载能离子束技术
编者按 载能离子束技术是一种多学科交叉的新型技术, 研究内容涉及物理、化学、材料和核科学等许多学科领域, 在机械、电子和航空航天等领域有广泛的应用前景. 载能离子束在离子能量损失过程中, 与材料发生原子尺度的一系列物理和化学相互作用, 不仅可以用来进行离子束分析和离子束加工, 还可以形成独特的亚稳态组织结构, 提高材料的表面性能. 近年来, 利用沉积粒子自身载能特性的离子束沉积技术受到人们广泛的关注, 这是因为离子束沉积不仅可以形成亚稳态结构, 还可以利用离子束与材料相互作用优化涂层材料的组织结构, 从而显著提高涂层的性能. 本刊组织的“载能离子束技术”专题, 研究内容可以大致划分为如下三个方面: (1) 采用磁过滤真空弧沉积技术制备优质耐腐蚀、耐磨损和耐高温蒸汽氧化涂层以及这些涂层材料物理性质的研究；(2) 采用高功率脉冲磁控溅射沉积技术制备优质涂层及这些优质涂层材料特殊性质的研究；(3) 离子激发发光原位分析氧化锌和氟化锂材料的离子辐照行为研究. 希望这个专题能够为国内外载能离子束技术研究领域的学术交流和发展做一些贡献, 推动载能离子束技术在更多学科和领域的推广和应用.
2020, 69 (10): 102901.
doi: 10.7498/aps.69.20200029
摘要 +
在北京师范大学GIC4117 2 × 1.7 MV串列加速器上, 利用离子激发发光(ions beam induced luminescence, IBIL)技术研究了2 MeV H+注入ZnO的缺陷变化及473和800 K退火处理对缺陷的恢复作用. 实验表明, 在2 MeV H+的辐照下, 晶体内部产生的点缺陷会快速移动、聚集成团簇, 从而抑制发光. 473 K退火后的受辐照ZnO晶体内仍存在着大量的缺陷和团簇, 而这些缺陷和团簇作为非辐射中心抑制着ZnO晶体的发光. 800 K的退火处理可以显著地分解辐照过程中形成的团簇, 也可以帮助点缺陷回到晶格位置, 从而减少晶体内部的不平衡缺陷, 提高晶体的结晶度, 使退火后的受辐照ZnO样品IBIL光强大幅度增强.
2020, 69 (10): 107202.
doi: 10.7498/aps.69.20200012
摘要 +
本文基于新型的磁过滤沉积技术(FCVA)研究了TiAlCN/TiAlN/TiAl多元复合涂层结构及不同C含量对其防腐耐磨性能的影响. 同时使用SEM, XRD, XPS, 电化学测试和摩擦磨损设备对其宏/微观性能进行了系统表征. 实验结果表明: 随C含量增加, C元素的存在形式从TiAlCN固溶相转化为TiAlCN固溶/非晶碳共存. 典型的TiAlCN固溶/非晶碳纳米复合结构TiAlCN/TiAlN/TiAl涂层不仅具有超高硬度和高韧性, 而且涂层中均匀无特征结构的非晶碳具有优异的自润滑效果, 通过结合各层的优势, 该结构涂层在3.5%NaCl电化学腐蚀试验中, Ecorr提高了5.6倍, 为0.271V, Icorr降低为原来的1/52, 为8.092 × 10–9 A·cm–2; 在干摩擦实验中, 摩擦系数降低了1/3, 为0.43, 磨损率降低了1/1.4, 为1.13 × 10–5 mm3·N–1·m–1.
2020, 69 (10): 108101.
doi: 10.7498/aps.69.20200021
摘要 +
掺氮类金刚石薄膜在生物应用中很有前景, 研究其摩擦和腐蚀的协同作用有很大的实际意义. 论文使用高功率脉冲磁控溅射(high-power impulse magnetron sputtering, HiPIMS)技术, 在奥氏体不锈钢和单晶硅片上以Ar气和氮气为前驱气体, 室温下制备了致密的掺氮类金刚石薄膜. 使用配备三电极电化学池的往复型摩擦磨损试验机, 在Hank’s平衡盐溶液中研究了不同靶脉冲持续时间制备的薄膜的摩擦腐蚀性能, 并在滑动之前、期间和之后监测了薄膜的开路电位(open circuit potential, OCP). 电化学工作站用于表征摩擦前薄膜的电化学行为. 结果表明: 60 μs制备的掺氮类金刚石薄膜展示了优异的耐磨蚀性能, 其摩擦系数最低(0.05)且在摩擦阶段OCP显示了最高的稳定值(39 mV), 这主要归功于其致密的结构和较大的表面能; 而90 μs下制备的薄膜由于可以形成交联结构的sp3键含量明显下降, 从而导致薄膜孔隙率增加, 薄膜的抗腐蚀性下降, 在磨蚀过程中由于电解液在孔隙的腐蚀使得薄膜/基体的界面结合强度减弱, 在摩擦的综合作用下, 薄膜脱落, 发生失效.
2020, 69 (10): 108103.
doi: 10.7498/aps.69.20200036
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极端服役条件的出现对涡轮喷气发动机压气机叶片防护涂层提出了越来越高的性能要求, 具备厚且韧, 同时满足结合力高且耐磨性好的硬质涂层是未来极端服役环境下的潜在涂层. 本文利用磁过滤阴极真空弧技术在304L不锈钢基底上成功地沉积了厚且韧的TiN硬质涂层, 并利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪等对涂层的形貌、结构和性能进行了研究. 实验结果表明: 沉积过程中, 对TiN涂层进行周期性地高能离子轰击处理, 能够实现TiN大晶粒抑制, 降低涂层内应力, 使TiN涂层实现连续生长, 涂层的厚度可达到50 μm, 沉积速率接近0.2 μm/min; 同时控制N2气流量不变生成稳定的非化学计量TiNx, 使TiN涂层具有一定的韧性. 制备的TiN涂层属于超硬涂层, 硬度和弹性模量最高分别可达到38.24和386.53 GPa; TiN涂层的结合力良好, 压痕无剥落形貌和径向裂纹, 涂层的韧性优良; TiN涂层的$ H/E^* $ 和$ H^3/E^{*2} $ 值最高可达到0.0989和0.3742; 厚且韧的TiN硬质涂层表现出优良的耐磨性, 摩擦系数最低为0.26.
2020, 69 (10): 107801.
doi: 10.7498/aps.69.20200020
摘要 +
在BNU400注入机上搭建的离子激发发光(ion beam induced luminescence, IBIL)测量装置上, 开展了相同能量(100 keV)条件下的3种离子(H+、He+以及O+)辐照氟化锂材料时的IBIL光谱的原位测量工作, 对比研究离子种类对氟化锂材料辐照缺陷的生成及其演变行为的影响. 结合SRIM(Stopping and Range of Ions in Matter)模拟的结果, 可以发现He+辐照时的IBIL光谱强度最高, 这是由于He+激发产生的电子空穴对密度高于H+,而O+辐照时由于激发出的电子空穴对密度过高引起的非辐射复合比例增加, 从而导致发光效率过低; 质量数越大的离子辐照时, 核阻止本领越大, 会加快缺陷的生成和湮灭速率, 降低达到平衡状态时的发光强度. 近红外波段的$ \rm F_3^{-}/F_2^+ $ 色心发光峰强度及其演变行为表明其耐辐照性能好于可见光波段的F2色心.
