扫描电镜研究陶瓷-金属结合界面的样品制备方法

(华南理工大学材料学院实验中心，广州 510641)

陶瓷材料具有许多优异的性能，如耐高温、耐磨损、高强度等[1，2]，在航天、机械、能源等诸多领域[3，4]都有着重要应用。但陶瓷材料的塑性低、韧性差、耐冲击性差、加工成形性能差。传统的金属材料具有强韧性与高塑性，将二者采用特定的连接技术制备陶瓷-金属复合构件，可以互相弥补彼此性能上的不足，且能满足现代工程需要[5，6]。金属与陶瓷的连接逐渐成为现代制造业中重要的加工手段。

但陶瓷与金属之间的结合属于异质连接，不但要考虑两者的物理相容性和化学相容性，而且陶瓷与金属的热膨胀系数差异较大。因此，陶瓷与金属之间的界面结合情况对陶瓷-金属结合后的性能影响具有很重要的影响。在对陶瓷-金属结合界面的表征中，扫描电镜是经常使用的工具。所以采用扫描电镜对陶瓷-金属界面进行形貌观察，辅以成分分析，是表征陶瓷-金属结合优劣的重要手段。

陶瓷-金属界面研究的扫描电镜样品的制备相对简单，但也是影响其形貌表征的重要的步骤，样品的制备方法直接影响最终成像质量，乃至结果分析。通常的制备方法做垂直陶瓷-金属结合界面的截面，通过对截面形貌及成分的变化进行表征，从而对陶瓷-金属结合情况进行研究。本研究采用扫描电子显微镜和能谱仪对陶瓷-金属结合界面的截面进行了研究，探讨了不同制样方法对观测结果的影响。该方法旨在揭示不同制样方法对扫描电镜观察样品形貌的影响。

1 材料与方法

1.1 实验仪器

本实验所使用的主要仪器为：扫描电子显微镜(日立SU8220)；真空镀膜仪(LEICA EM SCD 500)；能谱仪(牛津X-MaxN)。

1.2 实验方法

1.2.1材料

陶瓷-金属界面结合样品制备方法为两片陶瓷表面进行抛光处理后，中间放入某种金属薄片，在高温高压环境下进行烧结而成。

1.2 样品的制备和观察

1.2.1样品的制备

两种不同的样品制备方法：一种是取陶瓷-金属结合界面的截面样品，进行机械抛光；一种是通过对陶瓷-金属结合界面施加一个垂直的力，使样品自然断裂，形成垂直陶瓷-金属结合面的断面。

1.2.2样品的观察

样品制备好后，用导电胶粘在扫描电镜样品台上，经真空镀膜仪喷金(pt)镀膜后，用扫描电镜观察、拍照，能谱仪进行成分分析。

2 结果

2.1 机械抛光的陶瓷-金属结合界面的样品

将截取后的陶瓷-金属界面进行机械抛光后，用导电胶粘在扫描电镜样品台上，喷金镀膜后进行形貌观察，如图1所示。图1电子枪加速电压为10kV时的二次电子形貌图。从图中可以看出，经抛光后，整个样品表面平整。此时，图像清晰，分辨率高。金属与陶瓷界面平直，结合较好，结合处没有气孔等缺陷。

图1 机械抛光样品的SEM像

2.2 直接断裂的陶瓷-金属结合界面的样品

垂直陶瓷-金属结合界面施加冲击，使样品断裂，对断裂后露出来的陶瓷-金属结合界面的截面进行观察。图2是电子枪加速电压为10kV的二次电子形貌图。可以看出，陶瓷间金属层发生了脆性断裂，这是受金属的本身性质以及制备条件影响。再加上两侧陶瓷的脆性断裂，所以整个样品的表面较为平整，陶瓷和金属的结合界面很清晰。进一步放大，如图3所示，可以很清楚的看到界面结合处陶瓷颗粒与金属颗粒的大小及结合情况，金属与陶瓷很好的结合在一起，没有气孔或者结合不好等缺陷。

为了观察金属层中金属元素的分布状况，对界面处进行了背散射电子(BSE)形貌观察。图4(a)和图4(b)分别是同一位置电子枪加速电压为10kV和20kV背散射形貌图，与图4(a)相比较，电子枪加速电压从10kV提高到20kV后，陶瓷间金属层内的衬度发生了改变，从一定程度上说明了金属层内的成分变化状况，如图4(b)中所示。

图2 10kv断裂样品SEM形貌像

图3 断裂样品SEM形貌放大像

图4 断裂样品背散射形貌像

2.3 能谱分析

图5(a)所示为图4中背散射电子(BSE)形貌处进行成份分析。在电子枪加速电压20kC下对陶瓷-金属界面的截面用能谱仪做面扫描分析，图5(b)和图5(c)分别是金属层中某种原子序数小和某种原子序数大的元素的分布结果，很好的对应了图5(a)中金属层中衬度明暗的分布。

图5 面扫描图像及元素分布

3 讨论

扫描电镜是现代材料分析方法中常用的表征工具。扫描电镜二次电子形貌是形貌衬度，主要取决于样品表面相对于入射电子束的倾角。对于表面光滑平整的样品，如采用机械抛光的方法制备的样品，则形成的表面衬度小，得到的表面细节也少，如本文中的图1。

利用陶瓷脆性大的特点，断裂形成的样品中，陶瓷与金属侧形成了许多凸起、凹坑和台阶，因而图像的衬度较大，也就能得到更多的关于界面结合的细节信息，如图2、图3中所示。将电子枪加速电压从10kV增加到20kV，加速电压越大，有助于提高信号的电子产率；并且加速电压越大，电子束能量越大[7]，与样品表面作用区域越深。成像信号来自材料内部的深度和范围也相应增大，这时的图像是内部结构与表面结构的混合图像，导致图4(b)中表面图像的清晰度和分辨率较图4(a)中有所降低。但对于背散射电子(BSE)形貌来说，背散射电子大部分来自于样品的较深部位。加速电压加大，高原子序数的元素由于原子结构的复杂，使得背散射电子产出增加，在图像上表现为金属层中由于不同金属间由于原子序数差异导致的衬度较为明显，如图4(b)中所示。

由此，同一个样品，采用不同的制备方法，得到的关于样品的结构信息是不一样的。扫描电镜成像中，不同的参数设置，获得的样品的结构信息也是有差异的。在实际操作中，应针对不同样品，灵活选择制样方法，达到获取样品真实结构信息的目的。

4 结论

(1)机械抛光制备的陶瓷-金属界面结合的样品，表面平整，图像清晰，分辨率高，陶瓷与金属界面结合良好。

(2)直接断裂形成的陶瓷-金属样品，由于金属层和陶瓷的脆性断裂，样品表面平整，金属与陶瓷结合界面及两侧金属与陶瓷颗粒的形貌清晰。

(3)电子枪加速电压从10kV增加到20kV，在背散射电子(BSE)形貌图中，陶瓷间金属层中不同元素由于原子序数差异形成的衬度明显。

(4)电子枪加速电压20kV下，陶瓷间金属层的能谱面扫描分析结果与背散射电子(BSE)形貌具有很好地衬度对应。