一种电镜观察用陶瓷粉末截面镶嵌样的制备方法

1.本发明涉及一种电镜观察用陶瓷粉末截面镶嵌样的制备方法，具体属于电镜观察用样品制备技术领域。


背景技术：

2.近半个世纪以来高性能陶瓷材料取得了巨大的研究进展。其中，超细、高纯陶瓷粉末的制备技术和陶瓷粉末的3d打印技术因其具有巨大发展潜力而备受关注。其研究的材料包括碳化硅、氧化锆、氧化铝、磷酸三钙、碳硅化钛等。对于陶瓷粉体的研究问题主要集中于粉末的特性、制备技术、粉末烧结行为及微观结构等。其制备方法囊括了溶胶-凝胶技术、共沉淀法、喷雾-热分解法、氧化物的水热合成、非氧化物的气相合成等技术。陶瓷粉末的用途并不局限于制备陶瓷元件或构件，还可以用于热喷涂和激光熔覆等技术进行零件的表面改性处理。例如热喷涂利用高焓等离子体或火焰等热源将陶瓷粉末加热至熔融状态，在气流或焰流的加速下高速撞击在零件表面形成具有特定功能的涂层。通过改变喷涂的粉末成分便可以获得不同的涂层以使工件表面获得不同的性质诸如耐磨、绝缘、抗腐蚀、抗氧化或其他特殊性能。原始陶瓷粉末的几何形状也决定所制备的构件和涂层的微观结构。热喷涂所用的粉末粒径一般为30～50μm，粉末粒径过小会影响其在粉末输送管的流动性，粒径过大会增加其与零件的弹性碰撞几率。此外，通过超细陶瓷粉体对其它材料进行表面改性可以获得特定功用的核壳结构粉末。例如使用熔点较高且致密的sio2、al2o3等粉末在易氧化的fe、mosi2等粉末表面包覆一层0.1～1μm陶瓷层以提升其高温氧化抗性。此时要评估是否形成核壳结构则以包覆粉末的截面形貌判定壳层厚度最为直观。
3.扫描电子显微镜成像技术是表征粉末颗粒微观形貌的重要手段，具有分辨率高、放大倍数高的特点。扫描电镜技术在分析颗粒表面形貌时图像质量较高，然而无法观察到陶瓷粉末内部出现包含孔隙的空心粉颗粒，此时可以通过制备截面试样观察其内部结构。目前，对粉末颗粒的截面表征主要集中在金属粉末上，对于陶瓷粉末及核壳结构粉末观察较少。虽然对陶瓷粉末表面可以镀au或pd等贵金属导电层后，用于电镜观察，但是针对溶胶-凝胶技术、共沉淀法等晶粒比较细致的陶瓷体，烧结出来表面往往十分光滑。同时热镶嵌料一般是热固化树脂和功能性填充物的混合物。酚醛树脂，丙烯酸树脂和环氧树脂等热固化树脂与陶瓷粉末之间导电性都不佳，所以很难准确测量粉末的粒径。其次填充物中矿物粉、陶瓷粉和玻璃纤维粉也会影响待测陶瓷粉末的微观形貌和元素分析。此外，热镶嵌在冷却阶段也会因为树脂收缩原因导致交界处开裂。冷镶嵌常用于对温度或者压力敏感的样品材料，避免低温回火会导致核壳结构中内部金属材料组织结构变化。然而传统的冷镶嵌使用的也是环氧树脂和丙烯酸树脂两类，填充物为矿物粉，玻璃纤维粉，颜料指示剂，铜粉等，并不适合在扫描电镜下观察。陶瓷粉末的表征对于理解陶瓷材料的烧结行为、改善粉末品质、提升产品质量至关重要。据此可见，虽然在块体截面观测上样品制备手段较为完善，但粉末的截面制备手段却较为有限，尤其是在低成本制备含陶瓷颗粒的截面上。
4.传统陶瓷粉末截面制备手段为将粉末与镶嵌粉混合在一起后热镶，在热镶粉熔点
以上同时施加压力获得致密的块体，然后将块体打磨抛光。然而镶嵌料与陶瓷粉末均为绝缘材料导致二者在电镜下很难区分两者交界。因此是该方法不适用含陶瓷成分粉末截面样品的制备的主要原因。故本发明的发明思路为寻找一种导电材料用以替换树脂类镶嵌粉，同时为新镶嵌材料寻找合适的工艺以获得将粉末包裹于内的块体。该材料与工艺均应是廉价、无毒无害、易获得且易操作的。综上所述便考虑到使用粉末压片机将锡粉与含陶瓷粉末一起压制。通过该方法可以很大程度提高背散射电子信号强度和形貌衬度，从而改善扫描电镜的成像质量。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术对陶瓷粉末截面制备及成像困难的问题提出一种电镜观察用陶瓷粉末截面镶嵌样的制备方法，利用锡在常温下的高延展性和电镜在背散射电子模式下锡与陶瓷的衬度差实现对含陶瓷成分微米级颗粒截面的观测。
6.为实现上述发明目的，本发明一种电镜观察用陶瓷粉末截面镶嵌样的制备方法过程为：向陶瓷粉末和锡粉中加入去离子水或乙醇后，搅拌并超声振荡15~20 min，混合均匀后经固液分离、干燥处理，将陶瓷粉末和锡粉的混合物倒入模具中；将模具放在台式粉末压片机施加压力，保载10～20 min；将压制的块状试样取出，用砂纸对块状试样表面打磨抛光处理，其后用酒精清洗表面和烘干，制得电镜观察用陶瓷粉末截面镶嵌样。
7.所述的陶瓷粉末和锡粉1∶20~30。
8.所述的陶瓷粉末和锡粉的混合物与去离子水或乙醇的质量比为1∶50~80。
9.所述的干燥处理的温度为50℃，干燥时间为1～3h。
10.所述的台式粉末压片机施加压力是根据压制块状试样的模具尺寸而变化，其压强范围为200～700 mpa。
11.所述的打磨抛光处理过程为：800～1400目的砂纸上逐级对压制块状试样打磨共15分钟后，于去离子水中抛光5～10分钟。
12.所述的烘干温度为80～120℃，时间为1～3h。
13.本发明的有益效果：本发明利用锡在常温下的高延展性和电镜在背散射电子模式下锡与陶瓷的衬度差，实现对含陶瓷微米级颗粒截面的观测。本发明方法借助实验室常见设备台式粉末压片机制备截面样品，实际操作简单，陶瓷粉末截面镶嵌样在扫描电镜下成像质量高，观测清晰明显。
附图说明
14.图1为本发明块状试样压制示意图；图中：1、凸模；2、凹模；3、垫块；4、块状试样；5、下模座；图2为本发明压制的块状试样实物图；图3为本发明在背散射模式下锡粉包覆al2o3@mosi2陶瓷粉末的扫描电镜图；图4为传统热镶含陶瓷粉末截面图的扫描电镜图。
具体实施方式
15.实施例1取锡粉15g和待观测截面al2o3@mosi2陶瓷粉末0.6g混合并搅拌均匀，倒入直径15mm的模具之中，使用粉末压片机加压至500 mpa压力并保压10min后取出，将压样依次使用800目、1000目、1200目和1400目的砂纸逐级打磨共15min后再抛光5min得到粉末截面试样。将试样放入酒精中超声清洗2min后在120℃烘箱中烘2h以除去残余酒精，制得电镜观察用al2o3@mosi2陶瓷粉末截面镶嵌样，使用扫描电镜以背散射电子模式观察，可见al2o3层与mosi2和锡之间衬度明显，分界清晰。
16.实施例2取锡粉15g和待观测截面的y2o3@mosi2陶瓷粉末0.5g混合均匀，倒入直径为15mm的模具之中。使用粉末压片机将模具加压至600mpa并保压10min后取出。将压样依次使用800目、1000目、1200目和1400目的砂纸逐级打磨共15min后在抛光机上抛光5min，再加入酒精超声清洗2min，在120℃烘箱中烘干3h。将试样使用扫描电镜的背散射电子模式观察可见y2o3层与mosi2核心和锡之间有明显衬度差异，其中y2o3层边界分界明显，壳层细节清晰可见。


技术特征：
1.一种电镜观察用陶瓷粉末截面镶嵌样的制备方法，其特征在于：所述的制备方法过程为：向陶瓷粉末和锡粉中加入去离子水或乙醇后，搅拌并超声振荡15~20 min，混合均匀后经固液分离、干燥处理，将陶瓷粉末和锡粉的混合物倒入模具中；将模具放在台式粉末压片机施加压力，保载10～20min；将压制的块状试样取出，用砂纸对试样表面打磨抛光处理，其后用酒精清洗表面和烘干，制得电镜观察用陶瓷粉末截面镶嵌样。2.根据权利要求1所述的一种电镜观察用陶瓷粉末截面镶嵌样的制备方法，其特征在于：所述的陶瓷粉末和锡粉1∶20~30。3.根据权利要求1所述的一种电镜观察用陶瓷粉末截面镶嵌样的制备方法，其特征在于：所述的陶瓷粉末和锡粉的混合物与去离子水或乙醇的质量比为1∶50~80。4.根据权利要求1所述的一种电镜观察用陶瓷粉末截面镶嵌样的制备方法，其特征在于：所述的干燥处理的温度为50℃，干燥时间为1～3h。5.根据权利要求1所述的一种电镜观察用陶瓷粉末截面镶嵌样的制备方法，其特征在于：所述的台式粉末压片机施加压力是根据压制块状试样的模具尺寸而变化，其压强范围为200～700 mpa。6.根据权利要求1所述的一种电镜观察用陶瓷粉末截面镶嵌样的制备方法，其特征在于：所述的打磨抛光处理过程为：800～1400目的砂纸上逐级对压制块状试样打磨共15分钟后，于去离子水中抛光5～10分钟。7.根据权利要求1所述的一种电镜观察用陶瓷粉末截面镶嵌样的制备方法，其特征在于：所述的烘干温度为80～120℃，时间为1～3h。

技术总结
本发明一种电镜观察用陶瓷粉末截面镶嵌样的制备方法具体是向陶瓷粉末和锡粉中加入去离子水或乙醇后，搅拌并超声振荡15~20 min，混合均匀后经固液分离、干燥处理，将陶瓷粉末和锡粉的混合物倒入模具中；将模具放在台式粉末压片机施加压力，保载10～20min；将压制的块状试样取出，用砂纸对试样表面打磨抛光处理，其后用酒精清洗表面和烘干，制得电镜观察用陶瓷粉末截面镶嵌样。本发明方法利用锡在常温下的高延展性和电镜在背散射电子模式下锡与陶瓷的衬度差，实现对含陶瓷微米级颗粒截面的观测，借助台式粉末压片机制备截面样品，实际操作简单，陶瓷粉末截面镶嵌样在扫描电镜下成像质量高，观测清晰明显。观测清晰明显。观测清晰明显。


技术研发人员：崔世宇 易周 黄俊 罗军明
受保护的技术使用者：南昌航空大学
技术研发日：2022.03.30
技术公布日：2022/5/20