一种柔性薄膜脆断方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及扫描电子显微镜样品制备的领域，特别涉及一种柔性薄膜脆断方法。
【背景技术】
[0002]在研究中常常需要使用扫描电镜来观察柔性薄膜断面的原位形貌。但是柔性薄膜材料具有厚度薄，材质软，强度较高等特点，样品制备的难度很大，如果剪开或者撕断则会使断面发生塑性变形，破坏了断面原有形貌。目前常用的方法是将薄膜剪成小条然后浸泡入液氮中。这是由于液氮的温度为大约_196°C，有机物在低温下会变脆，待样品冷却变脆后用两个镊子夹住条状物，然后向中间弯曲，使样品断裂，从而得到断面样品。但是这种操作方法存在以下问题:一是样品小用镊子难以夹持，断裂后也容易因崩落而丢失;二是薄膜断面处的受力变形、移动、受力不集中，导致界面不平整，或产生明显的塑性变形，甚至掰不开;三是有些样品在液氮温度下依然具有部分塑性，无法呈现完全脆断。图6是直接对SPEEK质子交换膜进行液氮冷冻后脆断得到的样品的扫描电子显微镜图，从图中可以看到使用现有技术得到的断面存在明显的断口不整齐和塑性变形。图9为使用现有技术得到的锂电池聚丙烯隔膜的扫描电镜图，该材料存在很多微孔结构，从扫描电镜图中可以看到使用现有方法很容易形成闭孔。图12为使用现有技术得到的聚乙烯保鲜膜的断面图，从图中可以看到使用现有技术得到的断面发生了完全的塑性变形而不是脆性形变。
[0003]在申请号为201410563142.9的发明专利中提到了一种用于对扫描电镜样品进行冷冻断裂的装置，这种装置虽然解决了现有扫描电镜样品冷冻断裂过程中液氮预冷不充分的问题，但是设备整体庞大，制造复杂且操作复杂，极大的限制了上述装置的普及程度。在申请号为CN201410637248.9的发明专利中提到了一种制备扫描电子显微镜样品断面的低温脆断装置，装置庞大、耗液氮多，对于柔性薄膜样品尤其是小尺寸样品并不适用。
【发明内容】
[0004]本发明致力于提供一种操作更加简单、成本更加低廉、同时适用范围更广泛的柔性薄膜脆断方法。而且本方法使用易获得的普通硅片，导电双面胶及长尾夹，以及剪刀、液氮、盛液氮的容器、镊子以及手套即可。
[0005]本发明为解决上述技术问题而设计了一种新的柔性薄膜脆断方法，该方法包括以下步骤:A.对硅片进行加工，使其一面带有凹槽，得到预刻槽硅片；B.将所述预刻槽硅片与柔性膜粘合，得复合硅片，其中所述柔性膜与所述预刻槽硅片中没有凹槽的面相连；
C.使用冷却液充分冷却所述复合硅片，得冷冻硅片；D.将冷冻硅片与所述冷冻液分离；
E.固定所述冷冻硅片两侧，同时向所述冷冻硅片带有槽的面施加力；F.使得冷冻硅片发生脆断，得到脆断的柔性膜。
[0006]作为一种优选方式:所述柔性薄膜脆断方法中B步骤的所述硅片与所述柔性薄膜通过导电双面胶相连，所述复合硅片为三明治结构，其中最下一层为硅片，中间一层为导电双面胶，最上面一层为柔性薄膜。本方法中所述硅片选用0.的普通单抛硅片，单抛硅片容易获得，商用的厚度一般都在Imm以下，有易刻槽易脆断、制得断面后易去除等诸多优点，所以在本发明中选用。所述导电双面胶是电镜制样常用的碳导电双面胶，其在低温下还有很强的粘接力，不会使三明治结构在低温下解体，且制得断面后不用去除。
[0007]作为一种优选方式:如果薄膜在液氮温度下韧性还很好，可以将以上的三明治结构增强为五层结构，将预刻槽硅片、碳导电双面胶、高分子柔性薄膜、碳导电双面胶、硅片依次粘贴成为复合硅片，其中硅片在最外层，高分子柔性薄膜居于中心，碳导电双面胶为中间层。
[0008]
作为一种优选方式:步骤A中使用刻刀和钢尺对硅片沿宽度方向进行预刻处理，刻槽为直线，且居于长方形的硅片的中心位置。
[0009]作为一种优选方式:所述柔性薄膜脆断方法中用到的硅片为长条状，所述硅片的长度与宽度之比大于2:1。只有当硅片的长宽比大于一定数值时才方便将硅片夹住并掰断，长宽比太短的硅片结构不方便集中应力。
[0010]作为一种优选方式:所述方法中用到的所述柔性膜和所述导电双面胶的尺寸不大于所述硅片尺寸的两倍。如果柔性薄膜的宽度明显大于硅片宽度，硅片脆断时可能使得柔性薄膜上只有硅片重合的部分发生脆性断裂，而比硅片宽的部分则没有断裂或者发生塑性断裂。但如果柔性薄膜的尺寸大小小于硅片的尺寸大小则是可以的。
[0011 ]作为本方法的改进:步骤C中使用的冷却液为液氮。液氮在常压下的沸点为一 1960C，惰性，不可燃，容易获取，是冷冻的常用介质。
[0012]作为一种优选方式:步骤C中使用夹子来夹住硅片三明治结构。在这里夹子优先选用长尾夹。长尾夹可以夹紧复合硅片，同时其把手也便于从冷冻液中捞出，掰断时也可以作为受力部位。需要注意的是长尾夹的尺寸应该根据硅片大小来选择，两侧长尾夹应靠近硅片刻槽且对称布置。一端长尾夹的把手上系一长绳方便从液氮中拉出。
[0013]作为一种优选方式:步骤C中复合硅片浸入液氮的时间大于60秒以保证充分冷却。足够的时间以确保柔性薄膜完全脆化，不会发生塑性变形。
[0014]作为一种优选方式:步骤C中使用夹子固定所述复合硅片。其中夹子优选长尾夹。
[0015]作为一种优选方式:步骤D中使用镊子夹住所述长尾夹把手将冷冻硅片与冷冻液分离，也可以在长尾夹把手端系绳，直接拽出。
[0016]作为一种优选方式:步骤E中使用带保温手套的双手分别固定所述冷冻硅片的两端的夹子把手并弯曲。
[0017]本发明的机理主要有三点。第一，硅片和导电双面胶在整个结构受力时限制了薄膜的移动，使得薄膜内部的拉应力和应变只能沿着硅片平面方向。第二，硅片原本就是脆性材料，又因为有刻槽，受力时刻槽处首先断裂，随着硅片的脆断，本来由硅片承担的拉应力，瞬间转移到柔性薄膜上，突增的拉应力可看作是薄膜收到的瞬态荷载，假定该瞬态荷载为矩形脉冲，由结构动力学知识可以知道，瞬态荷载的作用效果可以达到相同数值静荷载的2倍。第三，因为有预刻槽的存在，使得硅片脆断的瞬间应力都集中到薄膜中间原硅片刻槽处的位置。
[0018]总之，突增的拉应力可以看做是冲击荷载，其作用效果远大于静荷载，甚至是量级的变化;因为是瞬态拉力，所以提尚了应变率，在尚应变率下，材料更易发生脆性破坏;在娃片上预刻划痕，使得突增的拉力具有明显的方向性，极大增强了柔性薄膜沿“刻痕”方向发生脆性断裂的可能性。这些因素都加速了柔性薄膜的断裂，且产生很大的瞬时应变率，而大的应变率会使材料产生脆性变形。所以本发明的操作虽然简单，但是却能取得很好的效果。
[0019]使用本方法使柔性薄膜发生脆断，具有以下优点:首先，硅片比较平整，且可以做的比薄膜大，方便人工操作，克服了制备电镜制样中样品小用镊子难以夹持的问题;而常用的方法因为断裂的时候断面受力不均而造成断面不够平整，但是本方法中硅片因为有预先的刻线，断口较直且断裂的时间非常短暂，在硅片断裂的瞬间，附近的薄膜受粘接移动受限，预刻槽区域受到集中的瞬态应力以及高的应变率而断裂从而使断面平整，克服了制得的断面不平整的问题也可以克服有些样品在液氮温度下还是具有一定的韧性，不一定能脆断的问题。
【附图说明】
[0020]图1是本发明实施例提供的经过预刻的硅片示意图。
[0021]图2是本发明实施例提供的复合硅片的三明治结构示意图。
[0022]图3是长尾夹固定三明治结构的复合硅片的示意图。
[0023]图4是本发明实施例提供的复合硅片的受力示意图。
[0024]图5是本发明实施例提供的发生脆断后的复合硅片示意图。
[0025]图6是使用普通方法获得的柔性SPEEK薄膜的断面SEM图。
[0026]图7是使用本发明具体实施例得到的柔性SPEEK薄膜的断面的SEM图。
[0027]图8是使用本发明具体实施得到的锂电池隔膜的断面的SEM图。
[0028]图9是使用普通方法获得的锂电池隔膜的断面的SEM图。
[0029]图10是使用本发明具体实施得到的聚乙烯保鲜膜的断面的SEM图。
[0030]图11是使用普通方法获得的聚乙烯保鲜膜断面的SEM图。
[0031 ]图12是使用本发明具体实施得到的微小片磺化SPEEK薄膜的断面的SEM图。
【具体实施方式】
[0032]下面详细说明本发明的具体实施方案。
[0033]实施I
以制备用于扫描电子显微镜的高分子柔性薄膜脆断面为例，柔性薄膜为SPEEK质子交换膜。
[0034]首先，如图1所示，准备一个长条状的硅片，硅片长1.5cm，宽5mm，长宽比远远大于2:1，满足了限制条件，然后在硅片长条中间的一侧用玻璃刀预刻，得到一个一面带有凹槽的硅片。
[0035]然后准备柔性薄膜，将高分子柔性薄膜剪成跟长条形硅片稍小的尺寸长lcm，宽3mm ο
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