CN107560909A - 基于局域电化学刻蚀的制备x射线纳米ct金属微试样的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于局域电化学刻蚀的制备纳米CT金属微试样的装置，包括精密位置控制单元、电化学刻蚀单元、实时监控单元，所述精密位置控制单元用于样品的平移；所述的电化学刻蚀单元用于精确刻蚀样品，得到所需结构；所述的实时监控单元用于实时观察样品的刻蚀状态，并将所述的状态进行采集成像。本发明通过电化学局域刻蚀可以方便快捷、低成本制备直径仅为数十或数微米金属微柱试样及复杂形状例如狗骨头形状原位力学测试微试样，适用于多数金属或合金的X射线纳米CT试样的制备，本发明解决了金属材料纳米CT三维微观结构分析的制样难题，对促进X射线显微CT的推广应用具有重要的意义。

Description

基于局域电化学刻蚀的制备X射线纳米CT金属微试样的装置

技术领域：

本发明属于金属微试样加工领域，具体涉及一种基于局域电化学刻蚀的制备X射线纳米CT金属微试样的装置。

背景技术

X射线计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)技术能够对检测对象三维透视无损成像，在医疗诊断、科学研究和工业检测等领域具有重要的应用。近年来，随着X射线源、探测器及计算机技术的高速发展，X射线CT的空间分辨率不断提高，已达到微米甚至纳米量级。目前，商业化的实验室X射线光源的纳米CT(最高分辨率达到50nm)已逐渐被装配到材料研究、石油勘探、能源开发等实验室内。

X射线CT的视场随空间分辨率的提高而减小。如果纳米CT的投影图像分辨率为1024×1024像素，那么当空间分辨率为150nm时，视场宽度为65μm；而当分辨率达到50nm时，视场宽度仅为15μm。在CT扫描过程中，样品必须绕视场中轴转动且转动全过程不能超出视场。这就要求样品视场高度范围内的外接圆柱直径必须小于65μm(大视场模式)或15μm(高分辨模式)。另一方面，金属材料对X射线吸收较强，其样品尺寸还进一步受X射线透过率的约束。例如，对于8.0keV(Cu K_α辐射)的实验室X射线光源，Cu、Ni的最大样品厚度为40μm，Ti为20μm，Fe、Co等仅为8μm。综合考虑以上两点约束，如何制备出金属微试样是X射线纳米CT三维结构表征的关键。

目前制备微米尺度试样主要有以下几种方法：(1)聚焦离子束(Focused IonBeam,FIB)是利用高强度会聚离子束对材料进行纳米尺度精细微加工，但其加工效率较低。利用FIB制备超过10μm³的微米试样是非常耗时的。同时FIB系统价格昂贵，运行维护成本高，不适合大量微米试样的加工。(2)脉冲激光烧蚀，与FIB相比，可以快速去除大量材料，但加工过程的热效应可能损坏样品外表层，形成几十微米宽的热影响区，且加工精度相对较低。(3)显微切割技术通常用于切割微米尺度的方柱形陶瓷、硅片等硬质材料，对质地较软的金属材料易产生明显的机械损伤。因此，这些方法均不适合于制备金属材料的纳米CT微试样。

X射线纳米CT的一个潜在前沿应用是开展金属材料原位力学测试和断裂损伤机理的研究。这要求制备狗骨头形状的微拉伸试样，其中间标距段直径满足纳米CT测试要求，且头部较大用于与夹头匹配将载荷传递至标距段。现有的微加工技术均未能方便快捷、低成本地制备出此类原位微测试试样。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于局域电化学刻蚀的制备X射线纳米CT金属微试样的装置。本发明可便捷地制备出多数金属或合金的X射线纳米CT微柱试样；可精确确定感兴趣区域，并使感兴趣区域局域刻蚀；可制备复杂形状例如狗骨头形状的金属微试样，用于原位力学测试和裂纹萌生、扩展分析。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于局域电化学刻蚀的制备X射线纳米CT金属微试样的装置，包括精密位置控制单元、电化学刻蚀单元、实时监控单元，所述精密位置控制单元用于样品的平移；所述的电化学刻蚀单元用于精确刻蚀样品，得到所需结构；所述的实时监控单元用于实时观察样品的刻蚀状态，并将所述的状态进行采集成像。

优选的，精密位置控制单元包括单轴带有滚珠导轨的电动平移台、步进电动机，固定样品夹持件的上夹板、下夹板、以及控制电动平移台移动速率及其距离的控制模块，步进电动机带动电动平移台移动，上夹板、下夹板固定在电动平移台上，精密位置控制单元精确控制样品位置，使电解液膜均匀覆盖于感兴趣的区域实现定点刻蚀，或者自动循环往复运动使刻蚀更加均匀。

优选的，电化学刻蚀单元的电源采用数控直流稳压电源，电源负极连接铜导电极，电源正极连接固定样品夹持件；铜导电极连接铂丝线圈第一端，铂丝线圈第二端设置成环状结构，并涂覆电解液，铜导电极为块体，放置在底座上。

优选的，实时监控单元包括设置可变倍镜头的CCD图像采集装置、固定支架、LED环形光源、调节准焦螺旋，其中，CCD图像采集装置固定在固定支架上，通过设置在固定支架上的调节准焦螺旋带动CCD图像采集装置纵向平移，LED环形光源补充CCD图像采集装置所需光线，CCD图像采集装置对样品的刻蚀状态进行实时采集并成像。

本发明的基本原理是通过插入铂丝线圈中心的金属细柱(接正极)和线圈(接负极)之间的电解液膜内的电化学反应，使电解液膜覆盖区域内金属不断溶解，实现金属细柱的局域刻蚀，直到获得直径仅为数十甚至几微米的金属微试样。

与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：(1)铂丝线圈化学性质稳定，延展性良好，作为阴极，不参与化学反应，不易被强酸强碱腐蚀，能够长久使用；(2)样品位置控制软件可实现微米精度定位，实现感兴趣区域的局域刻蚀；(3)样品位置控制软件可控制样品自动循环往复运动，使电化学刻蚀局域更加均匀；(4)可实时观察样品刻蚀状态和进程，控制样品表面质量；(5)可以制备直径仅为数十或数微米金属微柱试样或狗骨头形状微型原位力学测试试样，并且可以实现刻蚀样品特定感兴趣位置。

附图说明

图1为本发明所述装置的结构示意图。

图2为利用所述装置制备的纯铜微试样实物图。

图3为利用所述装置制备的纯镍微试样实物图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明的具体结构及实施方式。

本发明的结构如图1所示，整个装置包括精密位置控制单元、电化学刻蚀单元、实时监控单元。所述精密位置控制单元包括电动平移台1、步进电动机2、步进电动机驱动器3、用于固定样品的上夹板4、下夹板5、以及控制模块6。电动移动平台1设置了精密十字滚珠导轨8，定位精度为0.5μm。所述控制模块6可实现电动平台的微米级移动，精确定位局域刻蚀的位置。同时，为了提高局部刻蚀的均匀性，所述控制模块6可使样品在一定范围内自动循环往复运动。

所述的实时监控单元包括设置可变倍镜头9的CCD图像采集装置10、固定支架12、LED环形光源13、调节准焦螺旋14，其中，CCD图像采集装置10固定在固定支架12上，通过设置在固定支架12上的调节准焦螺旋14带动CCD图像采集装置10纵向平移，LED环形光源13补充CCD图像采集装置10所需光线，CCD图像采集装置10对样品的刻蚀状态进行实时采集并成像，CCD图像采集装置10采集到的实时图像可显示于显示装置或显示模块7，如本装置显示于计算机中的图像显示程序。其中，调节准焦螺旋14，可聚焦图像，使成像清晰。调节镜头的物镜变倍旋钮15可调节可变倍镜头9，用来改变图像的放大倍率。

所述的电化学刻蚀单元包括电源17，电源17采用数控直流稳压电源，还包括长方体状的铜导电极18、铂丝线圈19。铂丝线圈19第一端连接铜导电极18，铂丝线圈19第二端的环状结构直径约为3mm。工作时，电源17正极连接固定样品夹持件20，固定样品夹持件20夹持待加工样品21，本装置目前采用低成本且实用的金属镊子作为固定样品夹持件20，电源17负极接铜导电极18，通过铂丝线圈19第二端的环状结构涂覆的电解液对待加工样品21进行局域刻蚀。

所述电动平移台1和铜导电极18固定于底座11上，其位置均可调整，以保证待加工区域位于所述实时监控单元的视野中心。

整个装置可灵活改变刻蚀位置和刻蚀方法来满足加工不同形状样品的要求。当需要在试样端部制备出微柱时，将切割好的300×300μm²条状样品用固定样品夹持件20夹住，并一起置于电动平移台1上方的上夹板4、下夹板5之间锁紧。调整电动平移台1的位置，使待加工样品21位于实时监控单元的镜头正下方。在铂丝线圈19上轻轻滴上电解液，使线圈内粘上一层电解液膜。通过控制模块6进行平移，将待加工样品21慢慢垂直插入铂丝线圈19第二端的环状结构中心，使待加工样品21前端被电解液膜覆盖。打开数控直流稳压电源，从0V逐渐增大电压，直至电解液中气泡均匀冒出。通过控制模块6控制待加工样品21在10μm范围内往复移动，使待加工样品21的前部末端均匀刻蚀，适时更换电解液并重复上面操作便可在待加工样品21末端制备出微柱。

当需要制备纳米CT原位拉伸试样时，既要满足试样呈狗骨头形状，又要使标距段尺寸达到纳米CT样品尺寸要求，因此需要通过控制模块6在距离待加工样品21末端200μm左右的位置按照上述方法局域刻蚀，直到在显示模块7上观察到刻蚀部位尺寸达到要求即可停止。

下面结合实施例说明所述装置的使用流程。

制备狗骨头形状纯铜/纯镍X射线纳米CT原位力学测试微试样，其具体流程是：

(1)利用电火花线切割机切割厚度500μm左右的纯铜片/纯镍片，并用砂纸将其磨薄至300μm。利用金刚石线切割锯从铜片/镍片切割出宽度约300μm的细柱。利用砂纸去除边角毛刺，将表面略微磨光。

(2)用镊子夹住细铜柱，并一起置于电动平移台1上方的上夹板4、下夹板5之间锁紧。调整电动平移台1的位置，使细铜/镍柱位于实时监控单元的镜头正下方，并使待刻蚀区域位于显示模块7中心。调节准焦螺旋14和物镜变倍旋钮15使成像清晰。

(3)在铂丝线圈19第二端的环状结构上轻轻滴上一层电解液，使环状结构粘上一层电解液膜。通过控制模块6将样品慢慢插入线圈中心，使感兴趣的区域刚好为电解液膜所覆盖。轻微调整线圈角度，使线圈与试样截面垂直。确认样品细铜/镍柱与铂丝线圈未互相接触。其中纯铜的电解液由乙醇125mL，蒸馏水250mL,磷酸125mL，异丙醇25mL，尿素2.5g配制；纯镍的电解液由磷酸与水按7:1的比例配制。

(4)打开电化学刻蚀单元的数控直流电压源17，从0V逐渐增强电压，实时观察电解液中气泡冒出速率和均匀性，至速率稳定，均匀性较好时停止加压。不同材料适用电压不同，需多次尝试。如对于纯铜为2.5V，对于纯镍为3.0V较适宜。

(5)当发现电解出的沉积物过多时，要及时停止刻蚀，并通过控制模块6退出细铜/镍柱，并用滴管蘸取酒精清理线圈中的残渣。

(6)重复以上(3)-(5)，直到刻蚀区域达到所需要的圆柱直径。

(7)实施过程中，可同时通过控制模块6实现样品在一定范围内往复运动，使刻蚀区域更为均匀。

利用已开发装置制备的纯铜微试样实物如图2所示，最细部分的直径约为35.6μm,满足X射线纳米CT对纯铜样品的尺寸要求。

利用已开发装置制备的纯镍微试样实物如图3所示，最细部分的直径约为38.5μm,满足X射线纳米CT对纯镍样品的尺寸要求。

Claims (7)

1.基于局域电化学刻蚀的制备X射线纳米CT金属微试样的装置，其特征在于，包括精密位置控制单元、电化学刻蚀单元、实时监控单元，所述精密位置控制单元用于样品的平移，精确控制样品的位置，使电解液膜均匀覆盖于感兴趣的区域实现定点刻蚀，或者自动循环往复运动使刻蚀更加均匀；所述的电化学刻蚀单元用于精确刻蚀样品，得到所需结构；所述的实时监控单元用于实时观察样品的刻蚀状态，并将所述的状态进行采集成像。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，精密位置控制单元包括单轴带有滚珠导轨（8）的电动平移台（1）、步进电动机（2），固定样品夹持件（20）的上夹板（4）、下夹板（5）、以及控制电动平移台（1）移动速率及其距离的控制模块（6），步进电动机（2）带动电动平移台（1）移动，上夹板（4）、下夹板（5）固定在电动平移台（1）上。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，电化学刻蚀单元的电源（17）采用数控直流稳压电源，电源（17）负极连接铜导电极（18），电源（17）正极连接固定样品夹持件（20）。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，铜导电极（18）连接铂丝线圈（19）第一端，铂丝线圈（19）第二端设置成环状结构，并涂覆电解液，铜导电极（18）为块体，放置在底座（11）上。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，实时监控单元包括设置可变倍镜头（9）的CCD图像采集装置（10）、固定支架（12）、LED环形光源（13）、调节准焦螺旋（14），其中，CCD图像采集装置（10）固定在固定支架（12）上，通过设置在固定支架（12）上的调节准焦螺旋（14）带动CCD图像采集装置（10）纵向平移，LED环形光源（13）补充CCD图像采集装置（10）所需光线，CCD图像采集装置（10）对样品的刻蚀状态进行实时采集并成像。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，CCD图像采集装置（10）连接显示装置或显示模块（7）。

7.基于局域电化学刻蚀的制备X射线纳米CT金属微试样的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）通过精密位置控制单元对样品进行平移，精密位置控制单元精确控制样品位置，使电解液膜均匀覆盖于感兴趣的区域实现定点刻蚀，或者自动循环往复运动使刻蚀更加均匀，平移精度为0.5 微米；

（2）通过电化学刻蚀单元对可平移的样品进行刻蚀；

（3）通过实时监控单元对刻蚀状态进行实时采集并成像。