CN105510097A - 一种基于透射电子显微镜的陶瓷材料失效分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于透射电子显微镜的陶瓷失效分析方法，利用透射电子显微镜进行失效分析的陶瓷制样方法，包括如下步骤：1)将失效陶瓷样品切割为均匀薄片；2)将得到的圆片研磨到厚度为70-90μm，并在圆片的中央部位磨成深度为50-70μm的凹坑；3)将步骤2)中得到的带有凹坑的圆片放入离子减薄仪中进行减薄。将减薄后的试样进行镀金属膜；利用透射电子显微镜对步骤2)得到的试样进行观察，并进行EDS分析，分析陶瓷材料失效的原因；本发明打破了常规的表面观察法，在高倍数下观察失效材料的表面和内部的形貌，精确地做出成分分析，可以不破坏原子结构的基础上观察不同原子间的结构及内部细小的裂纹，准确地确定失效的具体位置及失效的真正原因。

Description

一种基于透射电子显微镜的陶瓷材料失效分析方法

技术领域

本发明涉及陶瓷材料失效分析领域，尤其涉及一种基于透射电子显微镜的陶瓷材料失效分析方法。

背景技术

陶瓷材料作为一种绝缘材料，其抗高温，抗腐蚀，抗磨损的优良特性逐渐被应用在航空航天、国防军事、工业生产等各个领域，例如陶瓷电容器，陶瓷绝缘子等。基于陶瓷材料的结构件在国家电网以及高铁、地铁等交通运输供电网络系统中的应用是保障供电安全、运输畅通不可缺少的关键构件。此类陶瓷结构件的断裂失效往往会导致电网的瘫痪、整个交通运输线的延误或发生重大安全事故。特别是随着我国经济的发展，由此类材料失效引发事故的快速增长，造成的损失越发巨大，也带来了重大的不良社会影响。基于陶瓷材料结构件的失效分析及安全评估工作具有不可替代的重要作用。因此，陶瓷结构件的损坏、断裂等失效问题已逐渐成为人们研究的热点问题。

由于陶瓷本身是一种脆性材料，在烧制的过程中任何细节上的处理都有可能影响其在实际生产应用中的使用寿命。选取在实际应用中已失效的陶瓷材料研究其失效原因，可以逐步提高陶瓷构件的生产质量，延长陶瓷构件在实际生产应用中的使用寿命，更好地避免陶瓷材料的失效问题。探究陶瓷材料失效的分析方法，选取简单准确的方法分析陶瓷材料的失效问题，有助于短时间优化陶瓷的制备工艺，提高陶瓷材料的应用价值。

现有的材料失效分析方法是将失效的陶瓷元件制成简单的金相切片样品，在金相显微镜或扫描电子显微镜下观察切片的形貌。由单纯的表面形貌结合元素分析推测陶瓷元件的失效原因。但在实际分析中发现，仅凭借表面形貌和元素分析并不能准确地确定陶瓷元件的失效原因。例如，一些细小的裂纹无法在表面观察到，并且无法细致清楚的观察原子间存在的可能导致陶瓷构件失效的问题。所以亟待需要提供一种可以清晰明确地观察陶瓷元件表面及内部结构特征、准确定位陶瓷失效位置的陶瓷材料失效分析方法。

发明内容

本发明提供一种基于透射电子显微镜的陶瓷材料失效分析方法，可以清晰明确地观察陶瓷元件表面及内部结构特征、准确定位陶瓷失效位置，提高分析成功率。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

透射电子显微镜在陶瓷材料分析中的应用。

现有技术中有利用透射电子显微镜对钢铁进行失效分析的，钢铁的韧性高、可塑性强，所以在透射电子显微镜制样过程中没有多大困难，而陶瓷产品的质地硬、本质脆，在研磨抛光以及减薄的过程中极易发生粉碎和断裂，所以，本领域一直认为陶瓷产品无法进行制样，进而无法利用透射显微镜进行失效分析。

利用透射电子显微镜进行失效分析的陶瓷制样方法，包括如下步骤：

1)将失效陶瓷样品切割为均匀薄片，将切割得到的均匀薄片冲成设定直径的圆片；

2)将得到的圆片研磨到厚度为70-90μm，并在圆片的中央部位磨成深度为50-70μm的凹坑；磨制凹坑的目的是为了减少后续离子减薄的时间，以提高减薄效率。

3)将步骤2)中得到的带有凹坑的圆片放入离子减薄仪中进行减薄。

优选的，步骤2)中，凹坑磨制过程中要对圆片试样精确对中。

凹坑的目的是增大薄区面积，定位减薄位置，精确对中以后方便确定凹坑的最低点为式样中心，在减薄时穿透点才会在式样中心，方便电子束精准投射。

优选的，步骤2)中，在圆片的中央部位磨成凹坑后，需要将圆片放在丙酮中浸泡、清洗和晾干。

优选的，步骤3)中，离子减薄的时间为2-3天。

陶瓷为绝缘材料，不适用于导电材料才适用的电解双喷减薄方法，更不需要去除电解时的附着物，可以直接进行离子减薄，步骤简单，节省时间，对仪器要求也不复杂。

上述陶瓷制样方法制备的基于透射电子显微镜进行陶瓷失效分析的陶瓷失效试样。

所述陶瓷失效试样在利用透射电子显微镜的陶瓷材料失效分析中的应用。

一种基于透射电子显微镜的陶瓷材料失效分析方法，包括如下步骤：

1)获得待测失效陶瓷材料试样，对待测失效陶瓷材料进行减薄；

2)将减薄后的试样进行镀膜；

由于陶瓷材料是绝缘体，而透射电子显微镜是根据电子束的衍射和反射来反应材料的物相，所以要求待检测材料必须是导电的，所以在陶瓷试样的表面镀上金属膜，保证陶瓷试样的导电性。

3)利用透射电子显微镜对步骤2)得到的试样进行观察，并分析陶瓷材料失效的原因；

4)利用透射电子显微镜对试样进行EDS分析，并分析陶瓷材料失效的原因，并进行总结分析。

EDS分析主要是分析陶瓷材料内部的元素种类和元素含量，透射电子显微镜可以透过表面检测到材料内部的元素种类和含量，这是扫描电子显微镜无法达到的，通过元素种类的不同和含量的差别可以从根本上找到陶瓷失效的原因。

优选的，步骤1)中，还包括收集结构件的技术资料及失效信息，优选的，所述技术资料及失效信息包括结构件生产要求、加工工艺、结构设计、使用环境、使用年限以及受力情况。

目的是帮助初步判断失效的原因及机制，方便找准后续研究的方向，减少不必要的弯路。

优选的，步骤1)中，待测失效陶瓷材料试样经研磨抛光处理，处理后的厚度为30μm以下。

优选的，步骤1)中，利用离子减薄仪对待测失效陶瓷材料进行减薄。

优选的，步骤2)中，镀的膜为金膜或碳膜，优选金膜，涂膜区域的半径为8-12mm。

镀膜时可镀金或碳，选择镀金是因为操作简单，且不影响对陶瓷材料中可能存在的杂质元素的判断。

优选的，步骤3)和步骤4)中的透射电子显微镜为200kV场发射透射电子显微镜，具体参数如下：点分辨率：0.19nm，线分辨率：0.14nm，加速电压：80、100、120、160、200kV，倾斜角：25°。

本发明的有益技术效果为：

本发明方法打破了常规的表面观察法，可以在高倍数下观察失效材料的表面和内部的形貌，并且精确地做出成分分析，可以在不破坏原子结构的基础上观察不同原子间的结构及内部细小的裂纹，从而准确地确定失效的具体位置及失效的真正原因。

附图说明

图1为本发明实施例提供的已损坏的陶瓷绝缘子宏观形貌；

图2断口表面黄色区域的微观形貌200×；

图3断口表面灰色区域的微观形貌200×；

图4绝缘子中粘土的TEM微观形貌10000×；

图5断口黄色薄层的TEM微观形貌50000×。

具体实施方法

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

图1为本发明实施例提供的已损坏的陶瓷绝缘子宏观形貌。该损坏的绝缘子为地铁某路段架空输电线路的一支陶瓷馈线绝缘子。断裂后，绝缘子与馈线连接的部分跌落。由断面特征可知，绝缘子为横向断裂(垂直于轴向)，断口表面虽有高低起伏，但总体比较平齐。整个断面呈现出截然不同的两种颜色，外边缘为灰色环形区域，内部为黄色环形区域。

将断面的灰色区域与黄色区域分别取样，放入扫描电镜(SEM)对微观形貌进行检查。图2和图3分别为这两种不同颜色区域的微观形貌图，黄色区域的微观形貌与灰色区域相比较粗糙。将黄色区域和灰色区域样品进行扫描电子显微镜EDS分析。结果发现灰色区域的主要元素为O，Al，Si，K，Ti，Fe。黄色区域含有的元素为O，Na，Mg，Al，Si，k，Ca，Ti，Cr，Fe。

在扫描电子显微镜观察的基础上，采用透射电子显微镜对黄色区域和灰色区域进行观察。其具体步骤包括：

(1)取绝缘子试样灰色区域的陶瓷材料制成薄片，并进行研磨抛光，先用600目金刚砂纸进行粗磨，研磨至手能拿到的最薄厚度，再用1000目金刚石砂纸进行细磨，直到陶瓷材料试样表面出现镜面。

(2)将抛光后的样品(灰色)贴上Cu环，减掉多余的部分，上离子减薄仪剪至穿孔。

(3)将已穿孔的样品(灰色)放到离子镀膜仪上镀上金膜。

(4)将镀膜厚的样品(灰色)放入提供的透射显微镜下观察。通过观察，可以清晰的透过样品的表面观察到样品内部的物相分布。如图4，可以清晰的观察到灰色区域内部黏土的微观形貌及分布情况。

(5)将样品(灰色)放入透射电子显微镜下做EDS分析。灰色区域内部所含有的元素为O，Al，Si，K，Ti，Fe。结果与扫描电子显微镜EDS结果相似，说明灰色区域表面与内部物质组成相同，分布均匀。

(6)取绝缘子试样黄色区域的陶瓷材料制成薄片，并进行研磨抛光，先用600目金刚砂纸进行粗磨，研磨至手能拿到的最薄厚度，再用1000目金刚石砂纸进行细磨，直到陶瓷材料试样表面出现镜面。

(7)将抛光后的样品(黄色)贴上Cu环，减掉多余的部分，上离子减薄仪剪至穿孔。

(8)将已穿孔的样品(黄色)放到离子镀膜仪上镀上金膜。

(9)将镀膜厚的样品(黄色)放入提供的透射显微镜下观察。通过观察，可以清晰的透过样品的表面观察到样品内部的原物相分布。如图5，可以清晰的观察到黄色区域内部的物相分布及其质地不均匀，有明显的杂质相。

(10)将样品(黄色)放入透射电子显微镜下做EDS分析。黄色区域内部所含有的元素为O，Na，Mg，Al，Si，k，Ca，Ti，Cr，Fe，Cu。结果与扫描电子显微镜EDS结果相比多了Cu元素，且Fe元素含量比灰色区域高。

通过透射电子显微镜对断口处黄色及灰色区域的断面及横截面的元素成分分析表明，黄色区域含有Cr，Mg，Cu等常规陶瓷材料没有(或含量非常低)的杂质元素。研究表明，杂质元素在陶瓷材料中的存在和聚集会引起材料中电荷分布不均匀和材料性质的各向异性，因而易产生缺陷，是导致该绝缘子在制作过程中出现微裂纹的可能原因。此外，通过透射电子显微镜下EDS的分析，黄色区域的Fe元素含量明显高于常规灰色区域Fe元素的含量，导致这一现象的原因除材料本身在该区域可能含有较高含量的Fe元素外，也有研究表明，此类微裂纹在焙烧过程的高纯氧环境中可能引起周围Fe元素向断面处的迁移。所以，杂质元素在陶瓷材料中的存在和聚集，是导致该绝缘子在制作过程中出现微裂纹的原因。

通过本实施例也可以发现透射电子显微镜分析陶瓷材料的断裂原因相较于常规使用的扫描电子显微镜有明显的优势。扫描电子显微镜只观察到了损坏绝缘子不同区域的表面形貌及表面的元素含量，不具有代表性。而透射电子显微镜中观察到了损坏绝缘子不同区域内部的形貌及物相分布，并精确的分析了样品内部元素的种类和含量，并且检测到了扫描电子显微镜中无法检测到的Cu元素。这对分析陶瓷断裂的原因有着关键性的作用。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.透射电子显微镜在陶瓷材料分析中的应用。

2.利用透射电子显微镜进行失效分析的陶瓷制样方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将失效陶瓷样品切割为均匀薄片，将切割得到的均匀薄片冲成设定直径的圆片；

2)将得到的圆片研磨到厚度为70-90μm，并在圆片的中央部位磨成深度为50-70μm的凹坑；

3)将步骤2)中得到的带有凹坑的圆片放入离子减薄仪中进行减薄，达到设定厚度，即得样品。

3.根据权利要求2所述的陶瓷制样方法，其特征在于：步骤2)中，凹坑磨制过程中要对圆片试样精确对中；

或步骤2)中，在圆片的中央部位磨成凹坑后，需要将圆片放在丙酮中浸泡、清洗和晾干。

4.权利要求2或3所述的陶瓷制样方法制备的基于透射电子显微镜进行陶瓷失效分析的陶瓷失效试样。

5.权利要求4的陶瓷失效试样在利用透射电子显微镜进行陶瓷失效分析中的应用。

6.一种基于透射电子显微镜的陶瓷材料失效分析方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)获得待测失效陶瓷材料试样，利用权利要求2中的陶瓷制样方法对待测失效陶瓷材料进行减薄；

2)将减薄后的试样进行镀膜；

3)利用透射电子显微镜对步骤2)得到的试样进行观察，并分析陶瓷材料失效的原因；

4)利用透射电子显微镜对试样进行EDS分析，并分析陶瓷材料失效的原因，进行总结分析。

7.根据权利要求6所述的陶瓷材料失效分析方法，其特征在于：步骤1)中，还包括收集结构件的技术资料及失效信息；优选的，所述技术资料及失效信息包括结构件生产要求、加工工艺、结构设计、使用环境、使用年限以及受力情况。

8.根据权利要求6所述的陶瓷材料失效分析方法，其特征在于：步骤1)中，待测失效陶瓷材料试样经研磨抛光处理，处理后的厚度为30μm以下；或利用离子减薄仪对待测失效陶瓷材料进行减薄。

9.根据权利要求6所述的陶瓷材料失效分析方法，其特征在于：步骤2)中，镀的膜为金膜或碳膜，优选金膜，涂膜区域的半径为8mm-12mm。

10.根据权利要求6所述的陶瓷材料失效分析方法，其特征在于：步骤3)和步骤4)中的透射电子显微镜为200kV场发射透射电子显微镜，具体参数如下：点分辨率：0.19nm，线分辨率：0.14nm，加速电压：80、100、120、160、200kV，倾斜角：25°。