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扫描电子显微镜

Scanning Electron Microscope

 
 
 
 
 

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电子显微镜SEM\TEM\EDS在工程材料上的务实应用  

2011-07-06 17:20:33|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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编辑:- 驰奔 (转载请注明出处)

前言:
人类历史就是一部材料发展史:石器时代、铜器时代、铁器时代,到现在的信息时代,更是离不开各种信息功能材料的支撑。制造产业都和工程材料有密切关联,材料的选用与性能,影响产品的销售利润。

开发新材料的必备知识:材料分析技术。
探讨产品机械性能不如预期时,你这时候需要,材料分析技术。
破坏失效分析利器:材料分析技术。
一、工程材料的种类与应用
1、工程材料的分类及特性
金属材料:是电和热的良好导体;具有光泽的外表;强度大,塑性好。

陶瓷材料:金属与非金属间化合物;电和热的绝缘体;硬度高但非常脆。

高分子材料(聚合物):常见的塑胶和橡胶材料;有机化合物,主要是碳氢和其他非金属原子的合成;大多低密度且柔软。

复合材料:结合上述多种材料复合而成;复合防弹钢板,玻璃纤维、碳纤维+聚合物。

半导体材料:导电性介于导体和绝缘体之间;晶体管集成电路的基础。

生命医学材料:无毒且与身体组织相容;上述材料都有可能用于生命医学工程。

航空航天材料:比强度高且隔热耐热

其他先进材料:激光、太阳能材料、超导体材料,信息功能材料

2、现代材料的需求:新能源、轻薄短小、环保材料、安全性高的材料

3、材料科学与材料工程的关系:制造程序 --  结构 --- 性质 --- 性能

4、工程材料的应用

材料种类

应用实例

材料特性

灰铸铁

汽车引擎体

可铸造,可车削加工,减震型好

合金钢

工具扳手,传动轴,汽车底盘

利用热处理可大幅度提高材料强度

SiO2-Na2O- CaO

窗玻璃

光学透明及绝缘体

Al2O3,MgO

耐火材料,火花塞

热绝缘体,抗高温,硬度高

聚乙烯

饮料食物包装材料

易成膜,弹性好,气密性佳

环氧树脂

集成电路封装材料

电绝缘,耐湿气,低热膨胀系数

电晶体 ,集成电路

独特电性 半导体

石墨环氧树脂(碳纤维复合)

航空材料

高的强度重量比

碳化钨-钴

车削用的碳化物刀具

高硬度,良好冲击能力

钛被覆钢

核子反应容器材料

低成本高强度,具备钛的抗腐蚀能力

5、汽车上使用的材料种类有多少
汽车用的金属材料:
       冷轧镀锌钢板、高张力钢板:用于车身、引擎盖子、底盘、汽油油箱等
       铝合金:水泵叶片、汽车发动机体、轮圈、装饰条板件、火花塞零件。
      铸铁:发动机体,刹车盘
      不锈钢:排气管、触媒容器、装饰条板件。
      合金钢:传动轴、连杆、曲柄轴等。
      汽車用陶瓷材料:
      硅酸盐材料:汽车钢化玻璃,镜片等
      铝硅酸盐材料:火花塞等
     其他陶瓷材料:涡轮增压器看,各种传感器,活塞等。
      汽车用复合材料:纤维增强塑料,汽车车身、耐磨活塞、刹车片等
     汽车用高分子材料:聚丙烯(PP):轮罩、挡泥板、保险杠外皮、汽车饰件、容器及脚踏板等
     丙烯腈-丁二烯苯乙烯(ABS):水箱护照、仪表盘、及后视镜框
     聚氯乙烯(PVC):饰板、线束、车顶等
     聚酰胺(PA尼龙):纤维、轴承、汽车零件、安全带等

二、材料分析技术的原理
材料分析技术可分为两大类:
    成分分析(化学性质):元素,化合物
显微结构分析(物理性质):形态、形貌结构,晶体结构
材料分析的重点大致分为三类:
材料的成分分析、表面或材料內部的显微结构影像、材料的结晶结构鉴定和分析。
材料分析重点的代表性仪器
材料成分分析:x射线微区分析EDS、表面化学成分分析光电子能谱仪ESCA,俄歇电子显微镜AES及二次离子质谱仪(SIMA)
材料表面或材料內部的显微结构影像:代表的仪器包括 SEM,TEM AFM
材料结晶结构鉴定与分析:代表性的仪器包括 X射线衍射仪、透射电子显微镜、扫描电镜的EBSD等。

材料分析技术的主要原理:其分析方法多利用光学镜片或者电磁场来偏转或者聚焦带能量的“入射粒子”,这些入射粒子束与样品作用后,会产生各种二次粒子信号。探测其二次粒子的信号,既可以分析材料的结构和各种特性。
材料分析技术所使用的入射粒子束可分为五类:

  • 可见光: 用于光学显微镜成像,漫反射或者穿透成像
  • 电子束:可激发出二次电子、背散射电子,穿透电子、绕射电子、非弹性散射电子(能量损失谱)、特征x射线、俄歇电子、阴极荧光等信号。
  • 离子束:根据选用不同的离子源(如He+、Ga+及Cs+等离子),可激发出二次离子、二次电子、背散射离子、二次中性粒子和特征向X射线等信号。
  • X-ray:X射线的穿透能力虽然很高,但由于很难聚光,所以分辨率较差,较少用于微观观察用途,但它能提供衍射X射线、光电子、荧光灯信号。
  • 微探针:包括隧道电流,原子力信号,具有原子分辨能力

SEM 扫描电子显微镜:是一种使用率最高的材料分析技术

     SEM+EDS可应用于:
  • 电子工业:半导体、IC封装、电路板、药水、被动元件、光电、LED、TFT-LCD、设备、微机电系统、构装工程...
  • 化工产业:树脂、纤维、复合材料、粉末、隔离膜、滤材....
  • 冶金工业:粉末冶金、精密加工、钢材、合金、铝镁合金、制造加工.....
  • 特殊应用:刑侦微观分析,生物观察....
扫描电子显微镜在工程材料上的务实应用 - 驰奔 - ------DEMA 驰奔-------

 

扫描电子显微镜在工程材料上的务实应用 - 驰奔 - ------DEMA 驰奔-------
 
x-射线能谱仪EDS的原理与应用
       针对电子束所激发的特征X光做材料成分分析,一般也称为电子束微分析法(Electron Probe for MicroAnalysis -- EPMA) 
      X-ray能量分散谱仪 Energy Dispersive Spectrometer--EDS
      X-ray波长分散谱仪 Wave Dispersive Spectrometer--WDS
EDS是所有材料分析技术中,最简单易学的成分分析技术,在扫描电镜SEM和透射电镜TEM上附加EDS,已称为材料科学研究上非常重要的工具。

透射电子显微镜TEM的原理与应用
TEM通过高能量电子束穿透样品,要求样品非常薄,一般微米纳米级,具有极高的分辨率,已称为材料学研究上极其有效的工具之一。
TEM主要探测的信息有三种:
  • 穿透物质的直射电子成像,影像观察 
  • 绕射电子形成衍射图样(微细组织及晶体结构)
  • 搭配X射线能谱仪(EDS),或者能量损失谱仪(EELS),作化学成分分析。

TEM系统主要分为四个部分

  • 电子枪--钨灯丝,六硼化镧,场发射式三种。
  • 电磁透镜系统--聚光镜、物镜、中间镜、投影镜等
  • 样品室和样品台编辑: 酷塞目-- 驰奔 (转载请注明出处)
  • 图像探测器及记录系统-- 荧光屏、照相底片、或者电子束CCS等。
TEM可用于表面影像观察
  • Morphology(显微结构-形貌形态,显微组织分析)
  • crystal structure(晶体结构分析) 
  • chemical composition(化学成分分析)
  • interface(界面组织分析)
  • nano-structure(纳米结构) 
  • crystal defects (晶格缺陷分析)
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 TEM显微组织形貌形态观察(上)

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 TEM用于纳米结构观察

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 TEM用于原子晶格观察  

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 TEM用于晶体结构鉴定

结束语

制造产业都和工程材料密切相关,材料的选用与性能,影像产品的销售和利润。
材料分析技术是工程研发人员必备知识。
开发新产品的步骤:寻找材料、开发制程、分析性质、提升性能、均需材料分析技能。
材料分析技术最重要的三项设备:SEM、TEM、EDS.

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资料来源:
Stein B.Jensen, et al. ICEE 2001
International Conference on Engineering Education 2001 Oslo, Norway
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