1 中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018
2 上海市计量测试技术研究院，上海 201203
3 上海在线检测与控制技术重点实验室，上海 201203
线边缘粗糙度（LER）和线宽粗糙度（LWR）是衡量线宽标准样片质量的重要指标。文中基于自溯源光栅标准物质的自溯源、高精密尺寸结构特性，提出了一种直接溯源型精确校准SEM放大倍率的方法，以实现SEM对线宽标准样片关键参数的测量与表征。利用校准后的SEM，对利用Si/SiO2多层膜沉积技术制备的线宽名义值为500、200、100 nm样片进行关键参数的测量，采用幅值量化参数的均方根粗糙度 RMS描述线边缘粗糙度与线宽粗糙度，并通过图像处理技术确定线边缘位置，对线宽边缘特性进行了精确表征。实验结果表明，名义值为500、200、100 nm对的线宽样片，其实测值分别为459.5、191.0、99.5 nm，$ {\sigma }_ {\rm{LER}} $分别为2.70、2.35、2.30 nm，$ {\sigma }_ {\rm{LWR}} $分别为3.90、3.30、2.80 nm，说明了多层膜线宽标准样片线边缘较为平整、线宽变化小、具有良好的均匀性与一致性。基于自溯源标准物质校准SEM的方法缩短了溯源链，提高了SEM的测量精度，实现了线宽及其边缘特性的精确表征，为高精度纳米尺度测量和微电子制造领域提供了计量支持。
自溯源标准物质 SEM放大倍率 线边缘粗糙度 线宽粗糙度 多层膜线宽 self-traceable reference material SEM magnification line edge roughness line width roughness multilayer film line width 红外与激光工程
2024, 53(1): 20230475
1 贵州大学材料与冶金学院, 贵州 贵阳 550025
2 贵州大学材料与冶金学院, 贵州 贵阳 550025 首钢水城钢铁(集团)有限责任公司轧钢事业部, 贵州 六盘水 553000
3 贵州理工学院材料与能源工程学院, 贵州 贵阳 550003
全面、 准确表征钢中非金属夹杂物特征, 有利于发现和认识新夹杂物, 也是实现非金属夹杂物的调控和钢材质量提升的前提。 分别采用扫描电镜-能谱、 拉曼光谱、 高分辨率透射电镜和微区X射线衍射等检测方法, 结合夹杂物电解萃取技术和图像分析技术, 表征了锆脱氧钢中非金属夹杂物形貌、 尺寸、 数量、 分布、 成分、 晶体结构等特征参数, 对比分析了四种夹杂物表征方法的优缺点。 结果表明, 采用SEM-EDS方法分析锆脱氧钢中夹杂物主要由Zr、 O和少量Al元素组成。 基于锆氧化物和铝氧化物的化学计量关系, 分析得出夹杂物由94% ZrO2和6% Al2O3组成。 统计锆脱氧钢中夹杂物尺寸分布, 夹杂物的平均尺寸为0.62 μm, 0.7～0.8 μm范围内夹杂物数量最多。 采用SEM结合电解萃取夹杂物技术, 可以观察到钢中非金属夹杂物的三维形貌。 采用EDS方法可以逐一定性分析夹杂物中元素组成和元素分布情况, 结合夹杂物的化学计量关系, 可以定量分析具有单一价态夹杂物的成分。 但是, 对于价态种类较多和价态不明的非金属夹杂物, 仅采用EDS方法不能准确分析得出夹杂物的物相和成分。 采用拉曼光谱结合电解萃取夹杂物技术, 检测到锆脱氧钢中存在单斜相二氧化锆。 通过TEM衍射花样标定及能谱分析单个夹杂物, 检测到有单斜相的二氧化锆。 采用微区X射线衍射法结合电解萃取夹杂物技术, 检测到单斜相与四方相的二氧化锆, 并得到了二氧化锆夹杂物的晶格参数。 此三种方法均未检测到含铝物相。 拉曼光谱分析法、 透射电子显微镜、 微区X射线衍射法均能够定性分析电解萃取后夹杂物物相和成分, 但是对于含量较低物相, 三种方法无法准确表征。 透射电子显微镜、 微区X射线衍射法均能够表征夹杂物晶体结构、 晶格参数。 透射电子显微镜和扫描电镜只能逐一表征各个夹杂物。 微区X射线衍射法和拉曼光谱分析法能够表征检测区域内所有夹杂物物相, 是具有统计意义的夹杂物表征方法。 因此, 采用扫描电镜-能谱分析结合微区X射线衍射分析可以较为全面、 准确表征夹杂物特征。
非金属夹杂物 扫描电镜-能谱仪 拉曼光谱 高分辨率透射电镜 微区X射线衍射 Non-metallic inclusion SEM-EDS Raman spectroscopy TEM μXRD 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2916
1 浙江大学艺术与考古学院, 浙江 杭州 310007
2 北京大学考古文博学院, 北京 100871
为了达到最好的居住效果, 古人运用长期积累的经验对房屋内部进行装修和改造。 对内蒙东部通辽地区哈民忙哈遗址中F33和F50房址地面上的白色铺垫材料进行了分析, 发现该遗址地面坚硬以及地面发白的原因是使用了白灰作为地面装饰层; 并利用红外光谱峰在吸收强度上的变化, 判断碳酸钙中原子无序度的信息, 从而判断其制作工艺。 结果表明, 遗址白色铺垫材料中的方解石ν2/ν4的比值约在5左右, 远远高于天然石灰石, 反映了天然石灰石与人工制备石灰砂浆中方解石晶体结构无序性的差异, 证明该遗址的白灰层是人工烧制而成的, 说明我国古代先民在很久之前就开始使用人工烧制的石灰作为装饰建筑的材料。
哈民忙哈遗址 白色地面 扫描电镜 红外光谱 Hamin-Mangha site White Pavement Layer SEM FTIR
1 钢铁研究总院, 北京 100081
2 钢研纳克检测技术股份有限公司, 北京 100081
3 北京科技大学, 北京 100083
火花发射光谱分析钢中单一夹杂物的研究已有文献报导, 但用火花光谱分析钢中复合夹杂物一直是个难题。 钢中复合夹杂物是一种单一夹杂物包裹另外一种单一夹杂物组成的复合体, 或由两个及以上单一夹杂物紧密相邻结合体。 如何区分材料中同时存在但不相邻的两种单一夹杂物和二者复合夹杂物, 用火花发射光谱技术难于实现。 该工作采用火花光谱原位统计分布分析(OPA)进行高铁车轮截面的夹杂物分析, OPA通过对经连续扫描的火花放电激发所产生的元素光谱信号进行采集和分析, 可实现大尺度金属材料的成分及夹杂物统计分布表征, 在同一激发位置下, 当既有Al2O3夹杂物光谱信号, 也有MnS夹杂物光谱信号, 通过对Al2O3夹杂物和MnS夹杂物的火花光谱强度时序耦合处理, 获得此时序对应位置处的复合夹杂物信息。 根据超过阈值以上的火花光谱强度和夹杂物平均面积之间的良好线性关系, 在同一位置下, 分别获得Al2O3/MnS复合夹杂物中Al2O3夹杂物和MnS夹杂物的面积, 将Al2O3夹杂物面积和MnS夹杂物面积加和, 得到Al2O3/MnS复合夹杂物的面积。 同时结合扫描电镜(SEM)分析小区域内的复合夹杂物, 将每一个扫描电镜复合夹杂物面积对应一个OPA分析夹杂物的归一化面积, 建立SEM 和OPA两种分析方法获得的复合夹杂物面积的关系曲线, 二者具有良好线性关系, 线性相关系数大于0.99。 取高铁车轮截面中另外两部分进行验证实验, 得到的结果也与扫描电镜结果基本一致, 即在分析小面积区域内Al2O3/MnS复合夹杂物, OPA分析的归一化结果也能够满足表征需要。 除此之外, 由于 OPA可以进行部件全域分析, 可检测到更多的较大Al2O3/MnS复合夹杂物颗粒, 可有效避免扫描电镜(SEM)因分析区域有限造成大尺寸夹杂物漏检问题, 为大尺寸金属构件的夹杂物分析特别是Al2O3/MnS复合夹杂物的分析提供了一种有效手段。
火花光谱原位分析 复合夹杂物 粒度分布 高铁车轮 扫描电镜分析 Spark source original position analysis Complex inclusions Size distribution High-speed railway wheel SEM analysis 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1122
1 安徽工业大学建筑工程学院, 安徽 马鞍山 243032
2 冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室（安徽工业大学）, 安徽 马鞍山 243002
3 首钢京唐钢铁联合有限责任公司, 河北 唐山 063200
4 马鞍山钢铁股份有限公司, 安徽 马鞍山 243003
5 江苏华安橡胶科技有限公司, 江苏 宿迁 223600
钢渣是冶金工业中产生的主要固体废弃物, 其产量约为每年粗钢产量的15%~20%。 由于技术的局限, 导致我国钢渣利用率较低, 仅为年钢渣产量的10%, 同时加之管理制度的不健全, 导致钢渣大量露天堆放, 对土地资源、 地下水源, 以及空气质量形成严重影响。 面对上述问题, 以热闷渣、 电炉渣和风淬渣研发改性钢渣微粉, 并且将改性钢渣微粉与复合橡胶进行复合制备改性钢渣/橡胶复合材料。 依据《硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验》（GB/T3512—2014）对改性钢渣/橡胶复合材料进行热氧老化处理, 采用平衡溶胀法测定改性钢渣/橡胶复合材料的交联密度, 扫描电子显微镜（SEM）、 热重分析仪（TGA）和傅里叶转换红外光谱仪（FTIR）分别测试其微观形貌、 失重率和结构组成, 从微观层面阐述改性钢渣/橡胶复合材料的热氧老化机理。 结果表明在热氧老化前期老化作用在改性钢渣/橡胶复合材料表面, 其内部以交联键形成反应为主; 在热氧老化中期老化作用已经作用改性钢渣/橡胶复合材料内部, 造成交联键断裂反应速度高于交联键形成反应速度, 形成大量断裂交联键; 在热氧老化后期由于改性钢渣/橡胶复合材料内部已经存在大量断裂交联键, 导致主链及交联键断裂速度降低, 交联键形成反应占优势。 改性钢渣微粉以热闷渣（SiO2含量高）为原材料, 有利于形成聚合物大分子链贯穿炭黑网络的结构, 提高综合性能, 尤其是物理机械性与滞后性; 以电炉渣、 风淬渣（Fe2O3含量高）制备改性钢渣微粉, 有利于热传导性能的改善, 不仅提高改性钢渣/橡胶复合材料的耐热性, 而且提高其硬度与脆性。 热氧老化过程中改性钢渣/橡胶复合材料内部在橡胶分子链α-H上发生了不同程度的氧化反应, 并在橡胶分子链周围生成了羟基、 羧基和醇类化合物, 双键烯氢含量降低。
改性钢渣 橡胶复合材料 热氧老化 Modified steel slag Rubber composites Thermal oxidative aging SEM SEM FTIR FTIR 光谱学与光谱分析
2022, 42(12): 3906
聚焦离子束扫描电子显微镜(Focused Ion Beam Scanning Electron Microscope, FIB-SEM)双束系统结合了扫描电子显微镜与聚焦离子束系统的优势。基于该系统的高分辨率、原位加工及观测的特点, 研究了它在缺陷与像元解剖分析、透射电镜样品制备以及电路修复等方面的应用。详细介绍了用FIB-SEM系统定位问题像元的方法和修复电路的具体过程, 并阐明了它对红外焦平面探测器研制的重要作用。该系统是高性能红外探测器研制过程中不可或缺的重要表征手段。
红外焦平面探测器 聚焦离子束扫描电子显微镜 电路修复 infrared focal plane detector FIB-SEM circuit repair
1 广东省隧道结构智能监控与维护企业重点实验室, 广东 广州 511458
3 安徽工业大学建筑工程学院, 安徽 马鞍山 243032
以渗透结晶防水材料为研究对象, 将渗透结晶防水材料掺入水泥基材料制备水泥基渗透结晶防水材料。 基于X射线衍射仪(XRD)和傅里叶红外光谱仪(FTIR)分析了渗透结晶防水材料的组分, 在此基础上研究了渗透结晶防水材料对构件力学性能的影响, 利用扫描电子显微镜(SEM)与X射线衍射仪(XRD)对水泥基渗透结晶防水材料构件的微观形貌和物相组成进行分析, 结合抗压强度回复率、 抗渗压力等相关数据, 阐明水泥基渗透结晶防水材料作用机理。 研究表明, 渗透结晶防水材料的主要成分为氧化钙、 硅酸钠、 二硅酸钠、 碳酸钙、 氢氧化钙、 稠环芳烃类减水剂、 乙二胺四乙酸盐。 掺入渗透结晶防水材料的水泥基渗透结晶防水材料, 其力学性能、 抗渗性能、 自愈合性能优越, 即7, 14和28 d的抗折强度分别为2.65, 3.29和4.35 MPa, 抗压强度分别为12.11, 14.57和16.77 MPa; 一次抗渗压力与二次抗渗压力分别为0.8和0.9 MPa; 7, 14, 28和56 d的抗压回复率分别为80.91%, 90.35%, 100.44%和105.90%。 水泥基渗透结晶防水材料的作用机理: 渗透结晶防水材料中硅酸钠、 二硅酸钠与水泥中的钙离子发生反应形成水化硅酸钙凝胶(C—S—H凝胶), 有效修补裂缝; 氧化钙、 碳酸钙以及氢氧化钙作为钙离子补偿剂提供大量钙离子, 在水环境下有效促使裂缝愈合; 碳酸钙在水环境中缓慢溶解产生Ca2+, CO32-以及HCO3-, CO32-与HCO3-结合大量钙离子生成碳酸钙结晶, 与C—S—H凝胶协同作用对水泥基材料的裂缝进行封堵。
光谱学分析 渗透结晶防水材料 机理 Spectroscopy analysis XRD XPS FTIR SEM Permeable crystalline waterproof material Mechanism XRD XPS FTIR SEM 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3909
红外与激光工程
2021, 50(S2): 20210297
The prickly pear fruit helps in combating viral based infections. It is used to treat diabetes and declared to possess hypoglycemic effects. There is also record of the usage of the fruit in the olden days as a remedy for diabetes, lipid disorders, inflammation, ulcers, and pharmacologic side effects. The chemical composition and nutritional values of skin, flesh and seed of prickly pear fruit were investigated and discussed on a dry weight situation. The infrared spectra as well as scanning electron microscopy (SEM) techniques were used to identify the functional groups of carbohydrates, amino acids, and protein. The infrared spectral data of all three (skin, flesh, and seeds) species were recorded and assigned to the presence of distinguish peaks that referred to the three different sugars (glucose, fructose and saccharose) and cyclic aliphatic hydrocarbons moieties. On the other hand, the SEM is a powerful tool to investigate the morphological features of the components. SEM assays were examined on the surfaces of skin, flesh and seed branches showing a small particle that tends to form clusters with different shapes compared to each other. The Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) is an analytical technique used for the elemental analysis or chemical characterization of a sample. The EDX spectral technique of the skin, flesh and seeds were confirmed the presence of different essential and useful elements such as carbon, oxygen, magnesium, calcium, potassium, sulfur, aluminum, silicon, chloride, and phosphorus.
Infrared spectroscopy SEM EDX Prickly pear fruit Skin Flesh Seed
