基于互不固溶膜基体系界面结合的离子束辅助轰击注入基体表面改性研究

Aimed at the immiscible film/substrate system, with the idea of "pile foundation" in architecture field, the modification of wettability, lattice and mismatch in thermal expansion coefficients will be studied by ion beam assisted bombarding injection atomic technology on the Mo-substrate, to enhance the adhesive strength between the Ag film subsequent deposited by magnetron sputtering(MS) and Mo-substrate. At the same time, the third will not be used besides film element or substrate element, to avoid the negative impact on the film’s function and processing procedure by the interface of the transition layers. Ion beam assisted bombarding is different from ion beam assisted deposition and ion implantation, not only it has the injection effect, but also the injected atoms will form the concentration gradient in the substrate surface. Through the analysis of the physical mechanism of the Ag atom’s injection process by ion beam assisted bombardment, the distribution model building of the atoms in the substrate surface was established, which will realize the effective control of the distribution by the technological parameters. The relationship between the interfacial adhesive strength of the films to the substrate and the atomic distribution in Mo-substrate surface was built, to reach the effects of the foundation stabilization adaptive to this "architectural design" based on the functional film, which will provide the theoretical guidance for preparation and development of Ag(films)/Mo metal composites with higher adhesion strength.

基于互不固溶膜基体系，借助建筑领域“桩基础”概念，采用离子束辅助轰击注入膜原子技术对基体表面进行浸润性、晶格和热膨胀匹配性的改性，以增强随后沉积的功能薄膜结合强度，同时在膜基之外不引入第三种元素，避免过渡层界面对薄膜功能和加工施加不良影响。离子束辅助轰击注入不同于离子束辅助沉积和离子注入，它不仅具有注入效应，而且注入原子可在基体表层形成梯度分布。通过分析离子束辅助轰击下膜原子注入的物理机制，构建膜原子在基体表层分布模型，从而实现工艺参数对这种分布进行有效调控；建立膜基结合强度与膜原子在基体表层分布的关系，达到针对功能薄膜这种“建筑”设计制备与之相适应的稳定“地基”效果，为研制开发高膜基结合强度Ag/Mo金属复合材料提供理论指导。

离子束辅助沉积技术（IBAD）作为一种非平衡的动态混合手段在材料的表面改性方面已经获得了极为广泛的应用。通过荷能离子的轰击作用，为沉积的薄膜材料提供额外的能量，有助于提升其光学、力学、电学等方面的诸多性能，特别是针对互不固溶的膜基体系，IBAD技术还有可能使互不固溶元素之间形成亚稳态非晶合金，同时离子注入与沉积原子的反冲共混形成界面共混层的宽化，起到增进界面结合强度的作用。.本项目专注于IBAD技术在Mo、GH4169合金等不同衬底中的实际应用，探讨了离子束辅助轰击下膜原子注入的物理机制，构建了膜/基界面的物理模型，并获得了膜基结合强度与辅助离子束能量的影响规律，为IBAD技术在Ag/Mo复合材料的研发和GH4169合金表面改性等方面的应用研究提供了一定的理论指导。.研究表明，离子束辅助轰击在膜/基界面处形成了粒子混合与注入的复合界面，界面层厚度可以达到200nm以上，通过调控离子束能量可以有效的提升膜/基界面结合强度，当离子束能量为30keV时，界面结合强度达到了30MPa；基于沟道效应相关理论，研究了辅助荷能离子束轰击对沉积薄膜择优取向的影响规律，氩气气氛下仅采用磁控溅射镀制的Ag薄膜呈现（111）择优取向，而以IBAD技术先沉积Ag同质过渡层，在此基础上继续采用磁控溅射获得的Ag薄膜呈现出（200）择优取向；在离子束辅助轰击粒子注入的应用研究方面，针对低轨空间环境用飞行器太阳电池互连材料的需求，设计并制备了Ag/Mo复合互联材料，并冲裁成互连片元件交付用户单位进行检测试用；针对GH4169合金在空间飞行器、核能等领域的应用，采用离子束辅助轰击Ag粒子注入技术，合金表层峰值硬度接近13GPa，并且由于形成了连续的Ag膜和氧化层，使磨损机制由磨粒和黏着磨损转变为氧化和黏着磨损，提高了GH4169合金的耐磨性；在此基础上，进一步探索了Ag-Mo双粒子注入GH4169合金的摩擦学性能，得益于层状结构的且易形成银润滑层的Ag2MoO4相生成，合金表面的磨损率仅有1.22×10-4 mm3·N-1·m-1，相较于单独注入Ag粒子或Mo粒子的试样，其耐磨性得到了更为明显的提升。