一种金属摩擦层透射电子显微镜样品的制备方法
阅读说明：本技术 一种金属摩擦层透射电子显微镜样品的制备方法 (Preparation method of metal friction layer transmission electron microscope sample ) 是由 张卫文 李道喜 王智 罗宗强 杨超 于 2021-05-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种金属摩擦层透射电子显微镜样品的制备方法。该方法包括：从样品中切取金属薄片,打磨,得到打磨后的金属薄片；将打磨后的金属薄片镶嵌在金属管中,镶嵌处使用树脂黏贴,得到薄片试样；将薄片试样的正反两面分别打磨,得到打磨后的薄片试样,进行离子减薄处理至薄片试样出孔为止,得到离子减薄后的试样；将离子减薄后的试样进行离子抛光处理,得到所述金属摩擦层透射电子显微镜样品。本发明的制备方法工艺简单,使用制样的设备和技术成熟,有利于防止砂纸打磨过程中的摩擦层脱落和采用凹坑仪减薄过程中容易出现的样品碎裂,适合于具有微米级表面氧化层和严重塑性变形层等多层结构的金属摩擦层截面透射电子显微镜样品的制备。(The invention discloses a preparation method of a metal friction layer transmission electron microscope sample. The method comprises the following steps: cutting a metal sheet from a sample, and polishing to obtain a polished metal sheet; embedding the polished metal sheet in a metal tube, and sticking the embedding position by using resin to obtain a sheet sample; polishing the front surface and the back surface of the sheet sample respectively to obtain a polished sheet sample, and performing ion thinning treatment until the sheet sample is provided with a hole to obtain an ion thinned sample; and carrying out ion polishing treatment on the sample after the ion thinning to obtain the metal friction layer transmission electron microscope sample. The preparation method has simple process, uses mature sample preparation equipment and technology, is favorable for preventing the friction layer from falling off in the sanding process and the sample from being cracked easily in the thinning process by adopting a pit instrument, and is suitable for preparing the transmission electron microscope sample with the section of the metal friction layer with the multi-layer structure of the micron-sized surface oxidation layer, the serious plastic deformation layer and the like.)
技术领域
本发明涉及透射电子显微镜样品制备领域，具体涉及一种金属摩擦层透射电子显微镜样品的制备方法。
背景技术
金属摩擦材料在与对磨副相互作用的过程中产生摩擦和磨损，导致在金属摩擦材料的表层形成摩擦层，对摩擦层微观组织形态进行分析是了解金属摩擦材料磨损状况、分析摩擦磨损机理的重要途径，透射电子显微镜具有很高的空间分辨率，往往可达0.1-0.2nm，能够分析材料微观结构、化学成分、形貌、元素分布和原子分布等方面的信息，是表征微观特征的最有效的手段之一，因此，基于透射电子显微分析技术的微观组织观察分析是分析金属摩擦层的重要手段。
金属摩擦层透射电子显微镜样品制备是TEM分析技术中非常关键的一个步骤，因其需要获得厚度在100nm以下的薄区。目前针对金属块体材料的透射电子显微镜样品制备的主要方法是电解双喷减薄和离子减薄。但电解双喷减薄技术对制备材料的强韧性要求较高，不适合金属摩擦层样品的制备。因此一般采用离子减薄的方法制备样品。传统的离子减薄首先是通过机械研磨将样品减薄到100μm，然后用冲样器冲出直径3mm的圆片，使用凹坑仪继续研磨样品40-50μm。最后采用Ar离子轰击减薄直至击穿，获得TEM样品。但对于具有微米级表面氧化层和严重塑性变形层等多层结构的金属摩擦层，采用传统离子减薄的方法制备极易导致样品的表面氧化层脱落或样品碎裂，难以获得具有整个金属摩擦层薄区的样品。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种金属摩擦层透射电子显微镜样品的制备方法。
本发明解决问题是可以克服现有技术中存在的易导致金属摩擦层截面样品的表面氧化层脱落或样品碎裂的问题，提出了一种可获得完整金属摩擦层截面、制造周期短的金属摩擦层透射电子显微镜样品的制备方法。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
本发明提供的制备方法，得到的金属摩擦层透射电子显微镜样品是一种具有微米级表面氧化层和严重塑性变形层等多层结构的金属摩擦层截面透射电子显微镜样品。
本发明提供的金属摩擦层透射电子显微镜样品的制备方法，包括如下步骤：
(1)初级样品制备：从样品中切取金属薄片，打磨，得到打磨后的金属薄片；
(2)镶嵌：将步骤(1)所述打磨后的金属薄片镶嵌在金属管中，镶嵌处使用树脂黏贴，得到薄片试样；
(3)将步骤(2)所述薄片试样的正反两面分别打磨，得到打磨后的薄片试样，然后进行离子减薄处理至薄片试样出孔为止，得到离子减薄后的试样；
(4)将步骤(3)所述离子减薄后的试样进行离子抛光处理，得到所述金属摩擦层透射电子显微镜样品。
进一步地，步骤(1)所述金属薄片的厚度为0.8-1mm；所述样品通过电火花线切割或金刚石圆盘锯切割，得到金属薄片。
优选地，步骤(1)所述金属薄片的厚度为1mm。
优选地，当所述样品选用金刚石圆盘锯进行切割时，所述金刚石圆盘锯的线速度为6mm/s以下。
进一步地，步骤(1)所述打磨为采用1000#以下的水砂纸进行打磨，步骤(1)所述打磨后的金属薄片的厚度为0.4-0.6mm。
优选地，步骤(1)所述打磨后的金属薄片的厚度为0.5mm。
进一步地，步骤(1)所述金属薄片的长度和宽度可根据原始样品的磨痕宽度确定。
进一步地，步骤(2)所述金属管为铜管；所述金属管的长度为0.4-0.6mm，所述金属管道的内径为2.5mm，金属管的外径为3mm。
优选地，步骤(2)所述金属管道的长度与打磨后的金属薄片的厚度相同。
进一步地，步骤(2)所述树脂为环氧树脂。
优选地，步骤(2)中，树脂黏贴在镶嵌处后，固化后可以采用砂纸磨去溢出的树脂。
进一步地，步骤(3)所述打磨包括：将薄片试样的正反两面依次用1000#、2000#、3000#、5000#和7000#水砂纸进行打磨。
优选地，在步骤(3)所述打磨的过程中，随着水磨砂纸由1000#到7000#变化，每种砂纸打磨的次数逐倍增加。
进一步地，步骤(3)所述打磨后的薄片试样的厚度为30-50μm。
进一步地，步骤(3)所述离子减薄处理为双面离子减薄处理；离子减薄处理的离子束能量为4-8keV，离子枪转角为±8°内，减薄到出孔为止。
进一步地，步骤(4)所述离子抛光处理包括：先在离子束能量为5-8keV、离子枪转角为±6°的条件下对离子减薄后的试样进行第一次离子抛光处理，所述第一次离子抛光处理的时间不少于3min，然后保持离子束能量为5-8keV、离子枪转角为±4°的条件下进行第二次离子抛光处理，所述第二次离子抛光处理的时间不少于3min，最后在离子束能量为3-4keV、离子枪转角调整为±3°的条件下进行第三次离子抛光处理，所述第三次离子抛光处理的时间不少于4min。
优选地，步骤(4)所述离子抛光处理包括：先在离子束能量为5-8keV、离子枪转角为±6°的条件下对离子减薄后的试样进行第一次离子抛光处理，所述第一次离子抛光处理的时间为3-10min，然后保持离子束能量为5-8keV、离子枪转角为±4°的条件下进行第二次离子抛光处理，所述第二次离子抛光处理的时间为3-10min，最后在离子束能量为3-4keV、离子枪转角调整为±3°的条件下进行第三次离子抛光处理，所述第三次离子抛光处理的时间为4-8min。
进一步优选地，步骤(4)所述离子抛光处理包括：先在离子束能量为5-8keV、离子枪转角为±6°的条件下对离子减薄后的试样进行第一次离子抛光处理，所述第一次离子抛光处理的时间为10min，然后保持离子束能量为5-8keV、离子枪转角为±4°的条件下进行第二次离子抛光处理，所述第二次离子抛光处理的时间为10min，最后在离子束能量为3-4keV、离子枪转角调整为±3°的条件下进行第三次离子抛光处理，所述第三次离子抛光处理的时间为8min。
优选地，步骤(4)得到的金属摩擦层透射电子显微镜样品可以转移至TEM样品盒，并放入干燥剂，真空包装进行封存。
本发明提供一种由上述制备方法制备得到的金属摩擦层透射电子显微镜样品。如果该金属摩擦层透射电子显微镜样品在TEM下观察的效果不够理想，可以进一步采用离子抛光工艺继续减薄，直至获得良好的薄区。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明制备的金属摩擦层透射电子显微镜样品是一种具有微米级表面氧化层和严重塑性变形层等多层结构的金属摩擦层截面透射电子显微镜样品，本发明的制备方法避免了砂纸打磨过程中摩擦层的脱落，也避免了采用凹坑仪减薄过程中容易出现的样品碎裂；此外，采用逐渐降低离子轰击能量的分级离子抛光，也避免了摩擦层微区在减薄过程中的脱落，采用逐渐减小离子枪转角的分级离子抛光方式，使孔周围薄区厚度逐渐变化，确保了摩擦层有足够的可电子透明薄区。
附图说明
图1为实施例中金属摩擦层透射电子显微镜样品的制作流程图；
图2为实施例中GCr15对磨后的Cu-15Ni-8Sn铜合金材料示意图；
图3为实施例中Cu-15Ni-8Sn铜合金样品的摩擦层截面在扫描电子显微镜下观察的形貌图；
图4为实施例中初级样品制备流程图；
图5为实施例1制备的金属摩擦层截面样品的透射电子显微形貌；
图6为实施例2制备的金属摩擦层截面样品的透射电子显微形貌；
图7为实施例3制备的金属摩擦层截面样品的透射电子显微形貌。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。
以下实施例使用的样品是通过如下方法制备得到的。
将Cu-15Ni-8Sn与GCr15对磨后的铜合金耐磨材料，采用环-块式摩擦磨损进行试验，得到摩擦后的样品。获得的摩擦后样品的示意图可参照图2所示。该样品总体尺寸为10mm×10mm×10mm，磨损表面上形成一定宽度和深度的磨痕，磨损表面凹凸不平，粘附一层黑色氧化物，TEM观察方向垂直于磨痕方向。
Cu-15Ni-8Sn铜合金样品的摩擦层截面在扫描电子显微镜下观察的形貌如图3所示。可见，金属摩擦层截面从外到内依次为：氧化层，纳米层，变形层和基体。
实施例1
一种金属摩擦层透射电子显微镜样品的制备方法，包括如下步骤(可参照图1所示)：
(1)初级样品制备(可参照图4所示)：从所述摩擦后的样品中通过电火花线切割出厚度为0.8mm的金属薄片(长度和宽度均为10mm)，依次用600#、800#和1000#水砂纸进行双面打磨，得到打磨后的金属薄片(即初级样品，其厚度为0.4mm)；
(2)将步骤(1)所述打磨后的金属薄片裁剪，裁剪后的金属薄片长度为2mm，宽度为1.5mm，厚度为0.4mm，将裁剪后的金属薄片镶嵌在铜管(内径为2.5mm，外径为3mm，长度为0.4mm)中，镶嵌处使用环氧树脂黏贴，待环氧树脂固化后，用1000#的砂纸磨去溢出的环氧树脂，得到薄片试样；
(3)将步骤(2)所述薄片试样的正反两面分别依次用1000#、2000#、3000#、5000#和7000#水砂纸打磨，得到打磨后的薄片试样(厚度为30μm)，然后进行离子减薄处理进行双面减薄，离子减薄处理的离子束能量为6keV，离子减薄处理的离子枪转角为±8°，至薄片试样出孔为止，得到离子减薄后的试样；
(4)将步骤(3)所述离子减薄后的试样进行离子抛光处理，所述离子抛光处理分为三步，第一步采用离子束能量为5.5keV，离子枪转角为±6°的工艺对目标区域抛光5min；第2步，将离子束能量调整为5keV，离子枪转角为±4°，时间为5min；第3步，调整离子束能量至3keV，离子枪转角为±3°，抛光时间为5min；得到所述金属摩擦层透射电子显微镜样品。
将得到的金属摩擦层透射电子显微镜样品转移至TEM样品盒，放入干燥剂，真空包装封存。
本实例得到的金属摩擦层透射电子显微镜样品(金属摩擦层截面样品)在不同放大倍数下的形貌如图5所示。
由图5可知，TEM样品有孔洞；孔洞周围有大面的薄区，能够分辨出氧化层、变形层和基体；能够进行透射电子衍衬像，选区电子衍射，能谱的点、线、面扫描，高角环形暗场像，高分辨电子显微像(列出高分辨样图)的拍摄。
实施例2
一种金属摩擦层透射电子显微镜样品的制备方法，包括如下步骤：
(1)从上述摩擦后样品中采用金刚石圆盘锯切取厚度为0.9mm的金属薄片(长度和宽度均为10mm)，所述金刚石圆盘锯锯片的直径为100mm,转数为60rpm，金刚石锯片外沿线速度约为5.2mm/s，依次用600#、800#和1000#水砂纸进行双面打磨，得到打磨后的金属薄片(厚度为0.5mm)；
(2)将步骤(1)所述打磨后的金属薄片裁剪，裁剪后的金属薄片长度为2mm，宽度为1.5mm，厚度为0.5mm，将裁剪后的金属薄片镶嵌在铜管(内径为2.5mm，外径为3mm，长度为0.5mm)中，镶嵌处使用环氧树脂黏贴，待环氧树脂固化后，用1000#的砂纸磨去溢出的环氧树脂，得到薄片试样；
(3)将步骤(2)所述薄片试样的正反两面分别依次用1000#、2000#、3000#、5000#和7000#水砂纸打磨，得到打磨后的薄片试样(厚度为40μm)，然后进行离子减薄处理进行双面减薄，离子减薄处理的离子束能量为7keV，离子减薄处理的离子枪转角为±8°，至薄片试样出孔为止，得到离子减薄后的试样；
(4)将步骤(3)所述离子减薄后的试样进行离子抛光处理，所述离子抛光处理分为三步，第一步采用离子束能量为6.5keV，离子枪转角为±6°的工艺对目标区域抛光8min；第2步，将离子束能量调整为5.5keV，离子枪转角为±4°，时间为8min；第3步，调整离子束能量至3keV，离子枪转角为±3°，抛光时间为8min；得到所述金属摩擦层透射电子显微镜样品。
将得到的金属摩擦层透射电子显微镜样品转移至TEM样品盒，放入干燥剂，真空包装封存。
本实例得到的金属摩擦层透射电子显微镜样品(金属摩擦层截面样品)在不同放大倍数下的形貌如图6所示。
由图6可知，TEM样品有孔洞；孔洞周围有大面的薄区，能够分辨出氧化层、变形层和基体；能够进行透射电子衍衬像，选区电子衍射，能谱的点、线、面扫描，高角环形暗场像，高分辨电子显微像(列出高分辨样图)的拍摄。
实施例3
一种金属摩擦层透射电子显微镜样品的制备方法，包括如下步骤：
(1)从上述摩擦后样品中采用金刚石圆盘锯切取厚度为1mm的金属薄片(长度和宽度均为10mm)，所述金刚石圆盘锯锯片的直径为100mm,转数为60rpm，金刚石锯片外沿线速度约为5.2mm/s，依次用600#、800#和1000#水砂纸进行双面打磨，得到打磨后的金属薄片(厚度为0.6mm)；
(2)将步骤(1)所述打磨后的金属薄片裁剪，裁剪后的金属薄片长度为2mm，宽度为1.5mm，厚度为0.6mm，将裁剪后的金属薄片镶嵌在铜管(内径为2.5mm，外径为3mm，长度为0.6mm)中，镶嵌处使用环氧树脂黏贴，待环氧树脂固化后，用1000#的砂纸磨去溢出的环氧树脂，得到薄片试样；
(3)将步骤(2)所述薄片试样的正反两面分别依次用1000#、2000#、3000#、5000#和7000#水砂纸打磨，得到打磨后的薄片试样(厚度为50μm)，然后进行离子减薄处理进行双面减薄，离子减薄处理的离子束能量为7keV，离子减薄处理的离子枪转角为±8°，至薄片试样出孔为止，得到离子减薄后的试样；
(4)将步骤(3)所述离子减薄后的试样进行离子抛光处理，所述离子抛光处理分为三步，第一步采用离子束能量为7.5keV，离子枪转角为±6°的工艺对目标区域抛光10min；第2步，将离子束能量调整为5.5keV，离子枪转角为±4°，时间为10min；第3步，调整离子束能量至3keV，离子枪转角为±3°，抛光时间为10min；得到所述金属摩擦层透射电子显微镜样品。
将得到的金属摩擦层透射电子显微镜样品转移至TEM样品盒，放入干燥剂，真空包装封存。
本实例得到的金属摩擦层透射电子显微镜样品(金属摩擦层截面样品)在不同放大倍数下的形貌如图7所示。
由图7可知，TEM样品有孔洞；孔洞周围有大面的薄区，能够分辨出氧化层、变形层和基体；能够进行透射电子衍衬像，选区电子衍射，能谱的点、线、面扫描，高角环形暗场像，高分辨电子显微像(列出高分辨样图)的拍摄。
以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。