2020-03-03小刘科研笔记之SEM-EDS联用技术在表征科学中的应用

表面分析技术是一种统称，指的是利用电子、光子、离子等与材料表面进行相互作用，分辨范围从微米级到纳米级，测量从表面散射或发射出来的各种离子、电子和光子的质谱、能谱、光谱等，对材料表面的化学组成、结构和性质进行分析的各种技术。

对材料研究来说，扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)和X射线能谱仪(Energy-dispersive X-ray Spectrometer, EDS)是比较常用的设备。

扫描电子显微镜(SEM)主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。SEM可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成和晶体结构等等。

X射线能谱仪主要由半导体探测器、前置放大器和主放大器、脉冲处理器、计算机等部分构成。其工作原理是利用不同元素所激发的特征X射线的能量的不同来对元素进行定性和定量分析。如图1所示，EDS的工作流程大概可以表述为：样品表面被激发出的特征X射线送入到半导体检测器中，经过处理输出幅度与X射线能量成正比的电脉冲信号；该信号再经过前置放大器的整形放大、主放大器的放大整形输出对应电压信号；该信号被送入到脉冲处理器，进行信号降噪、将脉冲信号转换为计数并在对应通道内累加计数、消除脉冲堆积等处理；最后，将信号输入到计算机并通过专业软件对其进行处理，在显示器上形成能谱图，并可以根据能谱图进行各种各样的处理，进而达到定性分析的目的。

扫描电子显微镜结合X射线能谱仪的使用方法也能对材料的成分进行分析，这种分析方法可以简称为SEM-EDS分析技术。

SEM-EDS在材料科学的研究中应用很广，它可以对材料同时进行微区形貌观察和成分分析。SEM-EDS一般只能提供空间分辨率为微米或亚微米的成分分布信息，但是通过调整SEM的加速电压和减薄样品等方法，成分分布的空间分辨率也可达到几十纳米的量级。

随着航空航天技术的发展以及精密机械学科的进步，航空维修也越来越趋向于精细化修理，对产品的故障分析也越来越深入，对机件关键材料的失效原因分析，吸引着广大航空维修工作者研究，扫描电子显微镜（SEM）和X射线能谱仪（EDS）是当前材料分析领域较为常见的两种分析设备，基本上是组合使用的，功能非常强大，既能观察样品表面形貌又能对微分区进行成分分析。

在实际的飞机维修过程中，SEM-EDS分析技术可应用于金属腐蚀、漆层脱落、粘合剂催化、电路板虚焊、复合材料损伤、油液成分分析等多方面的研究，作为一种非破坏性的表面分析手段，将在飞机维修失效模式分析的研究中发挥出更大的作用。

传统的清洁度检测方法通过光学显微镜对萃取在标准微孔滤膜上的杂质颗粒进行形貌观察、统计，无法对颗粒属性进行分析，因而只能简单定义产品的清洁度等级，无法有效确定影响清洁度的真实原因，基于清洁度对于产品质量的重要性以及当前通用检测方法的不足，有研究者通过SEM和EDS的结合使用，可以实现对杂质颗粒的形貌观察、分级统计以及颗粒属性的分析和溯源，提升清洁度检测分析水平。

SEM-EDS在法庭科学物证鉴定领域内的应用有两个主要目的，一是对微量物证进行种类认定，如确定嫌疑人手上检材是否为射击残留物或确定嫌疑人衣物上所附着的微量玻璃颗粒是否为车窗玻璃碎屑或其他某一玻璃碎屑；

二是同一认定，确定检材与样本是否来自同一客体。大量的物证鉴定实践证明，用SEM-EDS可准确地鉴定分离物的同一性，其有效性已获 Forensic TestingProgram（Collaborative Testing Services，USA）等国际权威鉴定机构的认可，可以预见扫描电镜-能谱仪在法庭科学物证鉴定领域的应用前景将非常广阔。

目前，99%以上的含石棉材料中包含温石棉、青石棉、铁石棉，而阳起石、透闪石、直闪石储量少于石棉总储量的 1%，虽未直接开采用于商业产品，但会少量的夹杂在其他矿物中出现在石棉制品中。通过对以上六种石棉使用SEM-EDS进行分析，可发现它们较低倍观察下的纤维形貌有一定的差异，然而制品中石棉纤维状态有可能在加工的过程中发生变化，因此形貌分析仅仅能判断样品中含有纤维状物质，更多是作为石棉检测的一种辅助手段。

在此基础上，实验通过对比石棉标准品元素分析结果与对应理论组成，证实该方法能有效区分几种主要的石棉。因此可以使用SEM-EDS 联用的方法，在确定样品中含有纤维物质后，再进一步分析纤维的元素组成，此法既弥补使用X-射线衍射法无法分析非晶样品的不足，而SEM的高分辨率也提高了石棉定性的精度，是一种鉴定建筑材料和保温材料中石棉的准确、快速的方法。

不积珪步，无以至千里；不积细流，无以成江海。做好每一份工作，都需要坚持不懈的学习。

清洁度测定方法对过程控制、品质保证和失效分析非常重要，是概括用于获得有关测定主体如各种机械设备、电子零件等清洁度数据的详细过程。

检测清洁度时对取样有要求，取样的基本要求决定于样品的数量和取样位置。零件体积越大、表面积越大、清洁度偏低，则样品数量相应减少。应该从生产中随机抽取零件，并且采样过程和后面的检查过程中不能造成零件的污染。检测清洁度时，一要环境清洁，其清洁程度应与检测的要求相适应；二要检测人员的衣帽和双手清洁；三要所用器具也必须清洁。

目前，在我国航空航天部、机械部、铁道部等已报批核准的行业标准及具体要求的是最常用的配对称重法。

清洁度的测定方法很多，主要有如下几种：

1.目视检查法

目视检查法即由人工直接用眼睛在显微镜下对零件可以看到的外表面或内腔表面进行检查。调节显微镜的照明亮度和放大倍数，人工可以判断污染颗粒是金属、非金属、或纤维以及尺寸大小。目测法可以检查残留在零件表面的比较大而明显的颗粒、斑点、锈斑等污染，但检查的结果与人为的因素关系很大。

2.接触角法

所谓接触角，就是液体在固体表面形成热力学平衡时所持有的角。对固体和液体之间形成的接触角的测量，是在表面处理及聚合体表面分析等众多类似领域广为知晓的分析技术，是对多个单位的单层变化十分敏感的表面分析技术。测量液滴在固体表面的接触角来评估表面的可湿润特性。如果液滴可湿润表面，则接触角小，反之液滴不能湿润表面，而在表面倾向于形成圆珠或气泡，则接触角大。这就是“水膜残迹”测试的原理。接触角大，表示表面被憎水性的污物（油 / 脂等）污染，反之，接触角小，液滴破裂或摊薄，表示该表面清洁。这种测试方法受人为因素影响也很大，而且这种方法对非常轻小或分散的污物不易识别。尤其是有些特殊材料（如 PTFE 塑料）即使表面很清洁，对大多数液体的接触角也很大。所以，接触角法不适合对某些关键重要的表面清洁度测试。

3.荧光发光法

在许多情况下，可以利用紫外线来检测零件表面的清洁度。在紫外线的照射下，表面的污染物颗粒会发出荧光。因为紫外线的能量被污物吸收，污物颗粒电子被激化并跃进到高能级的电子层，处于高能级的不稳定的电子随即会返回原低能级电子层，在此过程中原来吸收的能量以发热发光的形式释放出来——荧光。这种激活释放的频率达每秒几千次，所以在紫外线下的荧光不是闪烁的而是持续稳定的，根据发荧光即可目测污物在零件表面的位置，荧光强度也是可以应用信号检测仪器测定从而表示表面被污染的程度。但如果要识别污染物的成分等特性，必须借助其他分析法。

4.颗粒尺寸数量法

这是一种零件清洁度测定的新方法。其基本原理是根据被检测的表面与污染物颗粒具有不同的光吸收或散射率。其测试方法是，将一定数量的零件在一定的条件下清洗，将清洗液通过的滤膜充分过滤，污物被收集在滤膜表面，然后将滤膜干燥，用显微镜（最佳设备是具有拍摄功能的图像识别和分析设备）在光照射下检测，按颗粒尺寸和数量统计污物颗粒，即可得到所测物体零件的固体颗粒污染物结果。这是一种适合精密清洗定量化的清洁度检测方法，尤其使用于检测微小颗粒和带色杂质颗粒。但是如果滤膜是白色的，那么对白色污物和气泡的识别就有可能引起误判。

颗粒尺寸数量法极限值：对特定规格的零件，规定一定样品数量、检查频率、清洗介质、清洗参数和操作过程的情况下，将颗粒按尺寸大小统计，每个尺寸范围分别规定准许的最大颗粒数量，只要有某一项超标，则测试结论为不合格。

5.重量法

重量法是工业生产和试验中最常用的清洁度测定方法。其测定原理是将一定数量的试样在一定的条件下进行清洗，然后将清洗的液体通过滤膜充分过滤，污物被收集在经过干燥的滤膜表面，将滤膜再次充分干燥，根据分析天平称出过滤清洗前后干燥的滤膜质量，计算其增加值即为试样品上的固体颗粒污染物的质量。

重量法典型限值：对特定规格的零件，规定一定样品数量、检查频率、清洗介质、清洗和过滤方法的情况下准许的最大残留污物的重量，单位为mg或ug。

汽车零部件的清洁程度直接影响到汽车的安全系数，另外颗粒污染物对于零部件的使用寿命也存在直接影响，国际和国家指令 对于确定重要机械部件颗粒物污染的方法和存档要求比较严格，所以汽车零部件的清洁度检测都需要借助汽车清洁度 显微镜来进行，奥林巴斯汽车清洁度显微镜就是专业对汽车零部件进行测量和筛选的，奥林巴斯专业的创新的一体式扫描解决方案让完成扫描的速度是传统调节检偏镜式检测系统的两倍，还能实时显示颗粒物的计数和筛选过程 ，快速有效地进行报告，高效方便。

---