CN105891243A - 二维连续成分样品、其制备方法及其在相图高通量快速测定中的应用 - Google Patents

二维连续成分样品、其制备方法及其在相图高通量快速测定中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二维连续成分样品、其制备方法及其在相图高通量快速测定中的应用，本发明二维连续成分样品为一个等边三角型薄片，其成分分布与等边三角形表示的三元相图的成分分布一致。该二维连续成分样品，可以通过固相反应法、3d打印法以及泥浆或悬浊液混合法这三种方法制备，并通过适当温度退火或淬火以满足相图测定及材料筛选的应用。该发明能够大幅提高单次合成的不同成分样品的数量，为高通量材料筛选及三元相图快速测定提供更大通量的样品支持。

Description

二维连续成分样品、其制备方法及其在相图高通量快速测定中的应用
技术领域
本发明涉及一种材料、其制备方法及应用，特别是涉及一种非均质材料、其制备方法及应用，应用于成分梯度材料制备及应用技术领域。
背景技术
相图是也称相态图、相平衡状态图，是用来表示相平衡系统的组成与一些参数（如温度、压力）之间关系的一种图。它以几何图形反映出物质的相平衡规律，表示出物质体系的状态与温度、压力及组成的关系。它是研究材料状态、性质以及分离、提纯及合成的重要依据，因此被广泛的应用于地质、物理、化学、化工、冶金及材料科学等领域。但是目前相图测定还沿用古老的制样方法，需要大量的样品，成本较高，且耗时长。因此，虽然相图研究已有近百年的历史，经过大量的实验测量工作，也有了一定的数据积累，但距离理论上的相图数目还有巨大差距，远远不能满足各种实际需要。
先进材料是高端制造、信息网络、人类福祉和国家安全等现代工业部门创新发展的重要基石。作为再次振兴美国先进制造业计划的一部分，MGI旨在通过集成理论、计算、实验和数据库手段，逐步建成高通量的表征、制备、计算、以及知识信息共享和高效利用的平台，并基于此将新材料的发现设计、合成制备到服役应用的整个开发周期从目前的平均约20年降低一半，同时成本也随之降低一半。毫无疑问，该项计划的成功实施将全面加快现代工业发展进程。因此材料科学的基石之一，相图数据也应该成为材料基金组数据库的一个重要组成部分。
材料基因组工程包括五大核心内容：高通量集成计算、高通量制备、高通量表征、数据库与数据科学技术、以及服役与失效。“高通量”是材料基因组工程的核心，正是这种量上的变化，导致了材料研发模式上的质变。特别是在目前情况下，如何从传统方法的一次制备一个样品、一次表征一个样品，快速发展到一次制备一批样品、一次表征一批样品，成为材料基因组工程研究的关键和核心，迫切需要发展高通量制备和高通量表征的方法。
随着实验技术的进步，微区X射线衍射，微区成分测定等方法日渐成熟，使我们有可能利用极少量的样品相应的物相鉴定。因此，如果能够通过一次实验在一个样品上合成完整的多组分材料体系，就有可能通过上述实验方法对不同组分的材料进行快速、全面地成分结构分析，从而一次性获得多种组分材料的相组成、大大加快相图的绘制速度。
中国专利申请CN102643096B 公开了一种制备组分连续变化的梯度材料的方法及装置，然而其组分为一维变化，限制了单位面积上不同成分样品的数量。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种二维连续成分样品、其制备方法及其在相图高通量快速测定中的应用，基于三元相图成分表示方法，利用二维连续成分样品，大大提高单位面积上不同成分样品的数量，基于激光辅助定位的微区X射线衍射分析等方法，能为高通量材料筛选及三元相图快速测定提供更大通量的样品支持。
为达到上述发明创造目的，采用下述技术方案：
一种二维连续成分样品，样品成分由三种材料组分构成；将样品制成为一个等边三角形薄片，使等边三角形薄片的成分分布与等边三角形所表示的材料三元相图的成分分布一致，即，当组成等边三角形薄片的成分三个组元分别为A、B和C时，则在等边三角形薄片平面上的任意边缘顶点处，三组元中其中一个组成材料的成分为100%，其他两个组成材料的成分为0%，在等边三角形薄片平面上的任意一点O，作通过O点且平行于等边三角形薄片的三条边缘线的三条线，则这三条线与AB边、BC边及CA边的交点分别为c、a和b，则由此确定的等边三角形薄片平面上的O点的成分的化学式与对应等边三角形所表示的三元相图的相互重合的O点的化学式相同。
一种本发明二维连续成分样品的制备方法，二维连续成分样品的成形方法采用固相反应法或3d打印法进行实施，或者采用泥浆或悬浊液混合法进行实施。
作为本发明优选的第一种技术方案，二维连续成分样品的成形方法采用固相反应法实施，二维连续成分样品是由三种单一组分形成的三个夹角互为120度的楔形粉末层叠加压制而成，具体包括如下步骤：
a．采用具有三棱柱型腔的模具，模具的型腔的横断面皆为等边三角形，模具的型腔底面为等边三角形，使用计算机自动控制的进样系统，由模具的型腔底面的等边三角形的一个顶点A开始，将A成分的粉末填入模具的型腔中，对填入模具的型腔的A成分的粉末，从型腔底面三角形的顶点A沿垂直于其对边的方向，A成分的粉末的厚度逐渐由设定的厚度d连续变化为0，在模具中的型腔中铺设形成一个楔形的A成分的第一层粉末堆积体；
b．在步骤a中完成第一层粉末堆积体后，继续使用计算机自动控制的进样系统，由模具的型腔底面的等边三角形的另一个顶点B开始，继续将B成分的粉末填入模具的型腔中，对填入模具的型腔的B成分的粉末，从型腔底面三角形的顶点B沿垂直于其对边的方向，B成分的粉末的厚度逐渐由设定的厚度d连续变化为0，在模具中的型腔中的第一层粉末堆积体之上再铺设形成一个楔形的B成分的第二层粉末堆积体；
c．在步骤b中完成第二层粉末堆积体后，再继续使用计算机自动控制的进样系统，由模具的型腔底面的等边三角形的还有一个顶点C开始，继续将C成分的粉末填入模具的型腔中，对填入模具的型腔的C成分的粉末，从型腔底面三角形的顶点C沿垂直于其对边的方向，C成分的粉末的厚度逐渐由设定的厚度d连续变化为0，在模具中的型腔中的第二层粉末堆积体之上再铺设形成一个楔形的C成分的第三层粉末堆积体，使三层粉末堆积体堆叠形成厚度均匀的三元粉末复合层；
d．将三棱形顶杆装入模具的型腔中，加设定的压力，将在步骤c中制备的三元粉末复合层压实，然后利用热压烧结方法或者放电等离子烧结方法，制备二维连续成分样品块材初坯，再对二维连续成分样品块材初坯经过设定温度和设定时间的退火工艺或淬火工艺，使三元粉末复合层的三层粉末堆积体之间完成扩散及反应过程，再经过脱模后，最终形成多晶的二维连续成分样品。优选根据材料三元相图测定或材料筛选的要求，对二维连续成分样品块材初坯经过设定温度和设定时间的退火工艺或淬火工艺。
作为本发明优选的第二种技术方案，二维连续成分样品的成形方法采用固相反应法实施，二维连续成分样品是由三种单一组分形成的三个夹角互为120度的楔形粉末层叠加压制而成，具体包括如下步骤：
a．采用具有三棱柱型腔的模具，模具的型腔的横断面皆为等边三角形，模具的型腔底面为等边三角形，使用计算机自动控制的进样系统，由模具的型腔底面的等边三角形的一个顶点A的对边开始，将A成分的粉末填入模具的型腔中，对填入模具的型腔的A成分的粉末，从型腔底面三角形的顶点A沿垂直于其对边的方向，A成分的粉末的厚度逐渐由0连续变化为设定的厚度d，在模具中的型腔中铺设形成一个楔形的A成分的第一层粉末堆积体；
b．在步骤a中完成第一层粉末堆积体后，继续使用计算机自动控制的进样系统，由模具的型腔底面的等边三角形的另一个顶点B的对边开始，继续将B成分的粉末填入模具的型腔中，对填入模具的型腔的B成分的粉末，从型腔底面三角形的顶点B沿垂直于其对边的方向，B成分的粉末的厚度逐渐由0连续变化为设定的厚度d，在模具中的型腔中的第一层粉末堆积体之上再铺设形成一个楔形的B成分的第二层粉末堆积体；
c．在步骤b中完成第二层粉末堆积体后，再继续使用计算机自动控制的进样系统，由模具的型腔底面的等边三角形的还有一个顶点C的对边开始，继续将C成分的粉末填入模具的型腔中，对填入模具的型腔的C成分的粉末，从型腔底面三角形的顶点C沿垂直于其对边的方向，C成分的粉末的厚度逐渐由0连续变化为设定的厚度d，在模具中的型腔中的第二层粉末堆积体之上再铺设形成一个楔形的C成分的第三层粉末堆积体，使三层粉末堆积体堆叠形成厚度均匀的三元粉末复合层；
d．将三棱形顶杆装入模具的型腔中，加设定的压力，将在步骤c中制备的三元粉末复合层压实，然后利用热压烧结方法或者放电等离子烧结方法，制备二维连续成分样品块材初坯，再对二维连续成分样品块材初坯经过设定温度和设定时间的退火工艺或淬火工艺，使三元粉末复合层的三层粉末堆积体之间完成扩散及反应过程，再经过脱模后，最终形成多晶的二维连续成分样品。
作为本发明进一步优选的技术方案，在上述两种优选技术方案中，在步骤a、b和c中，堆积粉末的厚度d根据不同的三元系进行调整。
作为本发明优选的第三种技术方案，二维连续成分样品的成形方法采用3d打印法实施，具体包括如下步骤：
① 选用具有3个精密螺旋送粉器通道的3d打印系统，每个通道输送单一成分的粉末，按照二维连续成分样品确定的化学计量比将粉末送入同轴喷嘴中，然后按照等边三角形所表示的材料三元相图的成分分布，将粉末沉积到陶瓷或金属基板上，形成横断面为等边三角形的三元粉末复合层；
② 在步骤①中进行粉末沉积的同时，利用激光照射喷嘴送出的粉末，借助激光的超高温度，使粉末发生熔融反应，进而实现成分的均匀化，直至制备得到二维连续成分样品块材初坯，根据目标成分进行熔融反应所需的反应温度，利用计算机控制激光的功率及照射时间；
③ 对在步骤②中制备的二维连续成分样品块材初坯经过设定温度和设定时间的退火工艺或淬火工艺，最终形成二维连续成分样品。优选根据材料三元相图测定或材料筛选的要求，对二维连续成分样品块材初坯经过设定温度和设定时间的退火工艺或淬火工艺。
作为本发明优选的第四种技术方案，二维连续成分样品的成形方法采用通过泥浆或悬浊液混合法实施，具体包括如下步骤：
ⅰ. 用刚玉或者铸造用石膏定制具有三角形样品架的模具，模具中央的三角形区域隔断成若干小三角形区域，区域的数目根据待制备的二维连续成分样品的成分、材料三元相图测定或材料筛选的要求进行确定；
ⅱ. 将制备的二维连续成分样品的各个组分的粉末按照设定比例加入溶剂和分散剂制成设定浓度的泥浆或悬浊液，然后按照等边三角形所表示的材料三元相图的成分分布，对应在步骤ⅰ中采用的模具的三角形样品架所规划的二维连续成分样品的成分分布，将制备的二维连续成分样品的各种泥浆或悬浊液依次填入样品架的小三角区域中；
ⅲ. 利用超声波振动方法将在步骤ⅱ中填入样品架中的各成分样品同时进行分别地充分混合均匀，随后将样品连同模具一起放入真空干燥箱中，使其模具中的样品充分干燥；
ⅳ. 将经步骤ⅲ干燥后的样品连同模具放入设定温度下的真空管式炉中，烧蚀掉溶剂和分散剂，同时使各成分充分反应，制备得到一系列成分样品块材的小三角形初坯，组成二维连续成分样品系列；
ⅴ. 对在步骤ⅳ中制备的二维连续成分样品系列经过设定温度和设定时间的退火工艺或淬火工艺，最终形成二维连续成分样品。优选根据材料三元相图测定或材料筛选的要求，对二维连续成分样品块材初坯经过设定温度和设定时间的退火工艺或淬火工艺。
一种本发明二维连续成分样品在三元相图高通量快速测定中的应用，包含如下步骤：
⑴ 将等边三角形薄片式的二维连续成分样品进行包括抛光、清洗过程的前处理；
⑵ 根据材料三元相图测定或材料筛选的要求，对经过步骤⑴前处理的二维连续成分样品进行表面区域划分及区域标记定位；
⑶ 在完成步骤⑵程序后，利用微区X射线荧光光谱仪，对二维连续成分样品各区域特征X射线谱线的波长和强度信息进行采集，对材料组成成分和化学态进行定性和定量分析，绘制修正后的二维连续成分样品组分分布图；
⑷ 在完成步骤⑵程序后，利用带激光辅助定位样品台和二维面探测器的微区X射线衍射仪，对二维连续成分样品各区域的相组成进行快速分析，得到二维连续成分样品相组成分布图；
⑸ 利用在步骤⑶和⑷中通过组合分析得到的二维连续成分样品各区域的组分分布信息及相组成信息，完成材料三元相图的绘制。
一种本发明二维连续成分样品在三元相图高通量快速测定中的应用，对最佳三元组分材料进行高通量快速筛选。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
本发明能够大幅提高单次合成的不同成分样品的数量，为高通量材料筛选及三元相图快速测定提供更大通量的样品支持。
附图说明
图1为本发明实施例一和实施例二的二维连续成分样品的形状及成分分布示意图。
图2为本发明实施例一和实施例二固相反应法制备二维连续成分样品所需三角形模具及三棱形顶杆结构示意图。
图3为本发明实施例一和实施例二固相反应法制备二维连续成分样品时某一组分粉末沉积厚度示意图。
图4为本发明实施例四泥浆或悬浊液混合法制备二维连续成分样品所需的具有三角形样品架的模具结构示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1～3，二维连续成分样品以PbTe-PbSe-SrSe三元系相关系为例，首先要制备成分分布如图1所示的等边三角形薄片样品，为满足扫描电子显微镜进样需要，样品边长为AB=BC=CA=10mm。假设相图的三个组元分别为A，B，C，我们把三角形的三个顶点也同时标记为A，B，C，在顶点处，三组元中其中一个的成分为100%，其他两元的成分为0%。例如，在A点处，A组元的成分为100%，B组元和C组元的成分为0。在三角形上任意一点O，我们作通过O点，平行于三角形三条边的三条线。设这三条线与AB边、BC边及CA边的交点分别为c，a，b，那么O的成分应该满足化学式ACb BAc CBa 。
具体到PbTe-PbSe-SrSe三元系，如图1所示，设x=Cb/AC，y=Ac/AB，z=Ba/BC，那么样品三角形面上任意一点的成分为(PbTe)x(PbSe)y(SrSe)z。二维连续成分样品的成形方法采用固相反应法实施，二维连续成分样品是由三种单一组分形成的三个夹角互为120度的楔形粉末层叠加压制而成，具体包括如下步骤：
a．采用如图2中所示具有三棱柱型腔的模具，模具的型腔的横断面皆为等边三角形，模具的型腔底面为等边三角形，使用计算机自动控制的进样系统，由模具的型腔底面的等边三角形的一个顶点A开始，将PbTe成分的粉末填入模具的型腔中，对填入模具的型腔的PbTe成分的粉末，从型腔底面三角形的顶点A沿垂直于其对边的方向，PbTe成分的粉末的厚度逐渐由设定的厚度d= 1 mm连续变化为d = 0 mm，在模具中的型腔中铺设形成一个楔形的PbTe成分的第一层粉末堆积体，如图3所示；
b．在步骤a中完成第一层粉末堆积体后，继续使用计算机自动控制的进样系统，将模具旋转120°，由模具的型腔底面的等边三角形的第二个顶点B开始，重复步骤a的过程，继续将PbSe成分的粉末填入模具的型腔中，对填入模具的型腔的PbSe成分的粉末，从型腔底面三角形的顶点B沿垂直于其对边的方向，PbSe成分的粉末的厚度逐渐由设定的厚度d= 1 mm连续变化为d = 0 mm，在模具中的型腔中的第一层粉末堆积体之上再铺设形成一个楔形的PbSe成分的第二层粉末堆积体；
c．在步骤b中完成第二层粉末堆积体后，再继续使用计算机自动控制的进样系统，再将模具旋转120°，由模具的型腔底面的等边三角形的第三个顶点C开始，继续将SrSe成分的粉末填入模具的型腔中，对填入模具的型腔的SrSe成分的粉末，从型腔底面三角形的顶点C沿垂直于其对边的方向，SrSe成分的粉末的厚度逐渐由设定的厚度d= 1 mm连续变化为d = 0 mm，在模具中的型腔中的第二层粉末堆积体之上再铺设形成一个楔形的SrSe成分的第三层粉末堆积体，使三层粉末堆积体堆叠形成厚度均匀的三元粉末复合层；
d．将三棱形顶杆装入模具的型腔中，加设定的7MPa压力，将在步骤c中制备的三元粉末复合层压实，然后利用热压烧结方法，制备二维连续成分样品块材初坯，再将二维连续成分样品块材初坯在真空管式炉中经过1173K温度退火72小时，使三元粉末复合层的三层粉末堆积体之间完成扩散及反应过程，再经过脱模后，最终形成多晶的二维连续成分样品。
本实施例二维连续成分样品为一个等边三角型薄片，其成分分布与等边三角形表示的三元相图的成分分布一致。该二维连续成分样品，通过固相反应法制备，并通过适当温度退火或淬火以满足相图测定及材料筛选的应用。该实施例能够大幅提高单次合成的不同成分样品的数量，为高通量材料筛选及三元相图快速测定提供更大通量的样品支持。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，二维连续成分样品的成形方法采用固相反应法实施，二维连续成分样品是由三种单一组分形成的三个夹角互为120度的楔形粉末层叠加压制而成，具体包括如下步骤：
a．采用如图2中所示具有三棱柱型腔的模具，模具的型腔的横断面皆为等边三角形，模具的型腔底面为等边三角形，使用计算机自动控制的进样系统，由模具的型腔底面的等边三角形的一个顶点A的对边开始，将PbTe成分的粉末填入模具的型腔中，对填入模具的型腔的PbTe成分的粉末，从型腔底面三角形的顶点A沿垂直于其对边的方向，PbTe成分的粉末的厚度逐渐由设定的厚度d = 0 mm连续变化为d= 1 mm，在模具中的型腔中铺设形成一个楔形的PbTe成分的第一层粉末堆积体，如图3所示；
b．在步骤a中完成第一层粉末堆积体后，继续使用计算机自动控制的进样系统，将模具旋转120°，由模具的型腔底面的等边三角形的第二个顶点B的对边开始，重复步骤a的过程，继续将PbSe成分的粉末填入模具的型腔中，对填入模具的型腔的PbSe成分的粉末，从型腔底面三角形的顶点B沿垂直于其对边的方向，PbSe成分的粉末的厚度逐渐由设定的厚度d = 0 mm连续变化为d= 1 mm，在模具中的型腔中的第一层粉末堆积体之上再铺设形成一个楔形的PbSe成分的第二层粉末堆积体；
c．在步骤b中完成第二层粉末堆积体后，再继续使用计算机自动控制的进样系统，再将模具旋转120°，由模具的型腔底面的等边三角形的第三个顶点C的对边开始，继续将SrSe成分的粉末填入模具的型腔中，对填入模具的型腔的SrSe成分的粉末，从型腔底面三角形的顶点C沿垂直于其对边的方向，SrSe成分的粉末的厚度逐渐由设定的厚度d = 0 mm连续变化为d= 1 mm，在模具中的型腔中的第二层粉末堆积体之上再铺设形成一个楔形的SrSe成分的第三层粉末堆积体，使三层粉末堆积体堆叠形成厚度均匀的三元粉末复合层；
d．本步骤与实施例一相应步骤相同。
实施例三：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，二维连续成分样品仍以PbTe-PbSe-SrSe三元系相关系为例，首先要制备成分分布如附图1所示的等边三角形样品，为满足扫描电子显微镜进样需要，样品边长为AB=BC=CA=10mm。具体到PbTe-PbSe-SrSe三元系，设x=Cb/AC，y=Ac/AB，z=Ba/BC，那么样品三角形面上任意一点的成分为(PbTe)x(PbSe)y(SrSe)z。二维连续成分样品的成形方法采用3d打印法实施，具体包括如下步骤：
① 选用具有3个精密螺旋送粉器通道的3d打印系统，每个通道输送PbTe、PbSe或SrSe的单一成分的粉末，按照二维连续成分样品确定的化学计量比将粉末送入同轴喷嘴中，然后按照等边三角形所表示的PbTe-PbSe-SrSe三元相图的成分分布，将粉末沉积到Al2O3基板上，形成横断面为等边三角形的三元粉末复合层；
② 在步骤①中进行粉末沉积的同时，利用激光照射喷嘴送出的粉末，借助激光的超高温度，使粉末发生熔融反应，进而实现成分的均匀化，直至制备得到二维连续成分样品块材初坯，根据目标成分进行熔融反应所需的反应温度，利用计算机控制激光的功率及照射时间；
③ 将在步骤②中制备的二维连续成分样品块材初坯在真空管式炉中经过1173K温度退火72小时，最终形成PbTe-PbSe-SrSe三元系二维连续成分样品。
实施例四：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图4，二维连续成分样品仍以PbTe-PbSe-SrSe三元系相关系为例，首先要制备成分分布如附图1所示的等边三角形样品，为满足扫描电子显微镜进样需要，样品边长为AB=BC=CA=10mm。具体到PbTe-PbSe-SrSe三元系，设x=Cb/AC，y=Ac/AB，z=Ba/BC，那么样品三角形面上任意一点的成分为(PbTe)x(PbSe)y(SrSe)z。二维连续成分样品的成形方法采用3d打印法实施，二维连续成分样品的成形方法采用通过泥浆或悬浊液混合法实施，具体包括如下步骤：
ⅰ. 用刚玉定制具有三角形样品架的模具，模具中央的三角形区域隔断成若干小三角形区域，如图4所示，区域的数目根据待制备的二维连续成分样品的成分、材料三元相图测定或材料筛选的要求进行确定；
ⅱ. 将制备的二维连续成分样品的PbTe、PbSe和SrSe的粉末分别按照设定比例加入溶剂和分散剂制成设定浓度的悬浊液，然后按照等边三角形所表示的材料三元相图的成分分布，对应在步骤ⅰ中采用的模具的三角形样品架所规划的二维连续成分样品的成分分布，将制备的二维连续成分样品的各种泥浆或悬浊液依次填入样品架的小三角区域中；
ⅲ. 利用超声波振动方法将在步骤ⅱ中填入样品架中的各成分样品同时进行分别地充分混合均匀，随后将样品连同模具一起放入真空干燥箱中，使其模具中的样品充分干燥；
ⅳ. 将经步骤ⅲ干燥后的样品连同模具放入设定温度下的真空管式炉中，烧蚀掉溶剂和分散剂，同时使各成分充分反应，制备得到一系列成分样品块材的小三角形初坯，组成二维连续成分样品系列；
ⅴ. 将在步骤ⅳ中制备的二维连续成分样品块材初坯在真空管式炉中经过1173K温度退火72小时，最终形成PbTe-PbSe-SrSe三元系二维连续成分样品。
分析和测试：
对在上述实施例中得到的形成PbTe-PbSe-SrSe三元系二维连续成分样品进行进一步的成分和相组成分析。具体步骤如下：
⑴ 将等边三角形薄片式的二维连续成分样品进行包括抛光、清洗过程的前处理；
⑵ 根据材料三元相图测定或材料筛选的要求，将得到的二维连续成分样品粘贴到扫描电子显微镜的样品台上，对经过步骤⑴前处理的二维连续成分样品进行表面区域划分及区域标记定位，根据各标记点对样品表面各区域进行分区并确定各个分区的坐标，如图1中，样品被分成256个三角形区域；
⑶ 在完成步骤⑵程序后，定位标记好的样品装入扫描电镜中，利用微区X射线荧光光谱仪，对二维连续成分样品各区域特征X射线谱线的波长和强度信息进行采集，对材料组成成分和化学态进行定性和定量分析，对各分区的成分进行进一步修正和记录，将结果按照样品分区坐标存入计算机的数据库中，绘制修正后的二维连续成分样品组分分布图；
⑷ 在完成步骤⑵程序后，将样品装入微区X射线衍射仪的激光辅助定位样品台上，对样品各个分区进行X射线衍射分析，利用带激光辅助定位样品台和二维面探测器的微区X射线衍射仪，对二维连续成分样品各区域的相组成进行快速分析，收集衍射数据，对各区域的相组成进行快速分析，得到二维连续成分样品相组成数据，将结果按照样品区域的坐标存入数据库中；
⑸ 利用在步骤⑶和⑷中通过组合分析得到的二维连续成分样品各区域的组分分布信息及相组成信息，完成材料三元相图的绘制。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明二维连续成分样品、其制备方法及其在相图高通量快速测定中的应用的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种二维连续成分样品，其特征在于：样品成分由三种材料组分构成；将样品制成为一个等边三角形薄片，使等边三角形薄片的成分分布与等边三角形所表示的材料三元相图的成分分布一致，即，当组成等边三角形薄片的成分三个组元分别为A、B和C时，则在等边三角形薄片平面上的任意边缘顶点处，三组元中其中一个组成材料的成分为100%，其他两个组成材料的成分为0%，在等边三角形薄片平面上的任意一点O，作通过O点且平行于等边三角形薄片的三条边缘线的三条线，则这三条线与AB边、BC边及CA边的交点分别为c、a和b，则由此确定的等边三角形薄片平面上的O点的成分的化学式与对应等边三角形所表示的三元相图的相互重合的O点的化学式相同。
2.一种权利要求1所述二维连续成分样品的制备方法，其特征在于：二维连续成分样品的成形方法采用固相反应法或3d打印法进行实施，或者采用泥浆或悬浊液混合法进行实施。
3.根据权利要求2所述二维连续成分样品的制备方法，其特征在于，二维连续成分样品的成形方法采用固相反应法实施，二维连续成分样品是由三种单一组分形成的三个夹角互为120度的楔形粉末层叠加压制而成，具体包括如下步骤：
a．采用具有三棱柱型腔的模具，所述模具的型腔的横断面皆为等边三角形，所述模具的型腔底面为等边三角形，使用计算机自动控制的进样系统，由模具的型腔底面的等边三角形的一个顶点A开始，将A成分的粉末填入模具的型腔中，对填入模具的型腔的A成分的粉末，从型腔底面三角形的顶点A沿垂直于其对边的方向，A成分的粉末的厚度逐渐由设定的厚度d连续变化为0，在模具中的型腔中铺设形成一个楔形的A成分的第一层粉末堆积体；
b．在所述步骤a中完成第一层粉末堆积体后，继续使用计算机自动控制的进样系统，由模具的型腔底面的等边三角形的另一个顶点B开始，继续将B成分的粉末填入模具的型腔中，对填入模具的型腔的B成分的粉末，从型腔底面三角形的顶点B沿垂直于其对边的方向，B成分的粉末的厚度逐渐由设定的厚度d连续变化为0，在模具中的型腔中的第一层粉末堆积体之上再铺设形成一个楔形的B成分的第二层粉末堆积体；
c．在所述步骤b中完成第二层粉末堆积体后，再继续使用计算机自动控制的进样系统，由模具的型腔底面的等边三角形的还有一个顶点C开始，继续将C成分的粉末填入模具的型腔中，对填入模具的型腔的C成分的粉末，从型腔底面三角形的顶点C沿垂直于其对边的方向，C成分的粉末的厚度逐渐由设定的厚度d连续变化为0，在模具中的型腔中的第二层粉末堆积体之上再铺设形成一个楔形的C成分的第三层粉末堆积体，使三层粉末堆积体堆叠形成厚度均匀的三元粉末复合层；
d．将三棱形顶杆装入模具的型腔中，加设定的压力，将在所述步骤c中制备的三元粉末复合层压实，然后利用热压烧结方法或者放电等离子烧结方法，制备二维连续成分样品块材初坯，再对二维连续成分样品块材初坯经过设定温度和设定时间的退火工艺或淬火工艺，使三元粉末复合层的三层粉末堆积体之间完成扩散及反应过程，再经过脱模后，最终形成多晶的二维连续成分样品。
4.根据权利要求2所述二维连续成分样品的制备方法，其特征在于，二维连续成分样品的成形方法采用固相反应法实施，二维连续成分样品是由三种单一组分形成的三个夹角互为120度的楔形粉末层叠加压制而成，具体包括如下步骤：
a．采用具有三棱柱型腔的模具，所述模具的型腔的横断面皆为等边三角形，所述模具的型腔底面为等边三角形，使用计算机自动控制的进样系统，由模具的型腔底面的等边三角形的一个顶点A的对边开始，将A成分的粉末填入模具的型腔中，对填入模具的型腔的A成分的粉末，从型腔底面三角形的顶点A沿垂直于其对边的方向，A成分的粉末的厚度逐渐由0连续变化为设定的厚度d，在模具中的型腔中铺设形成一个楔形的A成分的第一层粉末堆积体；
b．在所述步骤a中完成第一层粉末堆积体后，继续使用计算机自动控制的进样系统，由模具的型腔底面的等边三角形的另一个顶点B的对边开始，继续将B成分的粉末填入模具的型腔中，对填入模具的型腔的B成分的粉末，从型腔底面三角形的顶点B沿垂直于其对边的方向，B成分的粉末的厚度逐渐由0连续变化为设定的厚度d，在模具中的型腔中的第一层粉末堆积体之上再铺设形成一个楔形的B成分的第二层粉末堆积体；
c．在所述步骤b中完成第二层粉末堆积体后，再继续使用计算机自动控制的进样系统，由模具的型腔底面的等边三角形的还有一个顶点C的对边开始，继续将C成分的粉末填入模具的型腔中，对填入模具的型腔的C成分的粉末，从型腔底面三角形的顶点C沿垂直于其对边的方向，C成分的粉末的厚度逐渐由0连续变化为设定的厚度d，在模具中的型腔中的第二层粉末堆积体之上再铺设形成一个楔形的C成分的第三层粉末堆积体，使三层粉末堆积体堆叠形成厚度均匀的三元粉末复合层；
d．将三棱形顶杆装入模具的型腔中，加设定的压力，将在所述步骤c中制备的三元粉末复合层压实，然后利用热压烧结方法或者放电等离子烧结方法，制备二维连续成分样品块材初坯，再对二维连续成分样品块材初坯经过设定温度和设定时间的退火工艺或淬火工艺，使三元粉末复合层的三层粉末堆积体之间完成扩散及反应过程，再经过脱模后，最终形成多晶的二维连续成分样品。
5.根据权利要求3或4所述二维连续成分样品的制备方法，其特征在于：在所述步骤a、b和c中，堆积粉末的厚度d根据不同的三元系进行调整。
6.根据权利要求2所述二维连续成分样品的制备方法，其特征在于，二维连续成分样品的成形方法采用3d打印法实施，具体包括如下步骤：
① 选用具有3个精密螺旋送粉器通道的3d打印系统，每个通道输送单一成分的粉末，按照二维连续成分样品确定的化学计量比将粉末送入同轴喷嘴中，然后按照等边三角形所表示的材料三元相图的成分分布，将粉末沉积到陶瓷或金属基板上，形成横断面为等边三角形的三元粉末复合层；
② 在所述步骤①中进行粉末沉积的同时，利用激光照射喷嘴送出的粉末，借助激光的超高温度，使粉末发生熔融反应，进而实现成分的均匀化，直至制备得到二维连续成分样品块材初坯，根据目标成分进行熔融反应所需的反应温度，利用计算机控制激光的功率及照射时间；
③ 对在所述步骤②中制备的二维连续成分样品块材初坯经过设定温度和设定时间的退火工艺或淬火工艺，最终形成二维连续成分样品。
7.根据权利要求2所述二维连续成分样品的制备方法，其特征在于，二维连续成分样品的成形方法采用通过泥浆或悬浊液混合法实施，具体包括如下步骤：
ⅰ. 用刚玉或者铸造用石膏定制具有三角形样品架的模具，模具中央的三角形区域隔断成若干小三角形区域，区域的数目根据待制备的二维连续成分样品的成分、材料三元相图测定或材料筛选的要求进行确定；
ⅱ. 将制备的二维连续成分样品的各个组分的粉末按照设定比例加入溶剂和分散剂制成设定浓度的泥浆或悬浊液，然后按照等边三角形所表示的材料三元相图的成分分布，对应在所述步骤ⅰ中采用的模具的三角形样品架所规划的二维连续成分样品的成分分布，将制备的二维连续成分样品的各种泥浆或悬浊液依次填入样品架的小三角区域中；
ⅲ. 利用超声波振动方法将在所述步骤ⅱ中填入样品架中的各成分样品同时进行分别地充分混合均匀，随后将样品连同模具一起放入真空干燥箱中，使其模具中的样品充分干燥；
ⅳ. 将经所述步骤ⅲ干燥后的样品连同模具放入设定温度下的真空管式炉中，烧蚀掉溶剂和分散剂，同时使各成分充分反应，制备得到一系列成分样品块材的小三角形初坯，组成二维连续成分样品系列；
ⅴ. 对在所述步骤ⅳ中制备的二维连续成分样品系列经过设定温度和设定时间的退火工艺或淬火工艺，最终形成二维连续成分样品。
8.根据权利要求3、4、6和7中任意一项所述二维连续成分样品的制备方法，其特征在于：在所述步骤d中、所述步骤③中或所述步骤ⅴ中，根据材料三元相图测定或材料筛选的要求，对二维连续成分样品块材初坯经过设定温度和设定时间的退火工艺或淬火工艺。
9.一种权利要求1所述二维连续成分样品在三元相图高通量快速测定中的应用，其特征在于，包含如下步骤：
⑴ 将等边三角形薄片式的二维连续成分样品进行包括抛光、清洗过程的前处理；
⑵ 根据材料三元相图测定或材料筛选的要求，对经过所述步骤⑴前处理的二维连续成分样品进行表面区域划分及区域标记定位；
⑶ 在完成所述步骤⑵程序后，利用微区X射线荧光光谱仪，对二维连续成分样品各区域特征X射线谱线的波长和强度信息进行采集，对材料组成成分和化学态进行定性和定量分析，绘制修正后的二维连续成分样品组分分布图；
⑷ 在完成所述步骤⑵程序后，利用带激光辅助定位样品台和二维面探测器的微区X射线衍射仪，对二维连续成分样品各区域的相组成进行快速分析，得到二维连续成分样品相组成分布图；
⑸ 利用在所述步骤⑶和⑷中通过组合分析得到的二维连续成分样品各区域的组分分布信息及相组成信息，完成材料三元相图的绘制。
10.一种权利要求1所述二维连续成分样品在三元相图高通量快速测定中的应用，其特征在于：对最佳三元组分材料进行高通量快速筛选。
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