動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)理論數(shù)值模擬與應(yīng)用以及機(jī)械零件的PⅢD復(fù)合、批量處理工藝與應(yīng)用等�！兜入x子體浸泡式離子注入與沉積技術(shù)》也給出了PⅢD技術(shù)最新進(jìn)展與研究成果。
《等離子體浸泡式離子注入與沉積技術(shù)》涉及多門學(xué)科和技術(shù)，專業(yè)知識(shí)面寬廣，內(nèi)容系統(tǒng)全面，實(shí)用性強(qiáng)，可作為材料科學(xué)與工程相關(guān)專業(yè)本科生和研究生以及從事表面技術(shù)研究、開發(fā)和生產(chǎn)的工程技術(shù)人員的參考書。
第1章 緒論
1．1 離子注入技術(shù)
1．1．1 離子注入技術(shù)的發(fā)展
1．1．2 束線離子注入（ⅠBⅡ）的局限性
1．2 等離子體浸泡式離子注入技術(shù)
1．2．1 等離子體浸泡式離子注入技術(shù)原理
1．2．2 等離子體浸泡式離子注入技術(shù)與離子滲氮技術(shù)的區(qū)別
1．2．3 等離子體浸泡式離子注入技術(shù)與沉積（PIHD）技術(shù)
1．3 束線離子注入與等離子體浸泡式離子注入技術(shù)的比較
1．3．1 PⅢ與ⅠBⅡ技術(shù)的比較
1．3．2 兩種離子注入技術(shù)要素的比較
1．3．3 ⅠBⅡ和PⅢ各自的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用領(lǐng)域
1．4 等離子體浸泡式離子注入與沉積技術(shù)研究現(xiàn)狀
1．4．1 PⅢ過程鞘層動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)理論數(shù)值模擬技術(shù)
1．4．2 脈沖寬度可調(diào)、大面積、強(qiáng)流陰極弧金屬等離子體源
1．4．3 高電壓下慢速旋轉(zhuǎn)油冷靶臺(tái)與組合夾具
1．4．4 減少、抑制靶的二次電子發(fā)射
1．4．5 大功率固態(tài)電路脈沖調(diào)制器技術(shù)
1．4．6 PⅢD內(nèi)表面處理技術(shù)
1．4．7 PⅢD批量、復(fù)合處理技術(shù)
參考文獻(xiàn)
第2章 PⅢ理論基礎(chǔ)與等離子體診斷測(cè)量
2．1 真空與氣體分子運(yùn)動(dòng)論基本概念
2．1．1 真空
2．1．2 氣體分子運(yùn)動(dòng)論基本概念
2．2 等離子體
2．2．1 氣體放電與等離子體
2．2．2 等離子體基本方程
2．2．3 平衡態(tài)性質(zhì)
2．2．4 等離子體動(dòng)力學(xué)
2．3 鞘層
2．3．1 基本概念與理論方程
2．3．2 Bohm鞘層判據(jù)
2．3．3 離子陣鞘層
2．3．4 正離子陣鞘層的形成
2．3．5 動(dòng)態(tài)鞘層的擴(kuò)展
2．4 高能離子與材料的相互作用
2．4．1 離子射程
2．4．2 濃度分布
2．4．3 溝道效應(yīng)
2．4．4 輻射損傷
2．4．5 輻射增強(qiáng)擴(kuò)散
2．4．6 濺射
2．4．7 離子注入表面強(qiáng)化作用機(jī)制
2．5 等離子體及鞘層的診斷與參數(shù)測(cè)量
2．5．1 等離子體診斷與參數(shù)測(cè)量
2．5．2 鞘層擴(kuò)展診斷
參考文獻(xiàn)
第3章 等離子體浸泡式離子注入與沉積設(shè)備
3．1 PⅢD設(shè)備總體結(jié)構(gòu)
3．2 真空處理室
3．2．1 真空處理室?guī)缀涡螤钆c尺寸
3．2．2 真空處理室材料
3．2．3 處理室本底真空度
3．2．4 多極會(huì)切磁場(chǎng)位形
3．2．5 電磁輻射與軟X射線防護(hù)
3．2．6 處理室內(nèi)襯與高壓瓷絕緣柱（套）屏蔽
3．2．7 真空處理室大門
3．2．8 接口
3．3 高真空抽氣系統(tǒng)
3．3．1 真空泵組的選擇
3．3．2 高真空抽氣泵的抽速和泵組配置
3．3．3 真空處理室的氣體流量
3．3．4 供氣系統(tǒng)
3．4 高壓靶臺(tái)及組合夾具
3．5 等離子體源
3．5．1 熱陰極放電
3．5．2 高壓脈沖輝光放電
3．5．3 電容耦合RF放電
3．5．4 電感耦合RF放電
3．5．5 微波放電
3．5．6 間接氣體等離子體源
3．5．7 陰極弧金屬等離子體源
3．5．8 其他等離子體源
3．6 大功率高壓脈沖電源
3．6．1 脈沖調(diào)制器的主要技術(shù)指標(biāo)
3．6．2 脈沖調(diào)制器輸出的平均功率
3．6．3 脈沖調(diào)制器阻抗
3．6．4 開關(guān)裝置
3．6．5 脈沖調(diào)制器控制方式
3．6．6 高壓脈沖調(diào)制器類型
3．6．7 脈沖變壓器
3．6．8 PⅢD系統(tǒng)過程診斷和控制
3．7 PⅢD設(shè)備安全與防護(hù)
3．7．1 電氣安全
3．7．2 可靠接地
3．7．3 PⅢD設(shè)備安全自鎖
3．7．4 電磁輻射安全
3．7．5 真空處理室安全
3．7．6 真空處理室維修安全
3．7．7 壓縮氣體容器
3．7．8 化學(xué)藥品的安全使用
參考文獻(xiàn)
第4章 PⅢ過程的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬
4．1 理論模型
4．1．1 郎謬爾動(dòng)態(tài)鞘層模型
4．1．2 流體模型
4．1．3 Particle—in—cell模型
4．2 典型零部件PⅢ過程的數(shù)值模擬
4．2．1 多個(gè)軸承滾珠的PⅢ處理過程
4．2．2 軸承內(nèi)外套圈PⅢ過程的數(shù)值模擬
4．3 基于脈沖高壓輝光放電的軸承外圈滾道PⅢ批量處理的數(shù)值模擬
4．4 典型零部件PⅢ表面處理工藝參數(shù)的選擇
4．4．1 高壓脈沖幅值的選擇
4．4．2 等離子體密度的選擇
4．4．3 脈沖電壓寬度的選擇
4．4．4 被處理零件合理擺放位置
參考文獻(xiàn)
第5章 PⅢD表面處理工藝及應(yīng)用
5．1 PⅢD表面處理工藝
5．1．1 離子注入工藝
5．1．2 薄膜制備工藝
5．1．3 PⅢD復(fù)合處理工藝及應(yīng)用
5．2 聚合物的PⅢD表面改性
5．3 機(jī)械零件的PⅢD批量處理工藝
5．3．1 平面形狀零件的PⅢD批量處理工藝及應(yīng)用
5．3．2 圓柱形零件的PⅢD批量處理工藝及應(yīng)用
5．3．3 零件內(nèi)表面的PⅢD批量處理工藝及應(yīng)用
5．3．4 球形零件的PⅢD批量處理工藝及應(yīng)用
5．4 改性層表面分析與表面檢測(cè)
參考文獻(xiàn)
結(jié)束語 等離子體浸泡式離子注入與沉積（ PⅢD）技術(shù)前景展望
附錄1 主要英文縮寫
附錄2 主要物理常數(shù)
附錄3 公式
附錄4 單位換算表
材料表面改性是指不改變材料整體特性，僅改變材料表面及近表面層物理與化學(xué)特性的表面處理手段。材料表面改性的主要目的是以最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法改變材料表面及近表面層的形態(tài)、化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，使材料表面獲得新的復(fù)合性能，以新型的功能滿足新的工程應(yīng)用要求。材料表面改性技術(shù)的種類很多，如表面涂層技術(shù)、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、表面形變與相變強(qiáng)化、高能束處理（包括離子束、激光束與電子束）等等。雖然不同的材料表面改性技術(shù)其主要應(yīng)用對(duì)象不完全相同，但是它們或能提高材料表面抗磨損、腐蝕、及疲勞能力；或能改善材料表面潤滑能力、降低表面摩擦系數(shù)；或能改變材料表面電、磁及光學(xué)性能等等。不同的材料表面改性技術(shù)在它們各自應(yīng)用范圍內(nèi)均顯示出了很大的優(yōu)勢(shì)，在多種領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。目前，材料表面改性技術(shù)已形成了一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)，可以說，它已成為支撐當(dāng)今技術(shù)革新與技術(shù)革命，促進(jìn)高新技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要因素[1，2]。
航天航空器精密機(jī)械零部件（尤其是它們的眾多摩擦副）大多在重載荷、強(qiáng)摩擦磨損、高溫差和強(qiáng)輻射等惡劣環(huán)境下工作，有效地延長它們的使用壽命一直被學(xué)者們看作一個(gè)非常重要的研究課題。提高這些機(jī)械零件表面抗磨損與抗腐蝕能力的最簡單方法是在零件表面涂敷一層保護(hù)膜，由此概念出發(fā)，出現(xiàn)了一系列的基于物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）與化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD）的鍍膜技術(shù)。這些傳統(tǒng)的鍍膜技術(shù)顯著地提高了零件表面的硬度、抗磨損能力，特別是抗腐蝕能力。但是，由于膜層與基體之間結(jié)合力較差，在較強(qiáng)的磨損應(yīng)用環(huán)境下膜層易剝落，膜層剝落后將導(dǎo)致零件表面加速磨損。
1．1 離子注入技術(shù)
為了解決膜層剝落的問題，離子注入技術(shù)被用于表面強(qiáng)化處理。離子注入技術(shù)可分為兩大類：一類是束線離子注入，即傳統(tǒng)的離子束離子注入（Ion BeamIon Implantation，ⅠBⅡ），它已有五十多年的發(fā)展歷史；另一類是等離子體浸泡式離子注入（Plasma Immersion Ion Implantation，PⅢ），它是近二十年來發(fā)展的新型離子注入技術(shù)。這兩類離子注入技術(shù)雖然在產(chǎn)生高能離子的技術(shù)與方式上有很大的不同，但是在材料表面改性物理機(jī)理上是類同的，都是高能離子轟擊材料表面，入射的高能粒子與材料近表面層內(nèi)晶格粒子相互碰撞、逐次損失能量，入射粒子與晶格粒子相互作用、相互結(jié)合，在表面及近表面層內(nèi)形成新的化合物相，最終使材料表面及近表面層形態(tài)、形貌、成分、相結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化，從而使材料表面及近表面層的機(jī)械、化學(xué)、物理（電、磁、熱、光及熱學(xué)）等特性發(fā)生顯著變化。
1．1．1離子注入技術(shù)的發(fā)展
在離子注入技術(shù)發(fā)展過程中，LSS（Lindhard，Scharff及Schiott）模型的提出與成功應(yīng)用對(duì)離子注入技術(shù)發(fā)展具有里程碑的意義，起到非常關(guān)鍵的作用。隨著數(shù)值分析技術(shù)、Monte Carlo法模擬技術(shù)的發(fā)展，Ziegler、Biersack和Littmark三人在LSS模型基礎(chǔ)上經(jīng)過不斷改進(jìn)與完善，提出了ZBL模型，由此逐步形成了注入離子的基本理論：注入離子射程分布理論、照射期間離子能量損失理論、照射產(chǎn)生的輻射損傷分布理論以及在菲晶態(tài)與晶體內(nèi)不同離子穿透特性（隧道效應(yīng)）理論。在這些基本理論指導(dǎo)下離子注入技術(shù)獲得了飛速發(fā)展。自20世紀(jì)60年代束線離子注入機(jī)成功地用于半導(dǎo)體材料處理和集成電路制作以來，束線離子注入（ⅠBⅡ）技術(shù)在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用獲得了巨大成功，形成了獨(dú)特的離子注入微細(xì)加工技術(shù)，有力地推動(dòng)了整個(gè)電子工業(yè)的迅速發(fā)展；70年代初，用于半導(dǎo)體材料處理的離子注入機(jī)成功地用于金屬材料表面改性，顯著地提高了材料表面硬度、耐磨損與抗腐蝕能力，大大促進(jìn)了IBH技術(shù)在非半導(dǎo)體材料表面改性方面的發(fā)展，IBII技術(shù)也迅速走向非半導(dǎo)體材料領(lǐng)域內(nèi)的商業(yè)應(yīng)用。80年代，多種型號(hào)的離子注入機(jī)投向了非半導(dǎo)體材料表面改性的商業(yè)應(yīng)用，其最大離子流達(dá)10mA，真空處理室直徑達(dá)60cm，長可達(dá)120cm[3-5]。
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