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2021-06-11

应用案例 | 扫描电镜在陶瓷上的应用

来源:     作者:    浏览:509

在陶瓷的制备过程中,原始材料及其制品的显微形貌、孔隙大小、晶界和团聚程度等将决定其最后的性能。扫描电子显微镜可以清楚地反映和记录这些微观特征,是观察分析样品微观结构方便、易行的有效方法,样品无需制备,只需直接放入样品室内即可放大观察;同时扫描电子显微镜可以实现试样从低倍到高倍的定位分析,在样品室中的试样不仅可以沿三维空间移动,还能够根据观察需要进行空间转动,以利于使用者对感兴趣的部位进行连续、系统的观察分析。扫描电子显微镜拍出的图像真实、清晰,并富有立体感,在新型陶瓷材料的三维显微组织形态的观察研究方面获得了广泛地应用。


扫描电子显微镜的原理

利用电子枪采用真空加热钨灯丝,发生热电子束,在0.5-30KV的加速电压下,经过电磁透镜所组成的电子光学系统,电子束会聚极细电子束,并在样品表面聚焦。末级透镜上边装有扫描线圈,在它的作用下,电子束打到样品上一点时,在荧光屏上就有一亮点与之对应,其亮度与激发后的电子能量成正比,扫描电子显微镜是采用逐点成像的图像分解法进行的,光点成像的顺序是从左上方开始到右下方,直到最后一行右下方的像元扫描完毕就算完成一幅图像。

对扫描电子显微镜成像有影响的信号主要有二次电子、背散射电子和X射线谱线等。其中二次电子是样品与初始束电子相互作用而被激发出来的样品原子所含的电子,它们能量很低,只能从样品表面很浅的区域逸出,是扫描电子显微镜检测出的主要信号,图像被称为二次电子图像,具有立体感,成像分辨率最好,准确地反映样品表面的形貌(凹凸)特征;背散射电子是与样品原子核发生弹性碰撞而被散射出样品的电子束电子。这部分电子能量很高,其成像分辨率相对于二次电子要低。



由于扫描电子显微镜可用多种物理信号对样品进行综合分析,并具有可以直接观察较大试样、放大倍数范围宽和景深大等特点,当陶瓷材料处于不同的外部条件和化学环境时,扫描电子显微镜在其微观结构分析研究方面同样显示出极大的优势。

主要表现为:

(1)力学加载下的微观动态(裂纹扩展)研究;

(2)加热条件下的晶体合成、气化、聚合反应等研究;

(3)晶体生长机理、生长台阶、缺陷与位错的研究;

(4)成分的非均匀性、壳芯结构、包裹结构的研究;

(5)晶粒相成分在化学环境下差异性的研究等。

纳米材料是纳米科学技术最基本的组成部分,现在可以用物理、化学及生物学的方法制备出只有几个纳米的“颗粒”。纳米材料的应用非常广泛,比如通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蚀等优点,纳米陶瓷在一定的程度上也可增加韧性、改善脆性等。



不同倍数下的纳米陶瓷



压电陶瓷由于具有较大的力电功能转换率及良好的性能可调控性等特点在多层陶瓷驱动器、微位移器、换能器以及机敏材料与器件等领域获得了广泛的应用铁电和压电陶瓷材料与器件正向小型化、集成化、多功能化、智能化、高性能和复合结构发展,并在新型陶瓷材料的开发和研究中发挥重要作用。
铁电畴(简称电畴)是其物理基础,电畴的结构及畴变规律直接决定了铁电体物理性质和应用方向。电子显微术是目前观测电畴的主要方法,其优点在于分辨率高,可直接观察电畴和畴壁的显微结构及相变的动态原位观察(电畴壁的迁移)。

不同倍数下的压电陶瓷



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