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二合一顯微鏡,一鍵精準定位,可視化磁性表征,為高性能復合材料研發(fā)破局

時間:2025-5-19閱讀:81

導語:

 

在航空航天、機械加工等高科技工業(yè)領(lǐng)域,高性能復合材料如WC-Co的需求日益增長。然而,傳統(tǒng)表征技術(shù)難以揭示其微觀結(jié)構(gòu)與性能的復雜關(guān)系。近日,Graz電子顯微鏡中心功能納米制造部門負責人Harald Plank教授發(fā)表文章,詳細介紹了關(guān)聯(lián)顯微技術(shù)(Correlative Microscopy)在WC-Co復合材料研發(fā)中的突破性應(yīng)用,F(xiàn)usionScope®作為其中的核心設(shè)備,為材料科學帶來了全新的解決方案。

 

二合一顯微鏡,一鍵精準定位,可視化磁性表征,為高性能復合材料研發(fā)破局

圖1. AFM/SEM二合一顯微鏡

 

高性能復合材料的挑戰(zhàn)與機遇

 

WC-Co復合材料以其優(yōu)異的硬度和韌性著稱,但其性能高度依賴于WC晶粒與Co粘結(jié)相的微觀結(jié)構(gòu)平衡。傳統(tǒng)工藝中,高溫燒結(jié)易導致晶粒粗化和元素擴散,進而影響材料性能。當前面臨的主要挑戰(zhàn)包括:

 

粘結(jié)相優(yōu)化:Co相的分布與成分直接影響材料的韌性與硬度平衡。

磁性性能調(diào)控:W和C擴散導致的Co相成分變化可能引發(fā)局部磁性差異,進而影響材料性能。

化學蝕刻控制:表面Co相的精確蝕刻是后續(xù)涂層工藝的關(guān)鍵步驟,需確保一致性。


關(guān)聯(lián)顯微技術(shù)的革命性突破

 

為應(yīng)對這些挑戰(zhàn),Plank教授團隊采用將掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)和磁力顯微鏡(MFM)技術(shù)集于一體的FusionScope®平臺,實現(xiàn)了從宏觀到納米尺度的多模態(tài)表征。其工作流程包括:

 

SEM精準導航:利用 FusionScope® 中 SEM 的高分辨率成像能力,能夠精確定位復合材料中的感興趣區(qū)域,為后續(xù)的深入分析提供準確的目標。

AFM/MFM分析:借助 AFM 的高分辨率表面形貌成像和 MFM 對磁性的靈敏探測,深入揭示了Co相的納米級分布及磁性變化。

EBSD與TEM驗證:結(jié)合電子背散射衍射(EBSD)和透射電鏡(TEM),對元素擴散情況和缺陷結(jié)構(gòu)進行進一步驗證分析。

 

下圖2展示了MFM信號差異可指示Co相中W和C的擴散程度,而EBSD和TEM數(shù)據(jù)則為工藝優(yōu)化提供直接依據(jù)。

 

 

二合一顯微鏡,一鍵精準定位,可視化磁性表征,為高性能復合材料研發(fā)破局

圖2. 研發(fā)復合材料加工利用FusionScope作為核心元素的相關(guān)顯微鏡。(a)SEM確定感興趣的區(qū)域,隨后進行AFM和MFM成像;(b)定位與Co相關(guān)的磁區(qū);(c)同一區(qū)域的EBSD提供了全面的晶體取向數(shù)據(jù),隔離了所需的Co相;(d)與MFM數(shù)據(jù)(e)的直接相關(guān)性突出了部分磁性Co相(黃色箭頭)和非磁性Co相(白色箭頭);感興趣的區(qū)域,如紅色圓圈多標記的區(qū)域,精確地指導了基于TEM的元素映射和相關(guān)的高分辨率成像(f),揭示了封裝的最低磁性Co相的偏差,在這種情況下,F(xiàn)usionScope作為優(yōu)化,質(zhì)量控制和故障分析的核心工具是至關(guān)重要的。

 

FusionScope®:材料研發(fā)的“全能助手”


FusionScope®集成了復雜工作流程所需的功能,簡化了導航、分析和將納米級特性與互補技術(shù)相關(guān)聯(lián)的過程,通過高分辨率的SEM成像進行精確導航,先進的MFM進行詳細的磁性測繪,確保了關(guān)鍵信息的一致和對齊,它的設(shè)計最大限度地降低了技術(shù)轉(zhuǎn)換期間不對齊活數(shù)據(jù)丟失風險,這對準確分析至關(guān)重要,主要優(yōu)勢包括:

 

多模態(tài)一體化精準分析FusionScope®將SEM、AFM、MFM等多種技術(shù)集成于同一平臺,避免了傳統(tǒng)多設(shè)備聯(lián)用過程中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)錯位問題。

納米級精度保障數(shù)據(jù)可靠:憑借SEM引導的靶向分析與MFM的高精度磁性映射功能,有效確保了數(shù)據(jù)準確性。

廣泛應(yīng)用場景:從工藝優(yōu)化、質(zhì)量控制到失效分析,覆蓋材料研發(fā)全周期。

 

 

二合一顯微鏡,一鍵精準定位,可視化磁性表征,為高性能復合材料研發(fā)破局

圖3. 將FusionScope作為相關(guān)顯微鏡的核心工具,通過其特有的、完全集成的多模式功能,促進了感興趣區(qū)域的識別和先進的表面表征。其納米級的分辨率可在最初的步驟中精確對準樣品,隨后實施材料分析。

 

正如 Harald Plank 教授所言:“FusionScope”不僅是工具,更是連接基礎(chǔ)研究與工業(yè)應(yīng)用的橋梁。它幫助我們揭示了WC-Co復合材料中以往無法觀測的微觀現(xiàn)象,為新材料設(shè)計提供了關(guān)鍵支持。”

未來展望

 

隨著材料科學不斷向納米尺度發(fā)展,關(guān)聯(lián)顯微技術(shù)的重要性日益凸顯。FusionScope®憑借其超卓的靈活性與多功能性,在鋼鐵處理、新能源材料等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。未來,Quantum Design將進一步探索其在3D納米探針制造等前沿領(lǐng)域的應(yīng)用潛力,推動產(chǎn)學研深度融合,為材料科學的發(fā)展注入新動力。

 

關(guān)于作者

 

Harald Plank教授任職于格拉茨工業(yè)大學,是“Christian Doppler實驗室”主任,長期專注于功能納米制造技術(shù)研發(fā)及工業(yè)轉(zhuǎn)化。其團隊憑借先進顯微技術(shù),為全球客戶提供復雜材料問題的解決方案。

 

 

 

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