SEM和XRD在粉末冶金中的应用汇总.docx

SEM和XRD在粉末冶金中的应用1粉末冶金1.1粉末冶金的概念粉末冶金(也称金属陶瓷法)：制取金属或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混 合物)作为原料，经过成形和烧结制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺过程 1.2粉末冶金的工艺粉末冶金工艺：(1)制取金属、合金、金属化合物粉末以及包覆粉末；(2) 将原料粉末通过成形、烧结以及烧结后的处理制得成品1.3粉末性能粉末性能分类：(1) 单颗粒性能(质)由材质决定：点阵类型、理论密度、熔点、电磁性能等，由制粉方法决定：粒度、形状、有效密度等；(2) 粉末体性能(质)：单颗粒性能+粒度组成、平均粒度、比表面、振实密度、松 装密度、流动性、压制性能；(3) 粉末孔隙特性：总孔隙、颗粒间孔隙、颗粒内孔隙、孔隙的开闭性、孔隙大小、 形状等最常见的性能分类体系：化学性能(成分)、物理性能、工艺性能1•化学成分：化学性质主要指粉末的化学组成包括主要金属的含量和杂质的含量 主要成分(如铁粉中的Fe)含量一对粉末性能有决定影响； 化学组成还包括杂质的种类和含量一对粉末性能也有重要影响2.物理性能：颗粒形状及结构、颗粒大小及粒度组成、比表面积、颗粒密度、颗粒硬度、 熔点、热学、电学、磁学、光学性质等。

1) 颗粒形状：主要由制粉方法和制粉决定，同时也与物质的分子或原子排列的结晶 几何学因素有关某些特定形状的粉末只能通过特定的方法生产： 球形粉末-雾化法、多孔粉末-还原法、树枝状粉末-电解法、片状粉末-研磨法 颗粒形状对粉末的工艺性能以及压坯和烧结体强度有显著影响2) 颗粒密度(3) 显微硬度2扫描电子显微镜扫描电子显微镜(简称扫描电镜，英文缩写为SEM)是一种大型的分析仪器，广泛应用在材 料科学、生命科学、物理学、化学等学科领域近年来在扫描电镜上相继安装了许多专用附 件，如:能谱仪(EDX)、波谱仪(WDX)、电子衍射仪(ED)等，使扫描电镜成为一种多功能的、快 速、直观、综合的表面分析仪器2.1 扫描电镜的工作原理扫描电镜主要由电子枪、电磁透镜、物镜、扫描线圈、信号收集及显示装置等组成其 工作原理为:由电子枪发射电子,以交叉斑作为电子源，经二级透镜及物镜的缩小形成具有一 定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、 空间顺序作栅网式扫描试样在电子束作用下，激发出各种信号,信号强度取决于试样表面状 况这些信号被探测器收集并经视频放大后输入显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的 显像管亮度，得到反映试样表面形貌的电子图像。

2.2扫描电镜的特点(1) 制样方法简单对表面清洁的导电材料可直接进行观察;表面清洁的非导电材料只要在表面蒸镀一层导 电层即可观察2) 场深大，三百倍于光学显微镜适用于粗糙表面和断口，甚至孔洞缝隙中细微情况的观察图像富有立体感，易于识别 和解释3) 放大倍数在15 一 200000倍范围内连续可调，分辨率高，能达到3 一 6nm4) 可进行多功能分析采用双放大倍数装置或图像选择器，可在荧光屏上同时观察不同放大倍数或不同形式 的图像可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态实验，观察各种环境条件下的相变及形 态变化等2.3扫描电镜应用概述SEM在无机非金属材料研究中的应用无机非金属材料主要包括陶瓷玻璃、耐火材料、 水泥和混凝土及复合材料等耐火材料显微结构的形成是有生产过程中的物理化学变化和机 械加工因素决定的，同类型的耐火材料显微结构的差异将影响耐火制品的技术性能和使用效 果借助SEM的观察，我们可通过调整工艺参数来设计合理的显微结构以提高耐火材料的 性能和延长使用寿命陶瓷材料属于多晶体，其物像种类可分为晶体、玻璃和气相，陶瓷中 晶粒的细化和均化能稳定和提高材料的某些性能课通过对粉体的处理使之保持较狭窄的粒 级分布，或引入合适的第二相以及均匀地加压成形，预烧等手段来实现。

利用SEM可以观 察到晶粒的改变，从而对预烧进行监控，获得性能较好的陶瓷利用SEM进行材料组织的形貌观察材料剖面的特征、零件内部的结构及损伤的形貌 都可以借助SEM来判断和分析SEM的样品制备简单，可以实现试样从低倍到高倍的定位 分析，在样品室中的试样不仅可以沿三维空间移动，还能够根据观察需要进行空间移动，以 利于使用者对感兴趣的部位进行连续、系统的观察分析扫描电子显微镜的图像真实、清晰、 富有立体感，广泛应用金属断口和显微组织三维形态的观察研究方面利用SEM进行镀层表面形貌分析和深度检测金属材料零件在使用过程中会受外界环 境的侵蚀发生腐蚀现象，需要进行磷化等表面防腐处理对母体进行保护由于光学显微镜放 大倍数的局限性，而扫描电镜却可以很容易的完成镀层表面的形貌分析和深度检测SEM如果配有X射线能谱和X射线波普成分分析等电子探针附件，可分析样品微区的 化学成分等信息可以使用SEM对材料内部夹杂物进行定位鉴定SEM还可以对显微组织 及超微尺寸材料进行研究，如钢铁材料中的回火托氏体和下贝氏体等显微组织细密的组织 进行钢铁产品质量和缺陷分析，如铸坯裂纹、气泡、中心缩孔；轧制过程造成的机械划伤、 折叠、氧化铁皮压入等等。

因SEM的分辨率高，可从新鲜断口上获得更为全面的信息利用SEM的高温样品台，可以观察材料在加热过程中组织转变的过程，研究不同材料 在热状下转变的差异在材料工艺性能研究方面，可以直接观察组织形态的动态变化拉伸 样品台可预先制造人工裂纹，研究在有预裂纹的情况下材料对裂纹大小的敏感性以及裂纹的 扩展速度，有益于材料断裂韧性的研究3 XRDx射线衍射分析法是研究物质的物相和晶体结构的主要方法当某物质（晶体或非晶 体）进行衍射分析时，该物质被X射线照射产生不同程度的衍射现象，物质组成、晶型、分 子内成键方式、分子的构型、构象等决定该物质产生特有的衍射图谱X射线衍射方法具 有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点因 此,X射线衍射分析法作为材料结构和成分分析的一种现代科学方法已逐步在各学科研究 和生产中广泛应用日常所用材料（金属、聚合物、石料和药品等）的绝大多数都是结晶体， 而材料的各种性能都与晶体结构相关，故研究晶体结构、结构与性能的关系、并据此改进材 料或研制新材料是材料研究中的一项重要内容对材料结构进行表征的方法有很多，但应用 最普遍、最重要的一种方法就是X射线衍射，因为它可以在不同层面上表征材料的多种结 构参数，这是许多其他方法所不能取代的。

3.1 XRD基本原理X射线同无线电波、可见光、紫外线等一样，本质上都属于电磁波，只是彼此之间占据 不同的波长范围而已X射线的波长较短，大约在10-8 —10-10 cm之间X射线分析仪器 上通常使用的X射线源是X射线管，这是一种装有阴阳极的真空封闭管，在管子两极间加 上高电压，阴极就会发射出高速电子流撞击金属阳极靶，从而产生X射线当X射线照射 到晶体物质上，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入 射X射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产 生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相不同的晶体物质具 有自己独特的衍射花样，这就是X射线衍射的基本原理关3.2 XRD应用概述由X射线衍射原理可知，物质的X射线衍射花样与物质内部的晶体结构有关每种结 晶物质都有其特定的结构参数（包括晶体结构类型，晶胞大小，晶胞中原子、离子或分子的位 置和数目等）因此，没有两种不同的结晶物质会给出完全相同的衍射花样通过分析待测 试样的X射线衍射花样，不仅可以知道物质的化学成分，还能知道它们的存在状态,即能知 道某元素是以单质存在或者以化合物、混合物及同素异构体存在。

同时，根据X射线衍射 试验还可以进行结晶物质的定量分析、晶粒大小的测量和晶粒的取向分析目前X射线衍 射技术已经广泛应用于各个领域的材料分析与研究工作中主要有以下几种：（1） 物相鉴定物相鉴定是指确定材料由哪些相组成和确定各组成相的含量 主要包括定性相分析和定量相分析2） 点阵参数的测定点阵参数是物质的基本结构参数，任何一种晶体物质 在一定状态下都有一定的点阵参数3） 微观应力参数的测定微观应力是指由于形变、相变、多相物质的膨胀等 因素引起的存在于材料内各晶粒之间或晶粒之中的微区应力4） 结晶度的测定结晶度是影响材料性能的重要参数5） 纳米材料粒径的表征采用X射线衍射线线宽法（谢乐法）可以测定纳 米粒子的平均粒径6） 晶体取向及织构的测定晶体取向的测定又称为单晶定向，就是找出晶 体样品中晶体学取向与样品外坐标系的位向关系4粉末试样的扫描电镜观察方法目前，越来越多的粉末试样用扫描电镜进行研究扫描电镜分辨率高、景深大，能提供 粉末的显微形貌信息并可测定粉末的几何尺寸用扫描电镜观察粉末试样，涉及三个主要因 素：（1） 扫描电镜本身的分辨率分辨率愈高，观察粉末形貌愈清晰；（2） 放大倍数与粉末颗粒尺寸要匹配。

观察小颗粒试样，放大倍率为几千倍甚至万倍 时才能观察出粒界情况在观察大颗粒时，只需很小的放大倍率，这时需考虑低倍畸变和景深 问题；（3） 试样制备技术粉末试样的制备很重要，直接影响观察效果和拍摄图象的清晰度4.1粉末试样的制备要求对粉末试样的制作要求是：（1）为研究粉末颗粒的形貌特征和几何尺寸，选择的试样要有代表性；(2) 要求粉末颗粒能很好地分散开，所以各种粉末试样均需进行分散处理在分散过 程中，如果使用分散剂，应严防溶解、变形或沾污粉末，并要防止结块或凝聚；(3) 粉末颗粒要牢固地粘附于样品座上，要避免粉末脱落，影响观察与分析，并防止 沾污电子光学系统；(4) 试样要有良好的导电性能，非导电粉末试样或制样中使用了不导电的固定剂，均需 进行镀膜处理4.2粉末试样的分散方法和固定方法4.2.1平均粒度＜ 5期 粉末的分散方法(1) 取少许粉末，放入小烧杯中，再向杯中注入无水酒精；(2) 将此烧杯置于超声波清洗器中，进行超声振荡数分钟；(3) 用玻璃棒或滴管取1-2滴有代表性的悬浮液，滴在备好的试样座上，待溶剂挥发后, 在试样座上便留下分散好的粉末这些粉末与试样座之间靠静电引力，以及酒精在蒸发过程 中产生的表面张力作用，使粉末牢固地吸附在试样座上。

4.2.2平均粒度＞5期粉末的分散与固定法将这种颗粒较大的粉末置于油光纸上，轻轻地振荡使其分散，用稀释的聚乙烯醇(或其它 胶)将分散好的粉末粘到试样座上4.2.3镀膜方法固定好的粉末试样、表面必须喷镶一层导电膜，一般用离子溅射仪镀金，厚度20 一 30nm金膜不仅有很高的导电性，同时还具有粘附粒子的作用•增强粘附力如果有条件， 好先喷一层碳，因为碳粒子更小•能够更好地填充粉末与基座及粉末之间的空隙然后表面 再喷金4.3粉末试样的实例观察方法以JSM — 80扫描电镜为例其工作参数如下：(1) 加压电压的选择从分辨率考虑，加速电压愈高.分辨率愈高由于粉末颗粒之间是点接触，颗粒与试座 之间也是点接触•所以其导电性不如块状试样，电压高有增加积累电荷的危险性所以现察 粉末试样时，要选择比较低的加速电压，还要保证较高的分辨率经过实验比较，用10〜15keV 加速电压最好2) 探针电流的选择电子束直径随探针电流的增加而增大为获得高分辨率的图象，电子束直径愈小愈好 这就需要增大聚光镜励磁，使探针电流变小，这将导致二次电子的信号变弱所以图象的信， 嗓比将变小使图象质量降低综合考虑粉末试样吸收电流用10-10〜10-11A时。

图象质量很好观案实例4.3.1。