CN102504485B - 基于扫描电子显微镜所用导电树脂及其制备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于扫描电子显微镜所用导电树脂及其制备，属于树脂复合材料技术领域。以环氧树脂作为基材，乙二胺作为固化剂，锡银铜粉或银包铜粉作为导电颗粒，其成分的质量百分比如下：环氧树脂32％～34％，乙二胺3％～4％，锡银铜粉或银包铜粉62％～65％。向环氧树脂中加入乙二胺，同时搅拌均匀；加入导电颗粒，边加搅拌，直至导电颗粒全部分散均匀，且胶状混合物达到基本固化的程度；将胶状混合物加入到模具里；室温干燥固化，取出样品。此导电树脂完全可以满足SEM的观察需要。

Description

基于扫描电子显微镜所用导电树脂及其制备

技术领域

本发明使用材料科学与工程中材料加工技术，用于扫描电子显微镜对金属样品的观察，属于树脂复合材料技术领域。

背景技术

光学显微镜是利用光学原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结构信息的光学仪器。扫描电子显微镜(简称“扫描电镜”或“SEM”)是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观性貌观察手段，可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。

扫描电镜从原理上讲就是利用聚焦的非常细的高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息。通过对这些信息的接受、放大和显示成像，获得对试样表面性貌的观察。具有高能量的入射电子束与固体样品的原子核及核外电子发生作用后，可产生多种物理信号。

目前的扫描电镜都配有X射线能谱仪装置，这样可以同时进行显微组织形貌的观察和微区成分分析，因此它是当今十分有用的科学研究仪器。现如今，光学显微镜已经不能满足人们对科学研究的需要，扫描电子显微镜已经逐渐替代其在实验室中的地位。但是，随着扫描电子显微镜的普及，愈来愈多的问题也随之突显出来。

在使用显微镜观察样品时，通常需要对样品进行打磨抛光。但小尺寸的样品一般不方便直接处理，实验室中常用的方法一般是将样品冷镶或热镶入合成树脂中再处理。当使用光学显微镜时，此法可行；但在使用SEM时，多数合成树脂不具备良好的导电性能，在电子束射入时，样品表面会产生电荷积累，产生放电现象，严重地影响了扫描电子显微镜的观察。

在使用SEM时，实验室通常的处理方法法是在样品表面喷涂一层金膜，将积累的电荷扩散开。但是金膜能够阻止X射线的射入，故无法用扫描电子显微镜对样品进行化学分析。另外，金属镀膜法成本较高，且可能会对样品表面造成损伤。

发明内容

本发明目的在于提供基于扫描电子显微镜观察所用导电树脂(见图1)，可以有效地解决上述问题。导电树脂是在导电性能差的环氧树脂中添加导电性能优良的添加物，使其具有一定的导电性能。这种导电环氧树脂新型复合材料主要应用于实验室中使用SEM观察冷镶或热镶于其中的尺寸较小的样品结构。

本发明的基于扫描电子显微镜所用导电树脂，其特征在于，环氧树脂作为基材，乙二胺作为固化剂，锡银铜粉或银包铜粉作为导电颗粒，其成分的质量百分比如下：环氧树脂32％～34％，乙二胺3％～4％，锡银铜粉或银包铜粉62％～65％。其中，每个导电颗粒均为锡银铜粉组成的颗粒或银包铜粉；导电颗粒银包铜粉中组份的质量比例为：金属银18％，金属铜82％；颗粒大小为直径30～50μm。导电颗粒锡银铜粉的质量比例为：金属银3％，金属铜0.5％，96.5％金属锡；颗粒大小为直径30～50μm。

上述基于扫描电子显微镜所用导电树脂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)分别按比例称取环氧树脂、乙二胺、锡银铜粉或银包铜粉导电颗粒；

2)向环氧树脂中加入乙二胺，同时搅拌均匀；

3)缓慢加入锡银铜粉或银包铜粉导电颗粒，一边加，一边搅拌，防止固化过快成结块，导致剩余的锡银铜粉或银包铜粉导电颗粒因固化分散不均，直至全部锡银铜粉或银包铜粉导电颗粒加入到环氧树脂中。

4)搅拌直至锡银铜粉或银包铜粉导电颗粒全部分散均匀，且胶状混合物达到基本固化的程度。

5)在模具里涂抹脱模剂，待干燥后，然后将搅拌好的胶状混合物加入到模具里；

6)室温干燥固化，取出样品。

导电树脂的导电原理如下所述：

导电树脂的导电性是靠填充的金属粒子提供，树脂内部金属粒子之间相互接触形成导电通路。导电理论认为树脂内部粒子与粒子之间形成接触电阻，而所有的接触电阻与粒子的本征电阻的总和为导电树脂的总电阻。如公式(1)(2)所示。

R_C＝ρ_i/d+ρ_i/a      (1)

R＝M(R_C+R_i)/N        (2)

其中RC为粒子的接触电阻，为粒子的本征电阻，为粒径大小，为隧穿电阻，a为粒子间接触面积，R为体系总电阻，M为一条导电通路中的粒子个数，N为导电通路的个数。

用圆柱体模具将树脂制成圆柱体，经打磨后测出其长L，直径d。用电阻率测定仪以1μA的恒定电流流过导电树脂，并测其两端电压。

用公式

R＝ρL/s＝U/I。

有益效果：

导电树脂能够较好地解决使用扫描电子显微镜观察时样品的处理问题。

第一，我们在基材环氧树脂中按一定比例加入锡银铜粉，均匀搅拌后，金属粉互相接触，在环氧树脂中形成纵向的导电通路，扫描电子显微镜发出的电子束打在样品上之后，电子会从导电树脂内部沿导电通路纵向传输至底部的传感器，进而显示样品的表面结构，防止电荷在样品表面积累，避免因电荷积累而产生的放电现象，影响扫描电子显微镜成像。

第二，本发明产品用于金属样品的冷镶。实验室中通常用热镶法，这种方法需在高温和高压的环境下进行，且只适用于铁、铜等熔点较高的金属，而熔点较低的金属(如：镁、铝等)热镶后可能会改变其组成结构等某些物理或化学的性质。相对的，冷镶技术是在室温下固化镶嵌，不会因高温影响金属的性质，故其对金属的熔沸点要求不高，同样适用于熔点较低的金属，能够最大限度地保护样品。

第三，目前实验室中常用的导电处理方法是金属镀膜法，喷金后会在样品表面形成一层金膜，但X射线无法透过金膜，故不能对样品进行化学分析。与之相比，导电树脂无需在样品表面进行导电处理，所以能够很好地进行样品化学性质的分析。

第四，本发明的主要材料——环氧树脂、导电颗粒，都是实验室以及生活中常见物质，原料丰富，易于加工，成本相对于金属镀膜法较为低廉。其中，导电塑料所用填料锡银铜粉的的市价仅为200元人民币每1000克，而银包铜粉的市价却高达450元人民币每1000克。相比之下，本发明的成本大大降低。

使用扫描电子显微镜对导电树脂进行观察(如图2)，导电塑料没有出现放电现象，可知此导电树脂完全可以满足SEM的观察需要。

另外，本发明应用了树脂与填充物的混合技术以及电阻率的测定技术，运用合成树脂和不同的添加剂，在价格可以接受的条件下，达到我们所需要的导电性能。我们的作品具有良好的导电效果，改变了一般树脂不导电的情况；制备完成测试后，可以逐步取代现在常用的金属镀膜法，克服其操作难、价格贵等缺点。我们的导电合成树脂可以加工成型，主要应用于扫描电子显微镜的样品处理和观察。本作品也可应用于其他的轻质导电材料应用领域，如电子、电器领域中生产精密电子元件所需的防静电周转箱、晶片载体等，前景可以说不言而喻。推广以后可以应用材料成型技术，制作成各种应用于特定场所的不同形状和规格。

在便携电源开发上，导电塑料用途广阔。使用导电塑料做的电池更有利于保护环境。在微芯片的开发上，塑料芯片有可能取代硅芯片。导电塑料制造的显示屏可以用于移动电话手机、太阳能电池和微型电视等。在电磁防护品市场，导电塑料显示出巨大优越性。在蓄电功能的开发上，导电塑料将替代电解电容器。在机器人的制造上，导电塑料潜力巨大。在生命科学领域，导电塑料可制成智能材料。导电塑料在其他方面还有更多的应用，比如，利用它对电信号的敏感性，可以用来制作传感器；由于它能够吸收微波，调制成飞机涂料还可以起到逃避雷达的隐型效果；在火箭、船舶、石油管道以及污水管道中，还可以发挥它的防腐功能。

附图说明

图1为实施例或2的导电树脂的外貌图；

图2为实施例1的以银包铜粉粉为填料的导电树脂和铜片的SEM图；

其中右半部为铜片，左半部为导电树脂；左半部树枝状的为银包铜粉，发亮的为环氧树脂；

图3为实施例2的以Sn-Ag-Cu粉为填料的导电树脂和铜片的SEM图；

其中左半部为铜片，右半部为导电树脂；右半部颗粒状的为Sn-Ag-Cu粉，其余为环氧树脂。

具体实施方式

实施例1

为了使塑料达到导电的目的，本发明使用原料：环氧树脂作为基材，乙二胺作为固化剂，银包铜粉作为导电颗粒(金属银18％，金属铜82％；颗粒大小为直径30～50μm)。所需实验用具：玻璃棒，药匙，抛光液，抛光布，塑料杯，圆柱型模具5个，以及5个待观察内部组织的铜片，电子天平。具体方法包括如下所述：

1.按比例用电子天平称取环氧树脂80g、乙二胺8g、银包铜粉160g，分别置于三个相同的塑料杯中。

2.向装有环氧树脂的塑料杯中加入乙二胺，同时搅拌均匀。

3.缓慢加入银包铜粉，一边加，一边搅拌，防止固化过快成结块，导致剩余的银包铜粉因固化分散不均，直至全部银包铜粉加入到环氧树脂中。

4.搅拌大约10分钟，直至这些全部分散均匀，且胶状混合物达到基本固化的程度。

5.在模具里涂抹脱模剂，待干燥后，在底层放入铜片，然后将搅拌好的胶状混合物分别加入到模具里。

6.室温干燥固化，等待约12小时。

7.固化后，取出样品，样品呈暗红色。

经实验计算得，所得产品电阻率ρ＝6.88Ω·cm，样品抛光后使用SEM观察，未发生放电现象，见图2。

改变上述制备方法中的原料用量：环氧树脂32％～34％，乙二胺3％～4％，银包铜粉62％～65％，所得产品电阻率ρ＝5～10Ω·cm。

实施例2

为了减少费用，使实验更加经济，本发明也可用价格较为低廉的锡银铜粉代替价格昂贵的银包铜粉。实验原料：基材环氧树脂，固化剂乙二胺作，导电颗粒锡银铜粉(金属银3％，金属铜0.5％，96.5％金属锡；颗粒大小为直径30～50μm)，所需实验用具：玻璃棒，药匙，抛光液，抛光布，塑料杯，圆柱型模具5个，以及5个待观察内部组织的铜片，电子天平。具体方法包括如下所述：

1.按比例用电子天平称取环氧树脂80g、乙二胺8g、锡银铜粉160g，分别置于三个不同的塑料杯中。

2.向装有环氧树脂的塑料杯中加入乙二胺，同时搅拌均匀。

3.缓慢加入锡银铜粉，一边加，一边搅拌，防止固化过快成结块，导致剩余的锡银铜粉因固化分散不均，直至全部锡银铜粉加入到环氧树脂中。

4.搅拌大约10分钟，直至这些全部分散均匀，且胶状混合物达到基本固化的程度。

5.在模具里涂抹脱模剂，待干燥后，在底层放入铜片，然后将搅拌好的胶状混合物分别加入到模具里。

6.室温干燥固化，等待约12小时。

7.固化后，取出样品，样品呈青灰色。

经实验计算得，产品电阻率ρ＝8.03Ω·cm，样品抛光后使用SEM观察，未发生放电现象见图3。

改变上述制备方法中原料用量：环氧树脂32％～34％，乙二胺3％～4％，锡银铜粉62％～65％，产品电阻率ρ＝8～30Ω·cm。

Claims (2)

1.基于扫描电子显微镜所用导电树脂，其特征在于，环氧树脂作为基材，乙二胺作为固化剂，锡银铜粉或银包铜粉作为导电颗粒，其成分的质量百分比如下：环氧树脂32％～34％，乙二胺3％～4％，锡银铜粉或银包铜粉62％～65％；其中，每个导电颗粒均为锡银铜粉组成的颗粒或银包铜粉；导电颗粒银包铜粉中组份的质量比例为：金属银18％，金属铜82％；颗粒大小为直径30～50μm；导电颗粒锡银铜粉的质量比例为：金属银3％，金属铜0.5％，96.5％金属锡；颗粒大小为直径30～50μm。

2.权利要求1所述的基于扫描电子显微镜所用导电树脂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)分别按比例称取环氧树脂、乙二胺、锡银铜粉或银包铜粉导电颗粒；

2)向环氧树脂中加入乙二胺，同时搅拌均匀；

3)缓慢加入锡银铜粉或银包铜粉导电颗粒，一边加，一边搅拌，防止固化过快成结块，导致剩余的锡银铜粉或银包铜粉导电颗粒因固化分散不均，直至全部锡银铜粉或银包铜粉导电颗粒加入到环氧树脂中；

4)搅拌直至锡银铜粉或银包铜粉导电颗粒全部分散均匀，且胶状混合物达到基本固化的程度；

5)在模具里涂抹脱模剂，待干燥后，然后将搅拌好的胶状混合物加入到模具里；

6)室温干燥固化，取出样品。

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