CN116735310B - 一种硒化锌多晶陶瓷材料的金相制样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硒化锌多晶陶瓷材料的金相制样方法，属于金相分析测试技术领域。该方法采用环氧树脂对硒化锌多晶陶瓷样品进行镶嵌；将镶嵌后的样品在不同粒度的碳化硅水砂纸上由粗到细依次磨制，每换一次砂纸，样品需转动45‑135°，直至将上一级划痕完全去除；先后采用2.5μm、1.0μm的金刚石抛光剂对样品进行抛光，至试样表面磨痕完全去除；将浓盐酸试剂加热至沸腾，采用浓盐酸蒸汽腐蚀试样表面5‑20s，利用浓盐酸蒸汽对抛光态硒化锌试样表面的活化作用，以及HCl分子对硒化锌多晶陶瓷材料晶界的优先化学溶解作用，使微观组织充分显示出来。该方法工艺简便高效、复现性好，制备的金相样品微观组织显示清晰、晶粒轮廓明显。

Description

一种硒化锌多晶陶瓷材料的金相制样方法

技术领域

本发明属于金相分析测试技术领域，具体涉及一种硒化锌多晶陶瓷材料的金相制样方法，用于制备硒化锌多晶陶瓷材料金相组织观测用样品。

背景技术

硒化锌(ZnSe)是一种重要的直接带隙Ⅱ-Ⅵ族半导体陶瓷材料，禁带宽度为2.67eV。与CdS和CdSe等陶瓷材料相比，硒化锌是一种低毒性半导体材料，在诸如发光二极管、蓝绿色半导体激光器及中红外激光器等光电子器件，以及光伏太阳能电池、生物医学标记方面具有很高的应用价值。

在陶瓷科学中，材料制造工艺-显微组织-性能和应用，之间有着统一的多边联系。显微组织一方面记录了材料制备过程中的一些关键信息，另一方面又在一定程度上决定了材料性能的优劣。无论是硒化锌陶瓷材料制备过程中产生的微裂纹、孔洞等显微缺陷的检测，还是其组织均匀性分析、晶粒度评定工作的开展，都极其依赖制备出高质量的金相试样。

迄今为止，针对硒化锌多晶陶瓷材料的金相制样技术国内外鲜有报道。硒化锌多晶陶瓷材料是研发高性能光电子器件的关键原材料，开展硒化锌的金相组织研究符合高端光电陶瓷材料发展方向，所涉及到的金相制样方法是确保硒化锌陶瓷材料产品质量提升的关键技术，需要进行新的研究和探索。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的在于提供一种行之有效的硒化锌多晶陶瓷材料金相试样制备方法。本发明方法采用硒化锌多晶陶瓷作为实验样品，经镶嵌、磨制、抛光、金相腐蚀等步骤获得表面平整、组织显示清晰的金相样品。

一种硒化锌多晶陶瓷材料的金相制样方法，包括以下步骤：

1)镶嵌：采用环氧树脂对硒化锌多晶陶瓷样品进行镶嵌；

2)磨制：将镶嵌后的样品在不同粒度的碳化硅水砂纸上由粗到细依次磨制，每换一次砂纸，样品需转动45-135°，直至将上一级划痕完全去除；

3)抛光：先后采用2.5μm、1.0μm的金刚石抛光剂对样品进行抛光，至试样表面磨痕完全去除；

4)腐蚀：将浓盐酸试剂加热至沸腾，采用浓盐酸蒸汽腐蚀试样表面5-20s；

5)显微分析：将腐蚀后的样品在去离子水下冲洗干净、吹干后，置于金相显微镜下观察、分析。

进一步地，步骤1)中，采用环氧树脂对硒化锌多晶陶瓷样品进行热镶嵌或冷镶嵌；热镶嵌采用的压力为150-200bar，温度为150-200℃。冷镶嵌时，将液态环氧树脂和固化剂(例如环氧固化剂)混合均匀后，与样品一起放入模具中，采用真空浸渍装置抽真空后，静置24小时以上。

进一步地，步骤2)中所述碳化硅水砂纸粒度包括但不仅限于120目、240目、500目、1000目、2500目；可采用粒度为120目、240目、500目、1000目和2500目碳化硅水砂纸中的三种以上组合使用。

进一步地，步骤4)在通风橱中，采用浓盐酸蒸汽腐蚀试样表面，待浓盐酸溶液沸腾5-10s后，用木夹子夹取试样置于浓盐酸蒸汽氛围中进行腐蚀，腐蚀时间为5-20s；腐蚀时，将试样抛光面向下贴近但不接触腐蚀液表面；所述浓盐酸的密度为ρ＝1.19g/mL，浓盐酸体积为60-150mL。

本发明采用碳化硅水砂纸对硒化锌多晶陶瓷材料进行磨制，有效去除取样切割过程中引入的变形层，经2.5μm的金刚石抛光剂消除细磨留下的磨痕后，再采用1.0μm的金刚石抛光剂进行精抛，得到表面平整、光亮的硒化锌陶瓷试样。此外，为获得高质量的硒化锌多晶陶瓷金相组织观测用样品，金相腐蚀阶段，本发明突破常见的腐蚀液常温浸泡腐蚀法或棉花蘸取腐蚀液擦拭腐蚀法，创新性以沸腾的浓盐酸蒸汽作为腐蚀介质，利用热的浓盐酸蒸汽对抛光态硒化锌试样表面的活化作用，以及HCl分子对硒化锌多晶陶瓷材料晶界的优先化学溶解作用，获得观组织显示清晰、晶粒轮廓明显的硒化锌多晶陶瓷金相组织观测用样品。

本发明的优点如下：

(1)本发明制备的硒化锌多晶陶瓷金相样品，微观组织显示清晰、晶粒轮廓明显，便于开展硒化锌多晶陶瓷材料的微观组织均匀性分析、晶粒度评定以及孔洞、微裂纹等缺陷检测等工作，有效解决了硒化锌多晶陶瓷材料的微观组织表征技术难题。

(2)本发明的金相腐蚀工艺简便高效、复现性好。

(3)硒化锌多晶陶瓷的金相样品制备方法目前未有报道，本发明能够有效填补相关技术空白。

附图说明

图1为实施例1制备的硒化锌多晶陶瓷金相样品的显微组织图片；

图2为实施例2制备的硒化锌多晶陶瓷金相样品的显微组织图片；

图3为实施例3制备的硒化锌多晶陶瓷金相样品的显微组织图片；

图4为实施例4制备的硒化锌多晶陶瓷金相样品的显微组织图片；

图5为对比例1制备的硒化锌多晶陶瓷金相样品的显微组织图片；

图6为对比例2制备的硒化锌多晶陶瓷金相样品的显微组织图片。

图7为对比例3制备的硒化锌多晶陶瓷金相样品的显微组织图片。

具体实施方式

本发明的硒化锌多晶陶瓷显微组织样品的制备方法，包括以下步骤：

1)镶嵌：采用环氧树脂对硒化锌多晶陶瓷样品进行镶嵌，制得尺寸规格化、便于磨抛的金相镶嵌试样；

2)磨制：将镶嵌后的样品在不同粒度的碳化硅水砂纸上由粗到细依次磨制，每换一次砂纸，样品需转动45-135°，直至将上一级划痕完全去除；

3)抛光：先后采用2.5um、1.0um的金刚石抛光剂对样品进行抛光，待试样表面磨痕完全去除即可；

4)腐蚀：在通风橱中，采用浓盐酸蒸汽氛围对试样进行腐蚀；对配制好的浓盐酸(ρ＝1.19g/mL)试剂加热至沸腾5-10s后，采用耐蚀的木制夹子夹取试样，使试样抛光面向下贴近但不接触腐蚀液表面，进行腐蚀；采用浓盐酸蒸汽腐蚀试样表面，腐蚀时间为5-20s；

5)显微分析：将腐蚀后的样品在去离子水下冲洗干净、吹干后，置于金相显微镜下观察、分析。

实施例1

硒化锌多晶陶瓷用环氧树脂热镶嵌的方式进行镶嵌。镶嵌用压力为200bar，温度为200℃。镶嵌后的样品依次用120目、240目、500目、1200目、2500目的碳化硅水砂纸研磨，每换一次砂纸，样品需转动45°，直至将上一级划痕完全去除；先后采用2.5μm、1.0μm的金刚石抛光剂抛光，直至试样表面磨痕去除为止。

采用浓盐酸(ρ＝1.19g/mL)蒸汽氛围腐蚀样品表面10s后，在去离子水下冲洗干净，吹干，置于显微镜下观察。如图1所示，为硒化锌多晶陶瓷的显微组织图片，试样表面未见孔洞及微裂纹，其显微组织整体较为均匀，晶界轮廓明显、晶粒形貌清晰可辨。通过金相专用分析软件对硒化锌多晶陶瓷试样进行晶粒尺寸分析，可知其平均晶粒直径为77.2μm，晶粒度为4.5级。

实施例2

硒化锌多晶陶瓷采用液态环氧树脂加固化剂冷镶嵌的方式进行镶嵌。液态环氧树脂热和固化剂混合均匀后，与样品一起放入模具中，采用真空浸渍装置抽真空后，静置24小时。镶嵌后的样品依次用240目、500目、1000目、2500目的碳化硅水砂纸研磨，每换一次砂纸，样品需转动135°，直至将上一级划痕完全去除；先后采用2.5μm、1.0μm的金刚石抛光剂抛光，直至试样表面磨痕去除为止。

采用浓盐酸(ρ＝1.19g/mL)蒸汽氛围腐蚀样品表面5s后，在去离子水下冲洗干净，吹干，置于显微镜下观察。如图2所示，为硒化锌多晶陶瓷的显微组织图片，试样表面未见孔洞及微裂纹，其显微组织整体较为均匀，晶界轮廓明显、晶粒形貌清晰可辨。通过金相专用分析软件对硒化锌多晶陶瓷试样进行晶粒尺寸分析，可知其平均晶粒直径为80.7μm，晶粒度为4.5级。

实施例3

硒化锌多晶陶瓷用环氧树脂热镶嵌的方式进行镶嵌。镶嵌用压力为180bar，温度为180℃。镶嵌后的样品依次用120目、500目、1200目、2500目的碳化硅水砂纸研磨，每换一次砂纸，样品需转动90°，直至将上一级划痕完全去除；先后采用2.5μm、1.0μm的金刚石抛光剂抛光，直至试样表面磨痕去除为止。

采用浓盐酸(ρ＝1.19g/mL)蒸汽氛围腐蚀样品表面15s后，在去离子水下冲洗干净，吹干，置于显微镜下观察。如图3所示，为硒化锌多晶陶瓷的显微组织图片，试样表面未见孔洞及微裂纹，其显微组织整体较为均匀，晶界轮廓明显、晶粒形貌清晰可辨。通过金相专用分析软件对硒化锌多晶陶瓷试样进行晶粒尺寸分析，可知其平均晶粒直径为74.6μm，晶粒度为4.5级。

实施例4

硒化锌多晶陶瓷用环氧树脂热镶嵌的方式进行镶嵌。镶嵌用压力为150bar，温度为200℃。镶嵌后的样品依次用120目、500目、1200目、2500目的碳化硅水砂纸研磨，每换一次砂纸，样品需转动60°，直至将上一级划痕完全去除；采用2.5μm、1.0μm的金刚石抛光剂抛光，直至试样表面磨痕去除为止。

采用浓盐酸(ρ＝1.19g/mL)蒸汽氛围腐蚀样品表面20s后，在去离子水下冲洗干净，吹干，置于显微镜下观察。如图4所示，为硒化锌多晶陶瓷的显微组织图片，试样表面未见孔洞及微裂纹，其显微组织整体较为均匀，晶界轮廓明显、晶粒形貌清晰可辨。通过金相专用分析软件对硒化锌多晶陶瓷试样进行晶粒尺寸分析，可知其平均晶粒直径为66.3μm，晶粒度为5.0级。

对比例1

在实施例1的基础上保持其他条件不变，将在浓盐酸(ρ＝1.19g/mL)蒸汽氛围下腐蚀的时间由10s延长为30s后，样品在去离子水下冲洗干净，吹干置于显微镜下观察。

如图5所示，为所获得的硒化锌多晶陶瓷的显微组织图片，可见，继续增加腐蚀时间至30s,盐酸蒸汽对硒化锌多晶陶瓷晶界的优先腐蚀作用不再明显，晶内出现大量孪晶，晶界轮廓较为模糊，晶粒形貌难以辨认。

对比例2

在实施例1的基础上保持其他条件不变，改为常温下，100mL浓HCl(ρ＝1.19g/mL)+(2-5)mLH₂O₂(30％wt)作为腐蚀剂，将样品浸蚀10s后，去离子水冲洗干净，吹干后在显微镜下观察。

如图6所示，为所获得的硒化锌多晶陶瓷的显微组织图片，可见，采用浓HCl(ρ＝1.19g/mL)+H₂O₂(30％wt)作为腐蚀剂，常温腐蚀时，样品表面腐蚀速率差异较大，局部区域腐蚀较为剧烈，大部分区域腐蚀速率相对较慢且显微组织较为模糊，晶粒形貌难以辨认。

对比例3

在实施例1的基础上保持其他条件不变，改为常温下，60mL浓硫酸(98％wt)+40mL乙酸(99.8％wt)作为腐蚀剂，将样品浸蚀10s后，去离子水冲洗干净，吹干后在显微镜下观察。

如图7所示，为所获得的硒化锌多晶陶瓷的显微组织图片，可见，采用浓0mL浓硫酸(98％wt)+40mL乙酸(99.8％wt)作为腐蚀剂时，对硒化锌多晶陶瓷无明显腐蚀作用，样品表面仍呈现抛光态特征，其金相组织未能成功显现。

以上结果说明本发明方法适用于硒化锌多晶陶瓷金相试样的制备及显微组织分析，单纯改变腐蚀时间或采用其他腐蚀方法无法起到同等效果，本发明方法具有显著的技术效果。

本发明采用浓盐酸蒸汽腐蚀试样表面5-20s，利用热的浓盐酸蒸汽对抛光态硒化锌试样表面的活化作用，以及HCl分子对硒化锌多晶陶瓷材料晶界的优先化学溶解作用，使硒化锌陶瓷材料的微观组织充分显示出来。该方法复现性好，制备的硒化锌多晶陶瓷金相样品微观组织显示清晰、晶粒轮廓明显，便于开展硒化锌多晶陶瓷材料的微观组织均匀性分析、晶粒度评定以及孔洞、微裂纹等缺陷检测等工作，有效解决了硒化锌多晶陶瓷材料的微观组织表征技术难题。

Claims (8)

1.一种硒化锌多晶陶瓷材料的金相制样方法，包括以下步骤：

1)镶嵌：采用环氧树脂对硒化锌多晶陶瓷样品进行镶嵌；

2)磨制：将镶嵌后的样品在不同粒度的碳化硅水砂纸上由粗到细依次磨制，每换一次砂纸，样品需转动45-135°，直至将上一级划痕完全去除；

3)抛光：先后采用2.5μm、1.0μm的金刚石抛光剂对样品进行抛光，至试样表面磨痕完全去除；

4)腐蚀：将浓盐酸试剂加热至沸腾，采用浓盐酸蒸汽腐蚀试样表面5-20s；腐蚀时，将试样抛光面向下贴近但不接触腐蚀液表面；

5)显微分析：将腐蚀后的样品在去离子水下冲洗干净、吹干后，置于金相显微镜下观察、分析。

2.根据权利要求1所述的硒化锌多晶陶瓷材料的金相制样方法，其特征在于：采用环氧树脂对硒化锌多晶陶瓷样品进行热镶嵌或冷镶嵌。

3.根据权利要求2所述的硒化锌多晶陶瓷材料的金相制样方法，其特征在于：所述的热镶嵌采用的压力为150-200bar，温度为150-200℃。

4.根据权利要求2所述的硒化锌多晶陶瓷材料的金相制样方法，其特征在于：冷镶嵌时，将液态环氧树脂和固化剂混合均匀后，与样品一起放入模具中，采用真空浸渍装置抽真空后，静置24小时以上。

5.根据权利要求1所述的硒化锌多晶陶瓷材料的金相制样方法，其特征在于：采用碳化硅水砂纸的粒度为120目、240目、500目、1000目或2500目。

6.根据权利要求5所述的硒化锌多晶陶瓷材料的金相制样方法，其特征在于：采用粒度为120目、240目、500目、1000目和2500目碳化硅水砂纸中的三种以上组合使用。

7.根据权利要求1所述的硒化锌多晶陶瓷材料的金相制样方法，其特征在于：在通风橱中，待浓盐酸溶液沸腾5-10s后，用木夹子夹取试样置于浓盐酸蒸汽氛围中进行腐蚀。

8.根据权利要求7所述的硒化锌多晶陶瓷材料的金相制样方法，其特征在于：所述浓盐酸的密度为ρ＝1.19g/mL，浓盐酸体积为60-150mL。