掃描電鏡研究陶瓷-金屬結(jié)合界面的樣品制備方法

(華南理工大學(xué)材料學(xué)院實(shí)驗中心，廣州 510641)

陶瓷材料具有許多優(yōu)異的性能，如耐高溫、耐磨損、高強(qiáng)度等[1，2]，在航天、機(jī)械、能源等諸多領(lǐng)域[3，4]都有著重要應(yīng)用。但陶瓷材料的塑性低、韌性差、耐沖擊性差、加工成形性能差。傳統(tǒng)的金屬材料具有強(qiáng)韌性與高塑性，將二者采用特定的連接技術(shù)制備陶瓷-金屬復(fù)合構(gòu)件，可以互相彌補(bǔ)彼此性能上的不足，且能滿足現(xiàn)代工程需要[5，6]。金屬與陶瓷的連接逐漸成為現(xiàn)代制造業(yè)中重要的加工手段。

但陶瓷與金屬之間的結(jié)合屬于異質(zhì)連接，不但要考慮兩者的物理相容性和化學(xué)相容性，而且陶瓷與金屬的熱膨脹系數(shù)差異較大。因此，陶瓷與金屬之間的界面結(jié)合情況對陶瓷-金屬結(jié)合后的性能影響具有很重要的影響。在對陶瓷-金屬結(jié)合界面的表征中，掃描電鏡是經(jīng)常使用的工具。所以采用掃描電鏡對陶瓷-金屬界面進(jìn)行形貌觀察，輔以成分分析，是表征陶瓷-金屬結(jié)合優(yōu)劣的重要手段。

陶瓷-金屬界面研究的掃描電鏡樣品的制備相對簡單，但也是影響其形貌表征的重要的步驟，樣品的制備方法直接影響最終成像質(zhì)量，乃至結(jié)果分析。通常的制備方法做垂直陶瓷-金屬結(jié)合界面的截面，通過對截面形貌及成分的變化進(jìn)行表征，從而對陶瓷-金屬結(jié)合情況進(jìn)行研究。本研究采用掃描電子顯微鏡和能譜儀對陶瓷-金屬結(jié)合界面的截面進(jìn)行了研究，探討了不同制樣方法對觀測結(jié)果的影響。該方法旨在揭示不同制樣方法對掃描電鏡觀察樣品形貌的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗儀器

本實(shí)驗所使用的主要儀器為：掃描電子顯微鏡(日立SU8220)；真空鍍膜儀(LEICA EM SCD 500)；能譜儀(牛津X-MaxN)。

1.2 實(shí)驗方法

1.2.1材料

陶瓷-金屬界面結(jié)合樣品制備方法為兩片陶瓷表面進(jìn)行拋光處理后，中間放入某種金屬薄片，在高溫高壓環(huán)境下進(jìn)行燒結(jié)而成。

1.2 樣品的制備和觀察

1.2.1樣品的制備

兩種不同的樣品制備方法：一種是取陶瓷-金屬結(jié)合界面的截面樣品，進(jìn)行機(jī)械拋光；一種是通過對陶瓷-金屬結(jié)合界面施加一個垂直的力，使樣品自然斷裂，形成垂直陶瓷-金屬結(jié)合面的斷面。

1.2.2樣品的觀察

樣品制備好后，用導(dǎo)電膠粘在掃描電鏡樣品臺上，經(jīng)真空鍍膜儀噴金(pt)鍍膜后，用掃描電鏡觀察、拍照，能譜儀進(jìn)行成分分析。

2 結(jié)果

2.1 機(jī)械拋光的陶瓷-金屬結(jié)合界面的樣品

將截取后的陶瓷-金屬界面進(jìn)行機(jī)械拋光后，用導(dǎo)電膠粘在掃描電鏡樣品臺上，噴金鍍膜后進(jìn)行形貌觀察，如圖1所示。圖1電子槍加速電壓為10kV時的二次電子形貌圖。從圖中可以看出，經(jīng)拋光后，整個樣品表面平整。此時，圖像清晰，分辨率高。金屬與陶瓷界面平直，結(jié)合較好，結(jié)合處沒有氣孔等缺陷。

圖1 機(jī)械拋光樣品的SEM像

2.2 直接斷裂的陶瓷-金屬結(jié)合界面的樣品

垂直陶瓷-金屬結(jié)合界面施加沖擊，使樣品斷裂，對斷裂后露出來的陶瓷-金屬結(jié)合界面的截面進(jìn)行觀察。圖2是電子槍加速電壓為10kV的二次電子形貌圖?？梢钥闯?，陶瓷間金屬層發(fā)生了脆性斷裂，這是受金屬的本身性質(zhì)以及制備條件影響。再加上兩側(cè)陶瓷的脆性斷裂，所以整個樣品的表面較為平整，陶瓷和金屬的結(jié)合界面很清晰。進(jìn)一步放大，如圖3所示，可以很清楚的看到界面結(jié)合處陶瓷顆粒與金屬顆粒的大小及結(jié)合情況，金屬與陶瓷很好的結(jié)合在一起，沒有氣孔或者結(jié)合不好等缺陷。

為了觀察金屬層中金屬元素的分布狀況，對界面處進(jìn)行了背散射電子(BSE)形貌觀察。圖4(a)和圖4(b)分別是同一位置電子槍加速電壓為10kV和20kV背散射形貌圖，與圖4(a)相比較，電子槍加速電壓從10kV提高到20kV后，陶瓷間金屬層內(nèi)的襯度發(fā)生了改變，從一定程度上說明了金屬層內(nèi)的成分變化狀況，如圖4(b)中所示。

圖2 10kv斷裂樣品SEM形貌像

圖3 斷裂樣品SEM形貌放大像

圖4 斷裂樣品背散射形貌像

2.3 能譜分析

圖5(a)所示為圖4中背散射電子(BSE)形貌處進(jìn)行成份分析。在電子槍加速電壓20kC下對陶瓷-金屬界面的截面用能譜儀做面掃描分析，圖5(b)和圖5(c)分別是金屬層中某種原子序數(shù)小和某種原子序數(shù)大的元素的分布結(jié)果，很好的對應(yīng)了圖5(a)中金屬層中襯度明暗的分布。

圖5 面掃描圖像及元素分布

3 討論

掃描電鏡是現(xiàn)代材料分析方法中常用的表征工具。掃描電鏡二次電子形貌是形貌襯度，主要取決于樣品表面相對于入射電子束的傾角。對于表面光滑平整的樣品，如采用機(jī)械拋光的方法制備的樣品，則形成的表面襯度小，得到的表面細(xì)節(jié)也少，如本文中的圖1。

利用陶瓷脆性大的特點(diǎn)，斷裂形成的樣品中，陶瓷與金屬側(cè)形成了許多凸起、凹坑和臺階，因而圖像的襯度較大，也就能得到更多的關(guān)于界面結(jié)合的細(xì)節(jié)信息，如圖2、圖3中所示。將電子槍加速電壓從10kV增加到20kV，加速電壓越大，有助于提高信號的電子產(chǎn)率；并且加速電壓越大，電子束能量越大[7]，與樣品表面作用區(qū)域越深。成像信號來自材料內(nèi)部的深度和范圍也相應(yīng)增大，這時的圖像是內(nèi)部結(jié)構(gòu)與表面結(jié)構(gòu)的混合圖像，導(dǎo)致圖4(b)中表面圖像的清晰度和分辨率較圖4(a)中有所降低。但對于背散射電子(BSE)形貌來說，背散射電子大部分來自于樣品的較深部位。加速電壓加大，高原子序數(shù)的元素由于原子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，使得背散射電子產(chǎn)出增加，在圖像上表現(xiàn)為金屬層中由于不同金屬間由于原子序數(shù)差異導(dǎo)致的襯度較為明顯，如圖4(b)中所示。

由此，同一個樣品，采用不同的制備方法，得到的關(guān)于樣品的結(jié)構(gòu)信息是不一樣的。掃描電鏡成像中，不同的參數(shù)設(shè)置，獲得的樣品的結(jié)構(gòu)信息也是有差異的。在實(shí)際操作中，應(yīng)針對不同樣品，靈活選擇制樣方法，達(dá)到獲取樣品真實(shí)結(jié)構(gòu)信息的目的。

4 結(jié)論

(1)機(jī)械拋光制備的陶瓷-金屬界面結(jié)合的樣品，表面平整，圖像清晰，分辨率高，陶瓷與金屬界面結(jié)合良好。

(2)直接斷裂形成的陶瓷-金屬樣品，由于金屬層和陶瓷的脆性斷裂，樣品表面平整，金屬與陶瓷結(jié)合界面及兩側(cè)金屬與陶瓷顆粒的形貌清晰。

(3)電子槍加速電壓從10kV增加到20kV，在背散射電子(BSE)形貌圖中，陶瓷間金屬層中不同元素由于原子序數(shù)差異形成的襯度明顯。

(4)電子槍加速電壓20kV下，陶瓷間金屬層的能譜面掃描分析結(jié)果與背散射電子(BSE)形貌具有很好地襯度對應(yīng)。