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，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]。 
    ……