5、材料工程中的离子束技术概述

材料工程中的离子束技术概述

1. 脉冲离子束

脉冲离子束在材料表面工程领域展现出了强大的应用潜力。高强度脉冲离子束（HIPIB）能够对金属、陶瓷和玻璃表面的前几微米进行快速热处理。这一处理过程基于束流与材料的相互作用，具体表现为被辐照表面顶层的重熔和/或烧蚀，即极端表面加热效应。在离子束脉冲终止后，熔融状态会以超快的再凝固速率冻结。

短脉冲长度可以实现部分熔化，随后进行淬火。通过改变离子能量和种类，可以控制处理深度。这种离子束表面处理（IBEST）工艺能够通过快速熔化和再凝固来提高表面的硬度、耐腐蚀性、耐磨性和抗疲劳性能。能量在薄表面层中的高效沉积使得只需相对较小的能量（通常为 1 - 10 J/cm²）就能熔化该层，并通过热扩散到下层基底实现快速冷却和再凝固。典型的冷却速率（约 1 × 10¹⁴ K/sec）足以导致非晶化和细晶粒层的形成，以及产生包括纳米晶和亚稳相在内的新微观结构，如镁合金的情况。

在高强度脉冲离子束辐照下，钛合金和 ZrO₂ - Y₂O₃ 涂层的表面平滑和重构是典型的结果之一。表面形态的变化对材料整体性能的提升有显著贡献。

2. 团簇束

团簇束为纳米制造带来了独特的能力，其独特性不仅源于离子的原子尺寸，还在于离子在物质中的能量损失细节。高能团簇束有望大幅拓宽纳米制造的能力。然而，团簇离子在物质中的能量损失在实验上尚未详细研究，理论上也未完全理解。例如，考虑到团簇中原子间距离远大于原子尺寸，尚不清楚团簇离子的微分能量损失是否等于其组成离子的微分能量损失之和。实验上需要回答的问题是，在相同离子速度下，碳二聚体的微分能量损失是碳离子的两倍，还是与镁离子相同。

当一个包含两个原子的高能离子（二聚体）进入