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掃描電子顯微鏡(SEM)引領材料人探秘微觀世界!

2018-12-20  瀏覽量:1396

人類智慧促使著科技不斷發展,從而開始了我們對於現存空間的無限探索。

大到宇宙蒼穹,小到微觀世界,我們沈醉於浩瀚星河的磅礴壯闊,也癡迷於微觀材料世界的奇妙引力。

 

(圖片來源:圖行天下)(圖片作者:寧玫)

 

沒有什麽能阻擋我們探秘的步伐,今天,我們就借用掃描電子顯微鏡來走進材料的微觀領域,感受科學技術的力量!

我們首先壹起來簡單了解壹下,什麽是掃描電子顯微鏡?它是憑借什麽優勢來帶領我們探秘微觀世界的!

 

五十路

掃描電鏡(Scanning Electron Microscope ,簡稱SEM)利用電子束打在樣品表面逐點掃描,與樣品作用產生各種信號,這些信號經檢測器接收、放大並轉換成調制信號,最後在顯示屏上反映樣品表面各種特征的像,且有強烈的立體感。

 

掃描電子顯微鏡的原理

掃描電子顯微鏡是壹個復雜的系統,濃縮了電子光學技術、真空技術、精細機械結構以及現代計算機控制技術。

 

SEM工作圖

 

掃描電子顯微鏡是在加速高壓作用下將電子槍發射的電子經過多級電磁透鏡匯集成細小的電子束。

 

電子發射圖  

 

二次電子探測圖

 

背散射電子探測圖

 

EBSD成像過程

以上動圖來源:材料測試

在試樣表面進行掃描,激發出各種信息,通過對這些信息的接收、放大和顯示成像,以便對試樣表面進行分析。

 

掃描電子顯微鏡的結構

 

SEM 的結構示意圖

結構: SEM 主要包括電子光學系統、電子系統、顯示部件和真空系統組成。

電子光學系統:主要包括電子槍、電磁透鏡、掃描線圈和樣品室。

電子系統:主要包括電源系統和檢測系統。電源系統主要是指各種部件的電源,如加速電壓電源、透鏡電源和光電倍增管電源等。檢測系統主要由探測器、信號放大器和電信號處理器組成。

顯示部件:主要是顯像管,將經處理後的信號通過顯像管轉換成圖像顯示。

真空系統:真空系統為電子光學系統提供必需的高真空,保證了電子束的正常掃描,還可以防止樣品受到汙染。

 

掃描電子顯微鏡的特點

1. 有較高的放大倍數,20倍-20萬倍之間連續可調;

2. 有很大的景深,視野大,圖像的分辨率高,成像富有立體感,可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細微結構,還能獲得與形貌相對應的多方面的信息;

3. 對於導電材料,可直接放入樣品室進行分析,對於導電性差或絕緣的樣品則需要噴鍍導電層;

4. 制樣簡單,能夠直接觀察大尺寸試樣的原始表面,同時輻照對樣品表面的汙染小;

5. 在不犧牲掃描電子顯微鏡特性的情況下擴充附加功能,如與EDS聯用,可對材料的成分進行分析。

 

在我們對SEM有了壹個稍細致的了解之後,接下來就著重進入其在微觀材料領域的應用,看看能為我們呈現哪些極富價值的景觀!

 

美信檢測實驗室對於掃描電子顯微鏡技術應用於材料及零部件檢測方面有著豐富的經驗:

對於金屬材料的分析方面,涉及金屬材料斷裂失效分析、金屬材料的表面缺陷分析、金屬材料的微區化學成分分析等;

對於非金屬材料而言,涉及材料納米級尺寸檢測、材料的表面形貌觀察與測量、塗鍍層表面形貌分析與鍍層厚度測量、材料的微區化學成分分析等。下面,我們壹壹來展示這些應用:

 

壹、掃描電子顯微鏡在金屬材料領域的應用

(1)金屬材料斷裂失效分析。常見以磨損、腐蝕、斷裂、變形等失效形式存在。通過對斷口微觀形貌的觀察,根據脆性斷裂及韌性斷裂機理,結合材料受力狀態分析,找出失效根源。

 

 

(2)金屬材料的表面缺陷分析。常見缺陷以起泡、翹皮、裂紋等形式存在。利用掃描電子顯微鏡對金屬表面或界面的薄層進行組分、結構和能態等分析,揭示金屬材料及其制品的表面形貌、成分、結構或狀態。

 

(3)金屬材料的微區化學成分分析。分析表面形貌及微區成分,為失效機理推斷提供定性定量依據。

判定合金中析出相或固溶體的組成、測定金屬及合金中各種元素的偏析、研究電鍍等工藝過程形成的異種金屬的結合狀態、研究摩擦和磨損過程中的金屬轉移現象以及失效件表面的析出物或腐蝕產物的鑒別等。

 

二、掃描電子顯微鏡在非金屬材料領域的應用

(1)材料的表面形貌觀察

通過掃描電子顯微鏡觀察材料表面形貌,為研究樣品形態結構提供了便利,有助於監控產品質量,改善工藝。

觀察的主要內容是分析材料的幾何形貌、材料的顆粒度及顆粒度的分布、物相的結構等。

 

 

(2)塗鍍層表面形貌分析與鍍層厚度測量

?塗鍍層表面形貌分析

常見塗鍍層失效現象有:褪色、圖案模糊、表面磨損、腐蝕等,通過對塗層表面形貌的觀察與分析,可以有效的對產品質量進行管控。材料剖面的特征 、零件內部的結構及損傷的形貌,都可借助掃描電子顯微鏡來判斷和分析。

 

?塗鍍層厚度測量

塗鍍層厚度直接影響了零件或產品的耐腐蝕性、裝飾效果、導電性、產品的可靠性和使用壽命,因此,鍍層厚度在產品質量、過程控制、成本控制中都發揮著重要作用。使用掃描電子顯微鏡能精確測量材料鍍層厚度,且成像清晰。

 

 

(3)材料的微區化學成分分析

分析過程中,獲得形貌放大像後,往往希望能同時進行原位化學成分或晶體結構分析,提供包括形貌、成分、晶體結構或位向在內的更多信息,以便能更全面、客觀地進行判斷分析。

為此,相繼出現了掃描電子顯微鏡——電子探針多種分析功能的組合型儀器,如常與EDS(X射線能譜儀)聯用,對材料進行定性半定量分析。

 

(4)掃描電子顯微鏡分辨率可達納米級別,可對納米材料進行觀察。

納米材料的壹切獨特性能主要源於它的超微尺寸,通過使用高分辨率的SEM對納米級材料進行形貌觀察和尺寸檢測,對納米材料的研究及應用起到了基礎性的作用。

 

三、掃描電子顯微鏡的實際應用案例展示

(1)某PCB板,需要對指定位置的IMC層厚度進行測量,得到如下結果。

 

 

(2)對某LED芯片進行內部結構觀察。

 

 

(3)使用 SEM+EDS對某軸斷裂位置進行觀察。

 

SEM觀察到的圖示:

 

 

得到EDS測試譜圖:

 

 

得到其定性半定量分析結果,進而為失效原因分析提供微區化學方面的依據。

 

(4)某車用塑料零件出現斷裂現象,使用SEM觀察斷口情況。

 

 

由此,我們看到了掃描電子顯微鏡(SEM)在材料的微觀領域的諸多應用,其應用涉及的行業領域十分廣泛,如材料、電子、航空、汽車地學、冶金、機械加工、半導體制造、陶瓷品等。美信檢測作為專業的第三方檢測實驗室,在SEM相關檢測項目方面擁有豐富的實踐經驗,針對不同的產品和客戶需求,采用不同的材料分析方法和測試標準,幫助企業監控產品質量,維護產品品質!

 

參考文獻:

①1007-2853(2007)02-0081-04《掃描電子顯微鏡及其在材料科學中的應用》朱琳

②1001-9677( 2012) 19-0028-03《掃描電子顯微鏡的結構及對樣品的制備》王醒東,林中山等

③1672-3791(2007)05(c)-0005-02《掃描電子顯微鏡在非金屬材料分析中的》王蕾,張靜等

④《現代制造技術與裝備》2010第1期總第194 期《掃描電鏡對金屬材料失效及表面缺陷的研究》曹鵬,孫黎波等

 

*** 以上內容均為原創,如需轉載,請註明出處 ***

 

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