利用光學(xué)顯微鏡和激光光譜的2合1解決方案，對檢測材料執(zhí)行深度剖析

除了同時進(jìn)行視覺和化學(xué)檢查外，結(jié)合了光學(xué)顯微鏡和激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（LIBS）的2合1材料分析解決方案還可用于高效執(zhí)行深度剖析。深度剖析可以成為整個材料分析工作流程的其中一環(huán)。本文討論了用2合1解決方案對涂層材料進(jìn)行快速深度剖析的方法。檢測具有多層涂層，或散裝材料內(nèi)有多種成分的部件或零件時，深度剖析是非常有效的方法。印刷電路板（電子）上的涂層和車輛（汽車和運輸）上的油漆和防腐蝕涂層就很適合進(jìn)行深度剖析。2合1解決方案可以大幅節(jié)省材料分析的成本和時間。在生產(chǎn)、質(zhì)量控制、故障分析或研發(fā)過程中，如果數(shù)據(jù)足夠相關(guān)、準(zhǔn)確、可靠，那么決策者就能更快、更有信心地作出決策。

介紹

金屬合金、汽車、航空航天、運輸和電子等行業(yè)的產(chǎn)品和應(yīng)用，以及金相學(xué)、地球科學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域都離不開材料分析[1-3]。面對日益激烈的競爭和日益嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)，如何選擇經(jīng)濟高效的方式來保障產(chǎn)品的質(zhì)量或研究結(jié)果的可靠性，以進(jìn)行后續(xù)創(chuàng)新已然成為了一個嚴(yán)峻的問題。

采用多種技術(shù)對材料進(jìn)行目視檢查，然后確定其局部成分的方法，需耗費大量的時間和成本[1-3]。高分辨率、高對比度的顯微鏡可用于執(zhí)行目視檢查，化學(xué)/元素光譜分析可用于確定材料成分。制定具體應(yīng)用的后續(xù)行動方案之前，通常要先了解材料的微觀結(jié)構(gòu)和成分的可靠數(shù)據(jù)。如果時間和預(yù)算有限，迫使人們必須采取有效的方法來迅速做出正確決策時，獲取這些數(shù)據(jù)就更加重要了。

在部分檢查中，如質(zhì)量控制（QC）和故障分析（FA），人們必須要能識別多層涂層，以及從基材到表面的成分變化情況[4-6]。這些需求廣泛分布于各行各業(yè)，如電子（焊接和PCB表面涂層）和汽車/運輸和建筑（油漆和防腐蝕涂層）行業(yè)，以及法醫(yī)領(lǐng)域（事故調(diào)查）。材料涂上涂層后，可以賦予零部件特定的機械或電氣性能，或者僅僅是保護(hù)它們免受磨損、風(fēng)化和腐蝕。涂層可以有多個層次，分別由多種材料構(gòu)成。檢測具有多層涂層，或從基材到表面有多種成分的零部件時，深度剖析可以確定每層材料或特定深度的成分。此外，甚至還可以顯示關(guān)鍵層是否存在。

下面介紹使用徠卡顯微系統(tǒng)的DM6 M LIBS材料分析解決方案進(jìn)行深度剖析和分層分析的情況。

材料的深度剖面分析

LIBS方法利用激光燒蝕，對涂層和組件材料進(jìn)行微鉆（µ-drill）。微鉆的作用包括：

• 深度剖析，以確定成分隨材料深度變化的情況；

• 對多層油漆或涂層材料進(jìn)行分層分析；

• 表面清洗，以去除氧化物或污染物。

圖1為在鋼合金上進(jìn)行微鉆的示例。

圖1：A) 示意圖顯示了具有多層涂層材料的橫截面和一個微鉆鉆孔，其中寬度和深度已標(biāo)明。B）帶有微鉆鉆孔的鋼材圖像（用紅色箭頭標(biāo)記）。

涂層材料的分層分析

一個由銅（Cu）制成，并涂有鎳（Ni）和銀（Ag）的環(huán)狀螺旋彈簧經(jīng)過了深度剖面分析。分析采用的是DM6 M LIBS解決方案的微鉆和LIBS功能。彈簧的各層和基材都經(jīng)過了分析。

環(huán)狀螺旋彈簧是在兩端連接的盤狀彈簧，外觀呈圓形，常用于電機密封、皮帶驅(qū)動的電機和電氣連接器中。圖2顯示了環(huán)狀螺旋彈簧的照片和材料截面的示意圖。

環(huán)狀螺旋彈簧的深度剖面分析數(shù)據(jù)如下所示。我們在彈簧材料上共進(jìn)行了8次激光微鉆，以分析從表面到基材的成分。每次激光微鉆大約可以在焦點位置燒蝕5微米，具體視材料性質(zhì)而定。進(jìn)行8次激光微鉆，并獲取3份光譜數(shù)據(jù)的總用時在1到2分鐘之間。

圖2中的結(jié)果顯示了以下光譜：

• 頂層是第1次激光微鉆時打開的，材質(zhì)是銀；

• 下一層是第4次激光微鉆時打開的，材質(zhì)是鎳；

• 第8次微鉆打開的材質(zhì)是銅。

圖2：A) 涂有銀和鎳層的銅質(zhì)環(huán)狀螺旋彈簧的圖片，我們采用LIBS和微鉆對其進(jìn)行深度剖析。B) 顯示銅質(zhì)彈簧材料截面的示意圖。

為確定彈簧各層和基材的LIBS光譜數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的參考元素光譜的匹配程度，我們計算了兩者的匹配度。下表1為各層和基材材料的數(shù)值。然后我們選擇了與測量光譜匹配度最高的元素參考光譜來確定材料成分。

本文介紹了使用徠卡顯微系統(tǒng)DM6 M LIBS材料分析解決方案對帶涂層的環(huán)狀螺旋彈簧（電機或電子元件）進(jìn)行深度剖析的方法。對材料進(jìn)行微鉆后，即可獲得彈簧的2個涂層和基材的光譜，整個過程僅需1到2分鐘。

材料分析對各類產(chǎn)品開發(fā)（R&D）、質(zhì)量控制（QC）、故障分析（FA）和技術(shù)應(yīng)用都很重要，并且廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)和領(lǐng)域中。通常這種分析的時間和預(yù)算都是有限的，但獲得可靠結(jié)果和保障產(chǎn)品質(zhì)量始終非常重要[1-3]。

對于具有多層涂層，或材料內(nèi)部包含多種成分的部件執(zhí)行檢查、質(zhì)量控制或FA時，有時需要做深度剖析。比如，油漆和防腐涂層就需要進(jìn)行深度剖析。深度剖析可以確定各層材料或特定深度的成分。

了解更多：徠卡顯微

延伸閱讀

1. J. DeRose, K. Scheffler, See the Structure with Microscopy - Know the Composition with Laser Spectroscopy: Rapid, Complete Materials Analysis with a 2-Methods-In-1 Solution (2018) Science Lab, Leica Microsystems.

2. J. DeRose, K. Scheffler, K. Kartaschew, M. Horz, T. Locherer,? Visual and Chemical Analysis of Steel Microstructure: Faster Rating of Steel Quality: A 2-Methods-In-1 Solution Combining Microscopy and Laser Spectroscopy (2020) Science Lab, Leica Microsystems.

3. J. DeRose, K. Scheffler,?Cleanliness Analysis with a 2-methods-in-1 solution: See the particles and know their composition at the same time (2019) Science Lab, Leica Microsystems.

4. H. Kondo, M. Aimoto, H. Yamamura, T. Toh, Rapid Inspection of Defects of Steel by Laser Induced Breakdown Spectroscopy, Nippon Steel technical report no. 100 (2011).

5. T. Kim, C-T. Lin, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, Chapter 5 in Advanced Aspects of Spectroscopy, M.A. Farrukh, Editor, IntechOpen (2012) DOI: 10.5772/48281.

6. C. Meinhardt, V. Sturm, R. Fleige, C. Fricke-Begemann, R. Noll, Laser-induced breakdown spectroscopy of scaled steel samples taken from continuous casting blooms, Spectrochimica Acta Part B, vol. 123 (2016) pp. 171–178, DOI: 10.1016/j.sab.2016.08.013.