引言現(xiàn)如今在航天領域、軍事領域等先進領域?qū)τ诟呔芏攘慵男枨蠛蛻枚荚絹碓蕉?。機械零件磨損是影響機械質(zhì)量、使用壽命和安全性等的重要因素,是影響各領域技術成長的決定性因素之一。對于部分微小零件，它們的制作工藝十分困難、各方面數(shù)值要求十分精細，較難把控，這些微小零件在使用時需要保證表面光潔，不允許有任何瑕疵，保持零件光潔、高耐磨性、增加耐用性也一直都是各個機械行業(yè)追求的目標。但是目前，由于國外技術的封鎖，我國的高精密零件微米級磨損定量測量還是一個尚未很好解決的問題。近年來，遠在日本的基恩士通過使用“實時濃淡補正技術”實現(xiàn)了對軸承鋼珠表面部分缺陷實現(xiàn)了的檢測。1998年，清華大學的鄒茜、黃平等人也提出了一種非接觸式、高精細測量磨損量的新方法，即現(xiàn)在為人熟知的磨痕光測法，他們實驗采集磨痕的光干涉圖象，在通過計算機進行一定的圖象處理，最后實現(xiàn)對磨損量的測量。但他們的測量方法需要編制復雜的干涉條紋銳化程序，而且對比較模糊的干涉條紋可能導致銳化失敗。上海大學理學院則利用Gamma技術對不同光照條件下帶鋼表面的缺陷檢測進行了研究，通過X射線對鋁管表面的缺陷檢測的研究也由西安廣播電視大學做出實驗。據(jù)我調(diào)研情況顯示，離子注入技術對于部分零件的耐磨性有很大改善，可以降低部分零件的磨損率，我在使用不同的離子注入樣本實驗中探究離子注入對于樣品的磨損率的影響。根據(jù)我對國內(nèi)外的檢索，本論文首次用干涉法和ps法測量不同離子注入樣品的干涉條紋畸變區(qū)的像素或面積，再用相對像素或面積來比較不同樣品的耐磨性，以此達到對輕微磨損的一種定向測量。相比較于其他的方法，本方法的特色是準確性和便捷性的較好結(jié)合。

二．離子注入2.1離子注入原理離子的注入是指在離子注入機中將各種所需的離子加速成具有幾萬甚至幾百萬電子伏特能量的載能束，并注入于固體材料的表面層。離子注入將引起材料表面的成分和結(jié)構(gòu)的變化以及原子環(huán)境和電子組態(tài)等微觀狀態(tài)的撓動，由此導致材料的各種物理、化學或力學性能發(fā)生變化。離子注入技術有著極好的可控制性。以至于其可以精準的人為把控摻雜離子的濃度和調(diào)整摻雜離子的能量大小。注入離子和退火的溫度相對較低的。減少了由于高溫帶來的危害。離子注入還可以同時注入多種價態(tài)的離子，充分擴大了摻雜的選擇范圍。離子注入中還可以通過相關器件控制雜質(zhì)的純度。2.2離子注入的適用范圍借助于電場力將外來元素以離子的形式注入到基體中就是離子注入的過程。它不是是一個平衡過程，所以這讓它不受限制于任何熱力學條件，例如擴散系數(shù)、固溶度或熱平衡等。理論上是可以在某一固體中注入任何元素。我們可以利用這種方法得到一些不同于平衡結(jié)構(gòu)的特殊物質(zhì)。通常情況是在常溫或低溫下進行離子注入的。為了保證表面處理中無氧化和脫碳現(xiàn)象，整個過程均在真空中進行。在離子注入后樣品仍能保持原有的尺寸精度和表面粗糙度，一般情況下是測不出工件細微的尺寸變化的。離子注入技術控制的是電參數(shù)，通過控制注入離子的能量和劑量這兩個獨立的參量，以此來調(diào)整濃度分布以及注入深度。在離子注入過程中，是成束狀到達工件的，是直射和斜射的。僅有離子束能直接進行撞擊的那部分表面才能完成離子注入。離子束撞擊表面時應盡量避開掠射來保證離子注入有效，采用大的入射角。如果離子是垂直注入表面，即入射角等于0度，則大部分離子將進入表面層內(nèi)。如果離子束以小角度入射，則離子停在表面附近，并且由于濺射效應，大部分注入離子又將濺射掉。2.3離子注入的應用離子注入技術是半導體通訊技術的基礎，主要目的是用于半導體器件的摻雜從而改變注入靶向材料的表面性質(zhì)以便于在光通信領域技術的發(fā)展。隨著離子注入設備的發(fā)展，離子注入的可控性和精確性也越來越強。這樣研究人員就可以根據(jù)實際需要進行控制變量來設置相關參數(shù)，實現(xiàn)符合自己要求的離子注入實驗。在超大規(guī)模的集成電路中，離子注入技術更是首選的摻雜技術手法。離子注入技術能夠使離子束垂直的注入，使得其橫向擴散較小。這樣就可以使得電路集成度更高。所以離子注入技術在半導體光通信中應用越來越廣泛成為不可或缺的重要技。在大部分的半導體光通信企業(yè)的生產(chǎn)過程中都配備了離子注入機。隨著科技的進步，科研人員對金屬表面性質(zhì)的要求也越來越高，比如耐磨性、抗腐蝕性等相關性能需要提高，已成目前的重點研究內(nèi)容。離子注入技術可以不同程度提高金屬材料的硬度和強度等相關性質(zhì)。在生物改良中也可以運用到離子注入技術，通過生物體作用和低能離子產(chǎn)生輻射，進而產(chǎn)生遺傳性變異。最后離子將會停留在生物體內(nèi)對生物產(chǎn)生相關影響。離子注入還可以改變植物的不親和性。離子注入技術的發(fā)展正不斷克服自身的缺陷從而獲得進步。2.4離子注入對本文研究的作用離子注入是將高能離子注入到材料表面中的一種改性技術，使用合理的話可以大幅提高樣品硬度和疲勞強度。樣品材料表面經(jīng)過離子注入之后，改性層與基體之間無明顯界面，力學性能從基體到注入層是連續(xù)的，消除了涂層在制備時的缺陷，可提高涂層的結(jié)合力，由于膨脹系數(shù)不匹配和結(jié)合力不強等問題也能得到很好的改善，有利于涂層的沉積，提高涂層的硬度、耐磨性等綜合性能。本文在離子注入的基礎上研究對樣品耐磨性的影響，借助等厚干涉法和ps法研究不同樣品得輕微磨損。三.等厚干涉法及干涉顯微鏡3.1等厚干涉原理\t"/item/%E7%AD%89%E5%8E%9A%E5%B9%B2%E6%B6%89/_blank"薄膜干涉可以分為=\t"/item/%E7%AD%89%E5%8E%9A%E5%B9%B2%E6%B6%89/_blank"等傾干涉和等厚干涉。等厚干涉是由平行光入射到厚度變化均勻、\t"/item/%E7%AD%89%E5%8E%9A%E5%B9%B2%E6%B6%89/_blank"折射率均勻的薄膜上、下表面而形成的干涉條紋。薄膜厚度相同的地方形成同條干涉條紋，故稱等厚干涉。等厚干涉的一個最經(jīng)典的例子就是牛頓環(huán)。如圖當一個曲率半徑很大的平凸透鏡的凸面放在一片平玻璃上時，兩者之間就形成類似劈尖的劈形空氣薄層，當一束平行光ab入射到厚度不均勻的透明介質(zhì)薄膜上，在薄膜的表面上會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。從上表面反射的光線b1和從下表面反射并透射出上表面的光線a1在B點相遇，由于a1、b1有恒定的\t"/item/%E7%AD%89%E5%8E%9A%E5%B9%B2%E6%B6%89/_blank"光程差，因而將在B點產(chǎn)生干涉。若平行光束ab垂直入射到薄膜面，即i=r=0，薄膜厚度為d，則a1、b1的光程差為：δ=2nd+λ/2，式中λ/2一項是由于光線從\t"/item/%E7%AD%89%E5%8E%9A%E5%B9%B2%E6%B6%89/_blank"光疏介質(zhì)到光密介質(zhì)而產(chǎn)生的\t"/item/%E7%AD%89%E5%8E%9A%E5%B9%B2%E6%B6%89/_blank"半波損失。在科學研究和工業(yè)技術領域等厚干涉都得到了廣泛的應用,特別在光波波長測量、微型器件表面質(zhì)量控制、測量光學玻璃的應力、試件表面光潔度檢驗、液體折射率測量和半導體技術中硅片中氧化層的厚度測量等都有等厚干涉的應用。3.2干涉顯微鏡原理干涉顯微鏡是根據(jù)光波干涉原理設計制造出來的。如圖中(a)為其光學系統(tǒng)示意圖。由光源1發(fā)出的光線經(jīng)聚光鏡2、濾色片3、光闌4及透鏡5后成平行光束，射向半反半透的分光鏡7后分成兩束：一束光線通過補償鏡8、物鏡9到平面反射鏡10，被10反射又回到分光鏡7，再由7經(jīng)聚光鏡11到反射鏡16，由16進入目鏡12；另一束光線向上通過物鏡6，投射到被測零件表面，由被測零件表面反射回來，通過分光鏡7、聚光鏡11到反射鏡16，由16反射也進入目鏡12。這樣，在目鏡12的視場內(nèi)可以觀察到這兩柬光線因光程差而形成的干涉帶圖形。若被測試樣表面粗糙不平，則干涉帶將如(b)所示的彎曲狀；(c)為干涉顯微鏡的外形示意圖。在通過干涉顯微鏡觀察物體表面的時候，表面上如果有凸起或凹陷，那么干涉條紋會在視場中此凸(凹)部分形成像，也會形成相應的彎曲，彎曲量定義為ΔN(單位為條紋間隔數(shù)量）。干涉顯微鏡就是用測量干涉條紋在視場中的彎曲量，反過來推算出該目標零件表面的凹凸程度。測量精度可以在使用單色光后更精確一些。正因如此，儀器會備有綠色得濾光片，其作用就是移除或移入光路。由于單色光相干性能較好．便于尋找干涉條紋，所以使用儀器時應先將濾光片移入光路中。反射鏡S3。亦可移入光路，以便通過照相鏡頭O4記錄干涉條紋。目鏡O8在分劃板上有一狹縫，即只截取工件表面細長的一部分，然后經(jīng)直視棱鏡色散形成所謂的等色級條紋，以便對加工粗糙的或者呈粒狀的工件表面產(chǎn)生規(guī)則的干涉條紋，便于測定。如果擋住射向標準反射鏡的一光路，則工件P2表面經(jīng)物鏡o2成像在B處，即在視場中能看到試樣表面的像。它與工件表面的微觀平面度形成的干涉條紋一一對應。此即為干涉顯微鏡用于試樣微小高度差測量的原理。由于干涉顯微鏡可以將直射的光(視野中\(zhòng)t"/item/%E5%B9%B2%E6%B6%89%E6%98%BE%E5%BE%AE%E9%95%9C/_blank"背景光)與經(jīng)物體衍射的光分開；將大約一半的波長從相位中除去，使之不能發(fā)生相互作用，從而引起強度的變化。所以干涉顯微鏡可以測量試樣表面的粗糙度。在進行試樣表面粗糙度的測量時，若被測試樣表面粗糙不平，干涉帶即成彎曲狀。由測微目鏡讀出相鄰量干涉帶距離口及干涉帶彎曲度b。因光程差每增加半個波長，即形成一條干涉帶，故被測試樣表面微觀的不平度的實際高度為。式中，τ為光波的波長。3.2實驗思路在本文實驗中保證同一磨損條件下，對四種不同的樣品（未注入樣品、碳離子注入樣品、鉭離子注入樣品、碳離子和鉭離子注入樣品）分別進行磨損，通過干涉顯微鏡得到四個磨損表面的干涉照片，在白紙上描出四種情況下的條紋形狀，每一種情況選擇三條相對清晰地條紋，然后拍成照片導入用ps，使用ps軟件的直方圖測出不同樣品的干涉條紋區(qū)的像素或面積，最后用相對像素或面積來比較不同樣品的耐磨性。其中需要注意的是在拍照時需要保持一致的光照度，而且在計算干涉條紋區(qū)像素或面積時，遇到間斷點或磨痕邊緣有凸起時，應該也要把凸起的部分像素或面積也算進去。四．測量輕微磨損我選用的樣品是已經(jīng)處理好的碳離子注入樣品、鉭離子注入樣品、碳離子+鉭離子注入樣品和未處理樣品。在保證磨損試驗條件的一致前提下，可以攝得在樣品表面形成磨痕（如圖所示），其中左側(cè)為未處理樣品的磨損痕跡，右側(cè)為離子注入樣品的磨損痕跡以此用來比較得出實驗結(jié)果。圖14.1干涉顯微鏡的攝影首先對干涉顯微鏡進行基礎調(diào)整，打開電源開關，讓干涉顯微鏡通電，在不使用情況下讓干涉顯微鏡預熱15-30分鐘。隨后緩緩轉(zhuǎn)動手輪直到目視的位置，再通過轉(zhuǎn)動手輪讓遮光板移出光路，這時我們就可以直接從目鏡可看到光亮的視場。如果發(fā)現(xiàn)視場有亮度分布不均勻的情況，可通過轉(zhuǎn)動螺釘來調(diào)節(jié)到可以看到均勻亮度的視場。轉(zhuǎn)動手輪，直到看到清晰地視場中下方的弓形直邊，將螺釘松開，在取下目鏡后，可以通過目鏡管直接觀察到兩個清晰地燈絲象。把孔徑光闌調(diào)整至最大，邊觀察邊轉(zhuǎn)動上面的手輪，讓兩個燈絲象完全重合為止。在工作臺上放上被測工件，被測表面必須要向下對準物鏡。轉(zhuǎn)動手輪讓標準鏡被遮光板遮住，推動滾花輪，可以將工作臺隨著滾輪沿任意方向移動，轉(zhuǎn)動滾花輪可以控制工作臺上升或降低，一直到視場中可以觀察到清晰的被測物體的表面影像，再轉(zhuǎn)動手輪，把遮光板移出光路。再尋找到干涉顯微鏡的干涉帶，這時候換單色光，來來回回慢慢的轉(zhuǎn)動手輪，直到可以在視場中觀察到清晰的干涉條紋為止。最后轉(zhuǎn)動滾花輪，旋轉(zhuǎn)工作臺，調(diào)節(jié)加工痕跡垂直干涉條紋的方向，將螺釘松開，轉(zhuǎn)動目鏡，使視場中干涉條紋平行于十字線中的一條直線，最后固定緊目鏡即可。完成基本調(diào)整后，分別把形成磨損痕跡的樣品放入干涉顯微鏡進行觀察，攝得四個不同樣品的干涉照片（圖2所示）。從左到右分別是碳離子注入樣品、鉭離子注入樣品、碳離子+鉭離子注入樣品和未處理樣品。圖24.2條紋形狀繪圖在白紙上描出四種條紋的形狀，每一種情況都選取三條相對清晰的條紋進行描繪。在同一照度下，對四個條紋進行攝像，方便在ps軟件中測量像素點。為了減小作圖誤差，我制作了一個確定半徑的圓形卡片，把它分別和各個條紋放在一起，用圓中的像素進行校正。在繪圖時應盡量畫的大一點，可以減少一定的誤差，作為標準圓的面積盡量與條紋所圍成的面積相近，這樣也可以將誤差縮小至最小。繪圖如下圖所示，圖1為碳離子注入樣品條紋；圖2為鉭離子注入樣品條紋；圖3為碳離子+鉭離子注入樣品條紋；圖4為未處理樣品條紋。圖1圖2圖3圖4每張條紋圖選擇三條最清晰的條紋繪圖，共12個。四種繪圖所圍成的圖形即為將要導入ps進行測量的圖形。4.3PS軟件測量像素點將四種不同樣品的繪制圖（共12個）導入ps軟件，打開并使用ps軟件的直方圖工具，測量選定區(qū)域內(nèi)像素點總數(shù)。（一）測量碳離子注入樣品條紋的三條清晰條紋的像素點數(shù)值：可讀取三個像素分別為95279、102077、68667，計算三個條紋的平均像素值為。測量鉭離子注入樣品條紋的三條清晰條紋的像素點數(shù)值：可讀取三個條紋的像素分別為93774、112712、88656，計算三個條紋的平均像素值為。測量碳離子+鉭離子注入樣品條紋的三條清晰條紋的像素點數(shù)值：可讀取三個條紋的像素分別為76592、83462、75844，計算三個條紋的平均像素值為。測量碳離子+鉭離子注入樣品條紋的三條清晰條紋的像素點數(shù)值：可讀取三個條紋的像素分別為77388、86983、96903，計算三個條紋的平均像素值為。分析：對比四種不同的樣品結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，鉭離子的注入明顯降低了樣品的條紋的平均像素值，可見鉭離子的注入是有減小磨損率的效果的。而碳離子的注入反而增大了磨損率，相比較未經(jīng)處理樣本而言，條紋平均像素值上升了不少。最后對于鉭離子和碳離子雙離子注入樣本，平均像素值有了大幅的降低，可見不僅減小了摩擦，甚至降低了大量的磨損率，對于控制零件的磨損率有很大的效果。4.4不同樣品的像素點對比結(jié)果為了提高樣品的耐磨性，對不同離子注入的研究結(jié)果表明：在注入工藝參數(shù)上，鉭離子注入降低了摩擦，但沒有很明顯的明顯降低磨損。摩擦減少應該是因為重離子注入引起的“離子輻照平滑”。耐磨性差是由于“厚度極限”造成的。鉭離子和碳離子的雙注入樣本不僅減少了摩擦，還減少了大量的磨損率。耐磨性的提高推測應該是因為鉭離子和碳離子的雙離子注入產(chǎn)生TaC，大大降低了磨損率。

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