CN110702715A

CN110702715A - 散斑的制备方法、具有散斑的材料及材料的测试方法

Info

Publication number: CN110702715A
Application number: CN201910950386.5A
Authority: CN
Inventors: 刘敬勇; 向嘉奇; 钟政烨; 罗胜年
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2019-10-08
Filing date: 2019-10-08
Publication date: 2020-01-17

Abstract

本发明公开了一种散斑的制备方法、具有散斑的材料以及材料的测试方法。本发明散斑的制备方法包括：在目标散斑的载体的设定表面上附着作为散斑前体的银膜；将附着所述银膜的载体浸泡在含氯离子电解质溶液中使银膜转变成分散在所述设定表面上的银纳米散斑粒；进而由分散在所述设定表面上的银纳米散斑粒构成目标散斑。该方法操作简单方便，成本较低；制备的散斑对载体的设定表面的影响可控，容易满足EBSD测试的需求；纳米散斑粒粒径满足高分辨率DIC要求，并且纳米散斑粒粒径均匀，分布均匀性容易控制。

Description

散斑的制备方法、具有散斑的材料及材料的测试方法

技术领域

本发明涉及散斑的制备方法、具有散斑的材料以及材料的测试方法。

背景技术

随着材料科学研究的不断深入，在结构材料领域中，研究人员更多的倾向于从材料的微观组织来分析材料的性能，进而通过改善微观组织来提高材料力学性能。随着EBSD(电子背散射衍射)技术的商业化，我国从1995年开始引进该设备，在这二十几年，国内EBSD得到了长足的进步。该技术能够同时对材料的晶粒尺寸，晶粒取向，织构进行分析。但由于EBSD 的固有局限性，无法在介观尺度下准确直观的测量材料变形过程中的位移和应变。因此如何通过非接触式的方法测量材料变形过程中的位移和应变就显得尤为重要。

数字图像相关法(DIC)具有测量精度较高，多尺度测量和非接触式等特点，逐渐成为研究材料变形过程中位移和应变的测量方法之一。数字图像相关法是先在试样表面上制备出均匀分布的散斑，通过拍摄材料在变形前后试样的散斑图，利用相关软件计算两张图片的位移场从而得到应变场。同时将EBSD和DIC结合起来不仅可以得到材料在变形过程中微观结构的演变，还可以直观的得到材料变形过程中位移场和应变场的变化。通过微观结构的演化来解释材料变形过程中的位移应变场，这在科学研究史上是一个重大的技术突破。

目前，DIC通常分为光学或电子成像，光学成像中由于技术的局限，目前几乎无法达到纳米级别。因此获得的变形信息相对来说是比较宏观的。相反由于电子成像能够达到极高的分辨率，已经被越来越多的研究团队用来做DIC成像。这在分辨技术是一个很大的提升，但如何制备更小的散斑成为了一个问题。数字图像相关法所使用的散斑图一般要求散斑粒大小均匀，分布随机且散斑粒与基体具有一定对比度。散斑粒的大小就决定了分辨率，散斑粒越小，能够看见的细节信息就越多，也就越多的达到所谓的高分辨。一般要做到小的散斑粒，通常可以利用纳米颗粒(1-100nm)来作为散斑粒，但由于纳米颗粒的比表面能高，实际的散斑粒由于纳米颗粒的团聚作用往往大于100nm，并且分布不均匀，无法达到高分辨的目的。散斑作为材料表面变形信息的载体，因此散斑的质量是决定测试成败的关键因素。

EBSD技术要求被测样品表面有极高的抛光程度，传统所用的散斑制作方法，如喷漆法，无法达到EBSD对材料表面的要求，如若要进行EBSD测试，需去除散斑后并对样品表面进行抛光处理，这样不仅操作繁琐，并且无法满足原位加载实验。最近，罗胜年，李旭哲等发明了一种散斑的制备方法以及材料微区变形的表征方法(中国专利公开号：CN109580677A)，该方法同时实现了DIC以及EBSD分析，但是在DIC的应变图中看不清变形后滑移带附近的应变场，从扫描图中也可以看出散斑粒尺寸并没有在纳米级别，因此没有达到高分辨的要求。利用二次电子成像也提高了因变形带来的Z轴方向的误差。同时，该方法制作周期相对较长。需要进一步的提高。

总之，在现有制备散斑的方法中，有些方法达不到高分辨的要求，一些方法无法满足EBSD 和DIC同时分析，有些制作散斑周期较长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种散斑的制备方法、具有散斑的材料以及材料的测试方法。

根据本发明的一个方面，散斑的制备方法包括：在目标散斑的载体的设定表面上附着作为散斑前体的银膜；将附着所述银膜的载体浸泡在含氯离子电解质溶液中使银膜转变成分散在所述设定表面上的银纳米散斑粒；进而由分散在所述设定表面上的银纳米散斑粒构成目标散斑。

所述纳米散斑粒的粒径一般为1-100nm。此外，所述含氯离子电解质溶液一般采用氯化钠溶液。所述氯化钠溶液的的浓度可以为0.2-2wt％，优选为0.2-1.5wt％，更优选为0.5-1wt％，再优选为1wt％。

所述银膜的厚度可以为5-40nm，优选为5-25nm，更优选为10-20nm，再优选为15nm。为控制银膜的形成和厚度，所述银膜可以通过磁控溅射工艺附着在所述设定表面上，且磁控溅射工艺中的溅射时间可以为5-35秒，优选为10-30秒，更优选为15-25秒，再优选为20秒。

此外，将附着所述银膜的载体浸泡在电解质溶液中的过程中最好确保所述银膜处于载体的上表面上，这样能够更好的保证纳米散斑粒在所述设定表面上分散的均匀性。

上述方法还可包括对具有载体和形成于所述载体上的目标散斑的材料进行清洗以去除残余的含氯离子电解质溶液的操作。

上述方法还可在所述设定表面上附着所述银膜前先对该设定表面进行抛光和清洗以去除该设定表面上的污染物。

根据本发明的另一个方面，具有散斑的材料包括载体和形成于所述载体的设定表面上的目标散斑，所述目标散斑是由以上任意一种散斑的制备方法所制备得到的。

根据本发明的又一个方面，材料的测试方法包括：获取上述具有散斑的材料，并将所该材料作为下述操作中的试样；对试样进行EBSD表征，标定率达到95％以上；拍摄试样变形前的散斑图，对试样进行材料变形处理后，再拍摄试样变形后的散斑图；对试样变形前的散斑图与试样变形后的散斑图进行对比分析。

实验表明，银膜浸泡在含氯离子电解质溶液中时，该溶液中的Cl^-离子会破坏银膜的完整性；随后在Cl^-的作用下，银粒子会迁移团聚成纳米级别的银颗粒(即银纳米散斑粒)，进而由分散在所述设定表面上的银纳米散斑粒构成目标散斑。

本发明的散斑的制备方法操作简单方便，成本较低；制备的散斑对载体的设定表面的影响可控，容易满足EBSD测试的需求；纳米散斑粒粒径满足高分辨率DIC要求，并且纳米散斑粒粒径均匀，分布均匀性容易控制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例1的电子背散射图片。

图2为本发明实施例2的电子背散射图片。

图3为本发明实施例3的电子背散射图片。

图4为本发明实施例4不同材料的电子背散射图片。

图5为本发明实施例5纯镍的EBSD的IPF图。

图6为本发明实施例5中镍不同放大倍数下exx和exy方向的DIC应变场云图。

图7为本发明实施例6中铝不同放大倍数下的背散射扫描电子图(BSED)和对应的exx 应变场云图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：

本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案、技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案、技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明的一分部实施例而不是全部实施例，因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

关于本发明中术语和单位：本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”以及它的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。此外，本发明中的其他相关术语和单位，均可基于本发明相关内容得到合理的解释。

本发明实施例1-4的散斑的制备方法，包括：

1)将不同材料经过砂纸粗磨，机械抛光，电解抛光，并使用无水乙醇超声振荡清洗材料以备用；

2)将上述材料抛光面朝上放入镀膜仪中，将银膜靶材固定后进行磁控溅射，溅射时间为按照表1设定。

3)配置表1中浓度的氯化钠溶液，将50mL去离子水倒入烧杯中，按照表1称量分析纯氯化钠颗粒倒入该烧杯中，超声震荡5min，使氯化钠颗粒完全溶解于去离子水中。

4)将经过镀膜后的材料放入步骤三配置的氯化钠溶液中，浸泡时间按照表1执行，放入后材料经过镀膜的那一面朝上放置，浸泡过程中勿晃动。

5)取出样品并用去离子水清洗材料表面，去掉表面残余的氯化钠溶液。待样品干燥后即可得到同时进行EBSD测试和DIC测量的散斑。

表1

如图1所示，随着镀膜时间的延长，散斑粒径逐渐变小，当镀膜时间为20s时，形成了均匀致密的散斑。因此最佳镀膜时间为20s(此时银膜的厚度为15nm)。

如图2所示，随着浸泡时间的延长，散斑粒无明显变化。从理论上来说，银膜重组需要一定的时间，当时间很短时，银膜仍然是相对完整的，从实验结果来看，经过2.5h后，银膜已经完全发生重组。此后，银散斑颗粒保持稳定，增加浸泡时间并不会破坏散斑。

如图3所示,当溶液浓度低于1wt.％时，散斑颗粒大小无明显变化，当氯化钠溶液浓度达到2wt.％时，银颗粒发生了明显的团聚，如箭头所示，在低倍下可以看出，团聚沿着晶粒分布，这种情况不适用于DIC分析。氯化钠溶液浓度越低，所需浸泡时间越长，为平衡浸泡时间，因此浓度为1wt.％比较合适。

结合图1-3来看，最佳散斑制备条件为镀膜时间20s，浸泡时间2.5h，氯化钠溶液浓度为1wt.％。利用该实验参数进行实施例4，这四种材料表面散斑均匀分布，不同材料表面的散斑颗粒粒径略有不同，但均在50nm左右。能够够适用于高分辨DIC。

实施例5

待测材料为纯镍，尺寸为4mm×4mm×6mm，在镍表面制备出同时满足EBSD测试和高分辨 DIC的散斑的过程如下：

1)将镍材料经过砂纸粗磨，机械抛光，电解抛光，并使用无水乙醇超声振荡清洗材料以备用；

2)将上述步骤所得到镍的抛光面朝上放入镀膜仪中，将银膜靶材固定后进行磁控溅射，溅射时间为设定为20s。

3)配置浓度为1wt.％的氯化钠溶液。将50mL去离子水倒入烧杯中，称量分析0.5g分析纯氯化钠颗粒倒入该烧杯中，超声震荡5min，使氯化钠颗粒完全溶解于去离子水中。

4)将经过步骤2得到的材料放入步骤3配置的氯化钠溶液中，浸泡2.5h，放入时材料经过镀膜的那一面朝上放置，浸泡过程中勿晃动。

5)取出4中的试样并用去离子水清洗材料表面，去掉表面残余的氯化钠溶液。待样品干燥后即可得到同时进行EBSD测试和DIC测量的散斑。

6)对试样进行EBSD表征，如图5所示，标定率在95％以上，说明散斑的存在并没有影响试样的标定率。

7)利用电镜在不同打放大倍数(1000/2000/4000)下拍摄试样的背散射扫描电子图(BSED) 图片，记下拍摄位置。

8)对试样进行一个压缩变形，测量得到变形量在1.8％左右。变形过程注意不要污染镍的抛光表面。

9)以和步骤7中相同参数拍摄变形后的试样，得到试样变形后的背散射扫描电子图 (BSED)图片。

10)利用软件分析步骤7中和步骤9中得到的图片，得到变形后的应变云图。如图5所示，试样的X轴方向由于经历了一个压缩变形，正应变场exx整体呈现出蓝色(如图5中箭头所示区域)，也就是压应变。而剪切应变场exy既存在压应变也存在拉应变，这与理论是符合的。同时，放大倍数增加后，能够明显的看到条状的滑移带，这说明该方法制备的散斑是达到了高分辨的要求的。

实施例6

待测材料为纯铝，尺寸为4mm×4mm×6mm，在铝表面制备出同时满足EBSD测试和高分辨 DIC的散斑的过程如下：

1)将铝经过砂纸粗磨，机械抛光，电解抛光，并使用无水乙醇超声振荡清洗材料以备用；

2)将上述步骤所得到铝的抛光面朝上放入镀膜仪中，将银膜靶材固定后进行磁控溅射，溅射时间为设定为20s。

4)将经过步骤2得到的铝放入步骤3配置的氯化钠溶液中，浸泡2.5h，放入时材料经过镀膜的那一面朝上放置，浸泡过程中勿晃动。

6)利用电镜在不同打放大倍数(2000/5000/10000)下拍摄试样的背散射扫描电子图 (BSED)图片，记下拍摄位置。

7)对试样进行一个压缩变形，测量得到变形量在1.4％左右。变形过程注意不要污染铝的抛光表面。

8)以和步骤6中相同参数拍摄变形后的试样，得到试样变形后的背散射扫描电子图 (BSED)图片。

9)利用软件分析步骤6中和步骤8中得到的图片，得到变形后的应变云图。

如图6所示，从BSED图中可以看出，材料存在较多的滑移带，晶界处存在明显的凸起或凹陷，随着放大倍数的提高局部变形特征看得更清楚，散斑也看得更清楚。从exx应变场云图可以看出试样的X轴方向由于经历了一个压缩变形，正应变场exx整体呈现出蓝色(如图 6中箭头所示区域)，也就是压应变。对比相同倍数下的BSED图与exx图，可以看出exx应变场云图完全体现出了BSED中的变形特征，另外由于DIC自身的优势，我们还能区分出不同地方的相对应变的大小。当放大倍数达到10000倍时，在exx应变云图中还看见了BSED图中没有体现出来的变形。这一实施例极好的体现出本方法所体现的高分辨特点。

从上述实施例可知，它们具有以下优点：散斑不会对表面产生影响，满足EBSD测试的需求，特别适用于在原位加载下的EBSD和高分辨DIC应变场测量，并且制作散斑所使用的材料价格相对低廉，操作方法简单，在室温下即可完成，避免了因材料高温氧化导致试样EBSD标定率下降，制作过程无毒害，适用于多种材料，散斑大小均匀，分布容易控制，由于散斑为 50nm左右的颗粒，表面吸附能力较强，高速冲击后也不会脱落，也适用于材料动态力学行为测试。

以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他优选实施方式和实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims

1.散斑的制备方法，其特征在于，包括：在目标散斑的载体的设定表面上附着作为散斑前体的银膜；将附着所述银膜的载体浸泡在含氯离子电解质溶液中使银膜转变成分散在所述设定表面上的银纳米散斑粒；进而由分散在所述设定表面上的银纳米散斑粒构成目标散斑。

2.如权利要求1所述的散斑的制备方法，其特征在于：所述含氯离子电解质溶液具体为氯化钠溶液。

3.如权利要求2所述的散斑的制备方法，其特征在于：所述氯化钠溶液的的浓度为0.2-2wt.％，优选为0.2-1.5wt.％，更优选为0.5-1wt.％，再优选为1wt.％。

4.如权利要求1所述的散斑的制备方法，其特征在于：所述银膜的厚度为5-40nm，优选为5-25nm，更优选为10-20nm，再优选为15nm。

5.如权利要求1-6中任意一项权利要求所述的散斑的制备方法，其特征在于：将附着所述银膜的载体浸泡在含氯离子电解质溶液中的过程中确保所述银膜处于载体的上表面上。

6.如权利要求1-6中任意一项权利要求所述的散斑的制备方法，其特征在于：还包括对具有载体和形成于该载体上的目标散斑的材料进行清洗以去除残余含氯离子电解质溶液。

7.如权利要求1-6中任意一项权利要求所述的散斑的制备方法，其特征在于：在所述设定表面上附着所述银膜前先对该设定表面进行抛光和清洗以去除该设定表面上的污染物。

8.如权利要求1-6中任意一项权利要求所述的散斑的制备方法，其特征在于：所述银纳米散斑粒的粒径为1-100nm。

9.具有散斑的材料，包括载体和形成于所述载体的设定表面上的目标散斑，其特征在于：所述目标散斑是由权利要求1至8中任意一项权利要求所述的散斑的制备方法所制备得到的。

10.材料的测试方法，其特征在于，包括：获取权利要求9所述的具有散斑的材料，并将所该材料作为下述操作中的试样；对试样进行EBSD表征，标定率达到95％以上；拍摄试样变形前的散斑图，对试样进行材料变形处理后，再拍摄试样变形后的散斑图；对试样变形前的散斑图与试样变形后的散斑图进行对比分析。