离子注入增强金刚石的机械性能

《Diamond and Related Materials》：Ion implantation enhancing the mechanical properties of diamond

摘要离子注入通过形成位错环和晶格畸变区增强金刚石硬度，分子动力学模拟和纳米压痕实验表明位错强化与相变强化共同作用，高剂量注入导致六方相形成，晶格收缩及原子键强化提高杨氏模量。

　　

作者：杜建标、刘汉忠、曹志民、张硕、宗文军

哈尔滨工业大学精密工程中心，中国哈尔滨

摘要

本研究旨在揭示离子注入后金刚石机械性能增强的内在机制。通过对金刚石表面进行离子注入的分子动力学模拟，并对改性金刚石表面进行纳米压痕实验，发现改性金刚石的硬度和杨氏模量受到注入剂量的影响。改性金刚石的强化机制包括相变强化和位错强化的耦合效应。镓离子注入形成的位错环最初被点缺陷固定。纳米压痕过程中产生的剪切应力为位错解离提供了必要的能量，从而触发广泛的位错传播和滑移。增多的位错通过阻碍晶格滑移和原子扩散路径显著提高了金刚石的硬度。镓离子与碳原子之间的尺寸不匹配导致晶格畸变，在注入层内形成局部高压区，这成为金刚石从立方相转变为六方相的驱动力。纳米压痕过程中的高压剪切应变场进一步促进了六方相的成核和生长，从而通过相变硬化增强了材料的强度。此外，镓离子注入还增加了原子间的键合强度并导致晶格收缩，使得弹性模量升高。

引言

由于金刚石具有优异的机械性能，它常被用于超精密加工工具的开发[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。然而，由于工件的高硬度，金刚石工具的机械性能常常受到限制，在切割硬而脆的材料时会产生严重的磨损[7]。这种磨损会对工件的加工质量产生不利影响，显著缩短工具的使用寿命。因此，探索能够改善金刚石材料机械性能的创新技术方法至关重要。

离子注入是一种材料强化技术，通过将高能离子束照射到材料表面来生成改性层，从而提高基底的耐磨性。Stock等人[8]将氮、铬和钛离子以60至180 keV的能量注入单晶金刚石工具表面，注入剂量为1 × 10^17离子/cm^2。经过用含金刚石溶液饱和的青铜轮进行磨削后，含有铬的区域的磨削性能显著下降。然而，这些工具并未经过超精密切割评估。此外，张等人[9]观察到氮离子注入可以显著提高天然金刚石工具的耐磨性。Lee等人[10]随后利用聚焦离子束（FIB）技术改进了单晶金刚石工具，并用它们进行铁基材料的微切割，显著提高了工件的表面质量和改性金刚石工具的耐磨性。根据他们的分析，这些改进归因于工具-切屑界面的切削热量减少以及切割过程的稳定性提高。此外，作者发现耐磨性直接受到注入剂量的影响[11]、[12]。尽管这些研究证实了离子注入可以提高金刚石工具的耐磨性，但它们未能阐明影响改性金刚石机械性能的内在机制。

金刚石的优异机械性能归因于其独特的微观结构。Tong等人[13]向金刚石中注入了高剂量的镓离子（10^20离子/cm^2），发现该剂量使金刚石完全非晶化。实验研究表明，改性金刚石层的微观结构受到注入剂量的影响[14]。这在一定程度上阐明了离子注入对金刚石微观结构的静态影响机制，但尚未能够观察金刚石内部的离子注入过程。目前仍缺乏对离子注入如何影响金刚石微观结构的全面理解。

分子动力学（MD）[15]、[16]、[17]模拟或纳米压痕实验是研究材料机械性能的主要方法[18]。MD模拟能够对纳米压痕过程进行建模，并观察纳米尺度下的微观结构变化和变形行为。以往的研究广泛利用MD模拟来阐明金刚石的特性，包括相变引起的塑性变形[19]、初始塑性[20]和各向异性[21]。Bai等人[22]对金刚石的弹塑性变形过程进行了系统研究，通过分析晶体结构和位错演化，提供了关于金刚石在外应力下机械行为和失效机制的宝贵见解。Wang等人[23]进行了MD模拟，研究了单晶金刚石在纳米压痕下的“双交叉”解理机制。然而，尚未对离子注入后的金刚石进行过模拟纳米压痕研究。

纳米压痕是评估各种材料机械性能的基本方法[24]、[25]、[26]。以往的研究广泛利用纳米压痕来研究金刚石的特性，如各向异性[27]、杨氏模量[28]和硬度[30]。然而，离子注入后的金刚石的纳米压痕行为尚未成为任何文献记录的实验研究对象。

本工作的初始阶段是通过FIB技术制备改性金刚石。随后进行纳米压痕研究，以确定不同离子注入剂量对金刚石硬度和弹性模量的影响程度。此外，还开发了MD模型来模拟离子注入到完美金刚石表面的过程以及在改性金刚石表面的纳米压痕过程。这些模拟旨在阐明离子注入在原子层面增强金刚石机械性能的机制。

部分内容

改性金刚石的制备

首先，通过机械抛光[14]降低金刚石（100）表面的粗糙度（Ra），通过原子力显微镜确认其粗糙度小于1 nm。然后使用FIB-SEM双束系统（Crossbeam 550，ZEISS，德国）进行离子注入。图1展示了镓离子注入区域的示意图。根据作者之前的研究结果[11]，注入能量设定为30 keV，

结果与讨论

材料的机械性能与其在机械应力下的微观变形机制密切相关，这些机制对其性能有显著影响。因此，对改性金刚石的机械性能及其弹塑性变形机制进行彻底分析对于评估改性金刚石工具的使用性能至关重要。本研究首先探讨了改性金刚石的机械性能

结论

通过提高金刚石工具的机械性能，可以增强其耐磨性。本工作的初始阶段是通过FIB技术制备改性金刚石表面。通过纳米压痕测试确定了改性金刚石表面的硬度和杨氏模量。采用MD方法模拟了原始金刚石的离子注入过程和改性金刚石的纳米压痕过程。随后，本研究探讨了

作者贡献声明

杜建标：撰写——初稿。 刘汉忠：方法论、研究设计。 曹志民：资源协调。 张硕：资金筹集。 宗文军：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢河北省自然科学基金（项目编号：52475443和52405465）、河北省教育厅科研项目（项目编号：LH2024E033）、中国博士后科学基金（项目编号：2024M754169）、国家自然科学基金（项目编号：52305517）、河北省自然科学基金（项目编号：E2023203055）、国家自然科学基金（项目编号：52205500）以及河北省的科研项目