《复型技术》PPT课件

1、第9章透射电镜样品制备技术复型技术、TEM样品观察与制备、样品表面复型金相组织、断口形貌、磨损表面等超微细粒子样品形貌观察、粒度测定、结构分析等金属及陶瓷薄膜金相组织与结构、析出相形态、分布与结构、位错类型等TEM样品的制备原则， 高分辨率大多是由于电子通过试料时能量损失引起的色差，因此为了达到最高分辨率，在制备试料时，如果可能，应该去除所有雄辩的原子。 从样品制备过程的制定到实施都要认真对应，以免制备的样品失真。 1 )什么是复型技术？ 2 )为什么使用复杂的技术？ 1 )复型技术是制造TEM样品的技术之一，将金相样品表面的显微组织浮雕转印到薄膜上，用TEM观察。 2 ) tem样本非常薄，

2、通常要求在5500nm之间，因为电子束的透射能力低(电子透射固体样本的能力主要取决于加速电压和样本物质原子号)。 由复合技术制作的样本是实际样本组织结构的详细薄膜复制品。 复型技术、复型材料应具备的条件、复型材料本身必须是非晶质材料。 复型材料的粒子尺寸必须小，复型材料的粒子越小分辨率越高。 复型材料应具有较强的抗电子冲击性能。 复合材料必须具有足够的强度和刚度。 一般的复型材料是铸塑蒸发形成的塑料和真空蒸发沉积碳膜，它们的厚度均不足100nm，满足上述条件。 目前，主要的复型方法、一次复型法、二次复型法、提取复型法随着扫描电子显微镜技术和金属薄膜技术的发展，复型技术在某些方面稍差，但复型技术

3、具有不损坏原样表面，可以比较简单地复制显示样品表面的形状细节的优点。 图像容易解释(尤其是与光学显微镜相比)。 塑料一次复合型、碳一次复合型(氧化膜复合型)、质量厚度对比原理、电子显微镜中的对比度和试样的部位不同，对入射电子的作用不同，因此经过成像放大系统在荧光屏上显示的强度不同。 什么是电子显微镜中的品质对比？ 根据试样的质量和厚度，各部分对入射电子的吸收和散射程度不同，透射电子束的强度分布不同，形成对比度。 研究质量厚的对比度的目的是什么？ 1 )了解对比源，准确分析显微镜图像。 2 )为正确选择显微镜观察实验方法提供依据。 质厚对比度是基于非晶样品中原子对入射电子的散射和透射电子显微镜的

4、小口角成像来说明非晶样品(例如复合型)电子显微镜的像对比度的理论依据。 质量厚对比原理、单原子对入射电子的散射、单个电子透过非晶薄样品、与原子核相互作用(弹性散射)、与核外电子相互作用(非弹性散射)、弹性散射：电子改变运动方向，能量不变。 非弹性散射：散射过程不仅会使入射电子在运动方向上发生能量变化。 电子被原子散射a )原子核弹性散射b )核外电子非弹性散射，散射角：散射电子的运动方向和原始入射方向之间的夹角用表示。 入射电子与原子核的相互作用：弹性散射截面n反映孤立原子核将入射电子向大于角度的方向散射的能力。 rn瞄准从u入射的电子加速电压Ze原子核电荷，各个原子使入射电子散射，一般使用散

5、射截面测定孤立的核外电子使入射电子向大于散射角的方向散射的能力。一个孤立的核外电子非弹性散射截面e :re入射电子对核外电子的瞄准距离e电子电荷散射角u电子加速电压、入射电子与核外电子相互作用，一个原子序号z的原子具有z个核外电子，因此一个原子将电子向外部散射的散射截面0， 可以表示原子序数越大弹性散射的发生比例越大，注意：弹性散射是透射电子显微镜图像的基础，由于不是由弹性散射引起的色差，背景强度变高，图像对比度降低。 为了确保入射电子和孤立原子的相互作用、透射电子显微镜的小开口角成像、TEM的高分辨率而采用小开口角成像。 这是通过在物镜的后焦点面上沿径向插入小孔径的物镜光圈来实现的。 小开口

6、角的成像原理图，物镜光圈遮断散射角大的电子，仅允许散射角小的电子经由物镜光圈参与成像。 由于电磁物镜的倍率大，物面越接近前焦点，所以物镜的光圈直径越小或焦点距离越长，物镜的开口半角与光圈直径d和物镜焦点距离f的关系就越小。 透射电子显微镜的小孔径角成像、质厚对比度成像原理、质厚对比度像主要依赖于入射电子和入射原子的作用引起的电子散射。 质厚对比图像的要点：1)电子束通过试料后呈发散状，发散角的大小取决于试料各区域的散射能力。 2 )发散的电子束被物镜会聚时，小发散角的电子束通过光圈参与成像，大发散角的电子束被光圈遮挡，不参与成像。 3 )如果电子通过样本区域，并且具有小发散角的电子较少，则具有

7、小发散角的电子通过光圈孔的数量减少，并且荧光屏变暗。 在非晶样品中，入射电子透过样品时相当的原子数越多(或样品越厚)，样品原子核库仑电场越强(或样品原子编号、密度越大)，散射到物镜光圈外的电子越多，在物镜光圈中参与成像的电子强度也越高荧光屏变暗，反之亦然。 试料各部分的电子束散射能力的不同，根据光圈作用在荧光屏上强度不同，构成一般所说的像。 研究了质量厚度对比度的成像原理、非晶样品的厚度、密度与图像电子强度的关系(推导过程省略)，每立方厘米含n个原子样品的总散射截面：通过物镜光圈参与成像的电子束强度I随Qt呈指数衰减。 N0:阿伏加德罗常数：密度A:原子量0 :原子散射截面、强度I0的入射电子

8、透过全散射截面q、厚度t的样品时，电子束强度I的变化。 质量厚度对比度的成像原理定义为：当Qt=1时： tc为临界厚度，即电子在样品中受到一次散射的平均自由程。 t tc的样品对电子束是透明的，相应的成像电子强度是：质量厚度对比成像原理，如果将t定义为质量厚度，则认为与成像相关的电子束强度I随着样品质量厚度t的增大而衰减。 Qt=1时，如果将(t )c定义为临界质量厚度，则随着加速电压的增加，临界质量厚度增大。质量厚对比度的成像原理、质量厚对比度公式的推导、IA表示强度I0的入射电子时，通过样品a区域(厚度tA、总散射截面QA )后，进入物镜光圈参与成像的电子强度。 当IB表示强度I0的入射电

9、子时，在通过样品a区域(厚度tB、总散射截面QB )之后，物镜光圈进入成像所涉及的电子强度。 在投影到荧光屏或照片胶片上的电子强度差：中，定义图像a区域的对比度(或对比度)的是：因此制作复合型的材料的总散射截面q值越大、或复合型邻接区域的厚度差越大，表示复合型图像的对比度越高复型材料由相同材料制作时，QA=QB=Q，上式为，质量厚度对比度式的导出，肉眼能够识别的最低对比度必须在5以上，复型材料由2种材料构成时(重金属投影的复型或抽取复型等)，需要最小的厚度差，质量厚度对比度式的导出未投影的复型b )投影的复型或抽取复型、质厚对比原理、一次复型和二次复型、一次复型两种，即塑料一次复型和炭一次复型

10、塑料一次复型，调制的金相样品或切口样品中数滴的体积浓度为1% 塑料一次复合型，制造时注意事项：样品表面应充分清洗。 否则，部分污染物会留在样品中，导致负复合型图像失真。 一次塑料复型的特点：负复型，与光学金相显微组织具有良好的对应性。 制造方法十分简单，分析直径20nm左右的详细情况还很清楚。 可以进行金相分析，不应进行断口分析，其复型膜的制备困难。 分辨率不高，用电子束照射容易分解。 塑料一次复型，碳一次复型，原理：将表面漂亮的金相样品放入真空涂层装置，垂直方向在样品表面蒸发出几十纳米厚的碳膜。 用小刀将喷涂碳膜的样品画成对角线小于3mm的小方形，放入配合了该样品的分离液中进行电解或化学分离

11、，最后进行观察分析。 碳一次复型、二次复型(塑料碳二次复型)、二次复型是目前应用最广泛的复型方法。 这是最后通过在形成中间复合型之后，对中间复合型进行碳复合型并溶解中间复合型而得到的复合型。 醋酸纤维素(AC纸)和火棉胶可以中间复型。 塑料碳二次复型、塑料碳二次复型的特点是在制备复型时不破坏样品的原始表面。 最终复型为碳膜，稳定性和导电性优异。 由于中间复合型是塑料薄膜，所以塑料碳二次复合型的分辨率相当于塑料一次复合型。 最终的碳复型是通过溶解中间复型而得到的，不需要从样品上直接剥离。 最终的碳复合型是厚约10nm的薄层，可以用电子束透过。 萃取复型、第二相粒子的形状、大小和分布的分析以及第二

12、相粒子的物质相分析，多采用萃取复型。 这种复型的方法与碳一次复型类似，但金相样品在腐蚀时会进行深腐蚀，使第二相粒子容易从基体上剥离。 另外，喷镀碳膜时，厚度约为20nm左右，应稍稍加厚。 用萃取复型样品进行电子衍射分析，可直接测定第二相晶体结构。 萃取复型，典型组织的复型电镜分析，共析钢珠光体的复型图像(0.78C钢680等温相变) 6000，T8钢珠光体的二次复型图像，K3镍基高温合金中的相，镍基合金的复型图像，典型组织的复型电镜分析， 30CrMnSi钢烧结不含银的Al-4Zn-Mg合金175时效24h、含0.3%Ag的Al-4Zn-Mg合金175时效24h、铝合金时效析出相的复型图像、典

13、型组织的复型电子显微镜分析、低碳钢的室温静负荷断裂时形成的固件飞机起落架铝镁合金的随机光谱疲劳带、典型组织的复合电镜分析、粉末样品的制备、粉末样品的制备的关键是如何分散超细粉末粒子，各自不独立团聚。橡胶粉混合法制备支撑膜分散粉末法粉末或粒子样品的成败取决于能否均匀地分散在支撑膜上。 常用的支撑膜是火胶棉和碳膜。 糊粉混合法是在玻璃板上滴入火棉糊溶液，在玻璃板糊液中加入少许粉末搅拌，再按一个玻璃板，两个玻璃板对研突然拉出，不久，膜干。 用铲子切出小方格，将玻璃片倾斜插入杯子中，在水面上下空开吸引，膜片脱落，用铜网拉出方形膜片，进行观察。 支撑膜分散粉末法由于需要透射型电子显微镜分析的粉末粒子远小

14、于铜网，因此准备对电子束透明的支撑膜。 常用的支撑薄膜有火棉薄膜和碳薄膜，支撑薄膜放在铜网上，粉末放在薄膜上送电子显微镜分析。粉末样品的制备、超细陶瓷粉末的透射电子显微镜照片a) Y2O3 b)Fe2O3、a、b、粉末样品的制备、印刷油墨中的碳微粒、粉末样品的制备、金属或陶瓷薄膜的制备、复型技术的缺陷：复型技术是侵蚀浮雕的复制、完全依赖于金相显微镜的物质表面的微观形态晶体薄膜样品的优点：不仅可以清洗样品内部的微结构，还可以大幅度提高电子显微镜的分辨率。 另外，结合薄膜样品的电子衍射分析，可以得到很多结晶学信息。 只需利用薄膜透射技术，就可以在同一设备上同时对材料的显微组织和晶体结构进行原位对照

15、分析。 金属薄膜样品的制备对于透射图像的金属薄膜样品，对于电子束必须“透明”。 1 )在相同的加速电压下，样品物质的原子序数越高，临界质量厚度越小。 例如：在100KV时，得到相同的亮度，铝膜可以是数百纳米，但铀膜只有数十纳米。 2 )入射电子的加速电压越大，可透过的厚度越大。 /如果把加速电压从100KV提高到1000KV，能够贯通铁膜的厚度就会变成3倍。 薄膜样品的组织结构必须与大样品相同。 样品对电子束必须具有足够的“透明度”。 胶片样品需要一定的刚性和强度。 在样品的制造过程中，表面不允许发生氧化和腐蚀。 为了能够选择和分析一般视口，胶片必须具有较大的透明面积。 薄膜制造方法容易控制，必须具备充分的可靠性和重复性。 薄膜样品制造的基本要求是，从实物或大样品中预先减薄厚度为0.30.5 mm的薄片(电火花、金刚石锯片)样品。 两种方式： a )机械变薄的优点：快速易于控制的缺点：应变损伤和样品温度上升不可避免的b )化学变薄的优点：速度快，没有机械硬化层，薄区域面积大。 缺点：很难控制表面可能存在污染物。 制造TEM薄膜样品的3个步骤：黄铜支撑台、活塞套筒、样板、金相砂纸、镊子、板、耐酸涂料、研磨液缺陷：选择适当的研磨液和工艺条件是困难的，这种方法是选择矿物、陶瓷等的制作了TEM薄膜样品，b )离子减薄法用高压电离的离子束撞击样品表面，样品相