一种金属材料薄板和薄片横截面透射电镜样品的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种透射电镜样品制备方法，特别是用电解双喷减薄制备透射电镜样品的方法。
【背景技术】
[0002]基于霍尔-佩奇公式的预测，纳米晶/超细晶材料具有极高的强度，因而引起了世界各国材料科学工作者的广泛关注。在纳米晶/超细晶金属材料的研究过程中，通常会遇到厚度仅有0.2-2毫米的薄板和薄片状材料，为了探讨超细晶/纳米晶的微观组织演变、塑性变形机制、强韧化理论等科学问题，有时需要用透射电镜研究这些超细晶/纳米晶材料薄板和薄片横截面内的微观组织。另外，近二十年来一种新型的制造技术-微制造获得了蓬勃发展，这种技术被广泛用来制造用在各种微系统上的微型零部件，其中的微型薄板、薄片金属零件在各种微型零部件中占有重要地位，有着广泛的应用，有时也需要用透射电镜研究制造微型薄板、薄片零件的金属材料薄板和薄片横截面内的微观组织。金属材料薄板和薄片横截面的透射电镜样品制备成为进行上述透射电镜微观组织分析的前提。下面将首先对制备金属材料薄板和薄片横截面透射电镜样品进行分析。金属材料薄板和薄片横截面样品是沿垂直于其表面切割出的形状大致为长方体的样品，为了下文表述清楚起见，对金属材料薄板和薄片与其横截面样品中所涉及的位向之间的关系作如下规定(如图1所示):横截面样品的宽度方向为原薄板和薄片的厚度方向，横截面样品中含有宽度方向且垂直于原薄板和薄片表面、具有较大长度的平面为横截面样品的表面，不含宽度方向且平行于原薄板和薄片表面的平面为横截面样品的侧面，横截面样品中垂直于横截面样品的表面方向的尺度为横截面样品的厚度。基于以上规定，厚度0.2-2毫米的金属材料薄板和薄片的横截面样品宽度很窄(等于金属材料薄板和薄片的厚度0.2-2毫米)，在这种横截面样品的厚度方向上获得电子能透过的薄区是一项极具挑战性的工作，由于离子减薄法、超薄切片法、聚焦离子束切割法均会在材料中引入额外的晶体缺陷或造成材料损伤，所以只有电解双喷方法可取，但是当采用电解双喷进行最后减薄时，很难保证较大的电子能透过的薄区的获得，为说明这个问题，先对直径3毫米的常规样品的电解双喷过程作一简介。机械减薄至厚度30-50微米的、直径3毫米的常规样品被电解双喷装置的夹具固定时，样品被放置在主夹板中的一个直径3毫米的圆形凹坑中，凹坑位于主夹板中的导电片上(为了在电解双喷过程中形成电回路)，凹坑中央有一个直径为2-2.5毫米的圆孔，与之相匹配的副夹板上也有一个与之同心的等直径圆孔，使得被固定样品的中间部分的两个表面暴露在喷嘴喷出的电解液中，如图2所示。由于直径3毫米的样品可以覆盖夹具(包括主夹板和副夹板)上的圆孔，电解双喷装置上的光敏控制单元可启用，样品上无孔洞时，光路被阻断，为喷射电解液提供动力的栗的供电电路导通，双喷过程进行；一旦双喷至孔洞在样品表面上出现时，光路立即导通，产生相应的信号切断栗的供电电路，使双喷过程停止，此时获得的电子能透过的薄区面积最大。对于宽度0.2-2毫米的横截面样品，由于其宽度小于通用电解双喷装置上样品夹具中圆孔的直径2-2.5毫米，使得横截面样品与夹具中圆孔壁之间有缝隙存在，导致电解双喷装置上的光敏控制单元无法启用，很难确定样品表面刚被喷出孔洞的时刻，从而很难保证较大面积的电子能透过的薄区的获得。为了用电解双喷制备金属材料薄板和薄片横截面的透射电镜样品，已有的一些工作对传统的电解双喷方法进行了改进，其目的均是设法增加横截面样品的宽度，使夹具中的圆孔能被加宽的横截面样品完全覆盖，如用电镀[Journal of Microscopy 252(2013)251-257]或用数个狭窄的横截面样品拼接起来[中国发明专利201310218516.9、稀有金属1 (1984)69-72]加宽的横截面样品，当机械减薄至电解双喷所需要的30-50微米时，电镀层与横截面样品之间、拼接在一起的横截面样品之间有时会散开；对于用数个狭窄的横截面样品拼接起来加宽的横截面样品，虽然可完全覆盖电解双喷装置上夹具中的圆孔，然而电解双喷过程中样品的溶解仍然优先发生在样品与样品或样品与粘结剂(例如:稀有金属1(1984)69-72工作中电镀的铜)的界面上，使得样品表面还没有减薄出孔洞的时候，样品与样品或样品与粘结剂之间由于优先溶解形成的缝隙导致光敏控制单元动作，切断为电解液喷射提供动力的栗的供电，使电解双喷过程停止。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种可靠并且简便易行的用电解双喷制备0.2-2毫米厚金属材料薄板和薄片横截面透射电镜样品的方法。
[0004]本发明主要是在现有通用电解双喷装置的夹具上采用一片外径大于夹具(主、glj夹板)中圆孔直径(2-2.5毫米)、中央带有直径小于横截面样品宽度的微孔的不导电薄片覆盖在横截面样品前面，完全遮挡住夹具(主、副夹板)上的圆孔，同时在横截面样品的表面形成直径等于不导电薄片中央微孔直径的电解双喷区域。
[0005]本发明的制备方法，具体步骤如下:
[0006](1)横截面样品的切割:沿垂直于厚度0.2-2毫米的金属材料薄板和薄片表面的方向切割出长约3毫米的横截面样品(横截面样品宽度为金属材料薄板和薄片的厚度0.2-2毫米)。所述金属材料包括纯金属、合金、金属基复合材料及金属间化合物。所述从金属材料薄板和薄片切割横截面样品时，所用的最好方法为电火花线切割(wire electricaldischarge machining)。
[0007](2)横截面样品的机械减薄:将宽度0.2-2毫米的横截面样品沿其厚度方向机械减薄至30-50微米。最好米用砂纸打磨将试样减薄。
[0008](3)不导电薄片的制作:从不导电材料上切割出一片直径3毫米、厚度0.2-0.4毫米的薄片，并在薄片中心处用针头刺出直径小于步骤1、2中横截面样品宽度的微孔。所述不导电薄片的材料为具有一定的塑性并且硬度较低的高分子化合物，包括但不限于符合这些条件的各种通用塑料(例如:聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料、聚丙烯塑料、聚苯乙烯塑料、丙烯腈一丁二烯一苯乙烯塑料等)和工程塑料(例如:聚酰胺塑料、聚碳酸酯塑料、聚氨酯塑料、聚四氟乙烯塑料、聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料等)。
[0009](4)预减薄的横截面样品的夹持:
[0010]a将机械减薄至30-50微米的横截面样品放置在通用电解双喷装置夹具的主夹板的导电片上的用于固定样品的直径3毫米的圆形凹坑内(主夹板上的圆孔位于凹坑的中央)，平行于横截面样品的长约3毫米的两边、并位于这两边之间与两边距离相等的直线被放置在上述圆形凹坑的直径上。
[0011]b将步骤3制作的不导电薄片放置在样品外侧即与副夹板相邻一侧，完全遮挡住主夹板上2-2.5毫米的圆孔，并且不导电薄片上的微孔在横截面样品表面形成直径等于微孔直径的电解双喷区域。将该夹具的主、副夹板装配在一起，完成横截面样品的夹持。
[0012](5)电解双喷:将步骤4制作的夹具放到电解双喷装置的电解池中，启动光敏控制单元，依据横截面样品的材料类型(即金属薄板和薄片的材料类型)，选用不同的电解溶液、电解双喷参数(电压、温度、电解液喷射速率等)进行电解双喷，直至横截面样品表面穿孔，光敏控制单元立即动作，停止电解双喷。
[0013]本发明的工作原理:当机械减薄至30-50微米厚的金属材料薄板和薄片横截面样品(横截面样品宽度为金属材料薄板和薄片的厚度0.2-2毫米)被通用电解双喷装置上的夹具固定的同时，用一片外径大于夹具(主、副夹板)中圆孔直径(2-2.5毫米)的薄片覆盖在横截面样品前面，从而完全遮挡住夹具上的圆孔；同时该薄片上带有直径小于横截面样品宽度的微孔，从而将双喷区域限制在薄片上的微孔所决定的区域内；为了彻底避免薄片参与电解双喷过程，从而造成对横截面样品电解双喷过程的干扰，有时引起横截面样品电解双喷过程的失败，采用不导电的材料来制作薄片。采用上述方法，在电解双喷开始时由于大于夹具(主、副夹板)中圆孔直径的不导电薄片的存在，通用电解双喷装置上的光敏控制单元的光路被隔断，使光敏控制单元能够投入使用；不导电薄片上小于横截面样品宽度的微孔使得电解双喷引起的横截面样品表面的减薄在薄片微孔所决定的区域内进行；只要在微孔区域内出现孔洞，将立即引起光敏控制单元动作，电解双喷过程自动停止，这时可获得面积最大的电子能穿透的薄区。
[0014]本发明与现有技术相比具有如下优点:本发明通过在固定机械减薄后样品时不导电薄片的采用，可简便易行地在通用电解双喷装置上制备金属材料薄板和薄片横截面的透射电镜样品；同现有的用电解双喷制备金属材料薄板和薄片横截面的透射电镜样品的方法相比，不仅能够显著增大电子能透过的薄区的面积，而且获得大面积的电子能透过的薄区的可靠性大大提高。
【附图说明】
[0015]图1是金属材料薄板和薄片与其横截面样品中所涉及的位向之间的关系立体示意简图。
[0016]图2是现有技术通用电解双喷装置中固定直径3毫米的常规样品的夹具剖面示意简图。
[0017]图3是本发明被减薄至30-50微米厚的横截面样品放置到主夹板中的导电片上固定凹