הבנת כישלונות חומריים ב-Nanoscale כבר אינה מותרות - זהו צורך לקדם את הביצועים והבטיחות של רכיבים בחלל, אלקטרוניקה, מכשירים ביו-רפואיים ומערכות אנרגיה.כאשר להב טורבינות, מיקרוצ'יפ דהלמידים, או סוללה אלקטרודה פלסבות ספציפיות, שורש הוא לעתים קרובות בפגמים מבניים לעין, ואפילו סטנדרטיים למיקרוסקופ אופטי.

מבוא ל-Nanoscale Microscopy in Fail Analysis

מיקרוסקופיה ננומטרית כוללת חבילת שיטות הדמיה ומדידה המסוגלות לפתור תכונות ממספר ננומטרים עד לטווח תת-אנגסטרום.האתגר הבסיסי בניתוח כישלונות הוא לשפשף את הפער בין תכונות מכניות מאקרוסקופיות - כגון כוח, קשיחות, או עייפות חיים - והמנגנונים המיקרוסקופיים ששולטים בהם בכישלון, התנגשויות, או חלקיקים משניים; מחלימים אותם על מנת לנפץ את המכשולים העלולים לנפץ; ללא יכולת הראייה.

טכניקות ננומטריות מודרניות מאפשרות למהנדסים להתבונן ישירות על משטחים השבורים, למדוד תכונות מכניות מקומיות ואפילו לעקוב אחר תהליכים דינמיים כגון קידוד סדקים בזמן אמת.התובנות צברו מידע על כל דבר מהתאמות של סגסוגת לפרמטרים דקים של פירוק סרטים, ובסופו של דבר להפחית את הסיכון לכשלים קטסטרופליים ביישומים קריטיים.ה להלן המפרטים את השיטות הנפוצות ביותר ואת התפקידים הספציפיים שלהם בחקירה של כישלון.

טכניקות מיקרוסקופיה מתקדמות

סורק אלקטרון מיקרוסקופיה (SEM)

סורק מיקרוסקופיה אלקטרונים (SEM) יוצר תמונות מוגדלות על ידי rastering aam ממוקד של אלקטרונים באנרגיה גבוהה על פני דגימה. as the beam אינטראקציה עם פני השטח, הוא יוצר אלקטרונים משניים, backscattered אלקטרונים, ו- X-ray אופייני, כל אחד מספק מידע אחר.

לניתוח כישלונות, SEM מצטיין בלכידת המורפולוגיה של אתרי סדקים, נפיחות עייפות, ו מסלולים בין-גרנריים או transgranular.com-emission SEMs (FE-SEM) לספק אפילו בהירות גבוהה יותר ורזולוציה, המאפשרת הדמיה מהירה של תכונות ספציפיות שדה כמו precipitates או oxides.

לפרטים נוספים על עקרונות SEM ויישומים, ראה את ה-FLT:0JEOL SEMFOFLT:1.

Transmission Electron Microscopy (TEM)

Transmission אלקטרוני microscopy (TEM) מעביר קרן אלקטרונים באמצעות דגימה אולטרה-תנין, יצירת תמונות מאלקטרונים העוברים דרך החומר.טכניקה משיגה באופן שגרתי את ההחלטה בקנה מידה אטומי (below 0.1 nm), מה שהופך אותו הכרחי לניתוח המבנה הפנימי של חומרים ברמה הבסיסית.

כוח מפתח של TEM הוא היכולת שלה לבצע פיזור אלקטרוני נבחר (SAED), אשר מזהה שלבים קריסטלוגרפיה ונטיות.לדוגמה, רכיב פלדה לא רצוי עשוי לחשוף carbides בסדר בגבולות דגנים כי brittle את המידע. High-resolution TEM (HR) יכול ישירות לדמיין מטוסים, מראה איפה סדקים בקנה מידה אטומי או סדקים הם החלו לייצר צינורות אלקטרו-חמצני (בנוסף) עם קרינת אלקטרו-קוגניתקדיקולנוע (D) עם אלקטרוניקה).

המגבלה העיקרית של TEM היא הכנת הדגימה התובענית: דגימות חייב להיות דקר לשקיפות אלקטרונית (בדרך כלל <100 nm) ללא הצגת חפצים. ion מודגש קרן (FIB) הפך את השיטה הסטנדרטית עבור חילוץ ספציפי באתר של אזורים, המאפשר מהנדסים להכין סולדות ישירות מטיפ סדק או ממשק מחוסן.

למד עוד על טכניקות TEM מ-FLT:0 (עמוד משאבים של מכון המחקר המדעי של TEM)

אטומי כוח מיקרוסקופיה (AFM)

מיקרוסקופית כוח אטומי (AFM) שייכת למשפחה של סריקות בדיקה מיקרוסקופים ופועלת על ידי rastering טיפ חד מאוד (radius of Curvature - 5-10 nm) על פני משטח מדגם.הטיפ הוא רכוב על משטח קטיפה גמיש, ואת הדה הנגרמת על ידי אינטראקציות קצה-sample (כוחות דר Waals, כוחות אלקטרוסטטיים, או מגע מכני) הוא באמצעות לייזר מבוסס על ידי אדמדן-מטר עד שלושה.

בניגוד SEM ו-TEM, AFM אינו דורש סביבה ואקום ויכול לפעול באוויר או בנוזל, מה שהופך אותו ייחודי מתאים ללימוד תהליכי כישלונות בחומרים מיובשים או ביולוגיים. בניתוח כשל, AFM משמש כדי לכמת גסות פני השטח, למדוד את העקירה שנפתחת סדק, ומיפוי תכונות מכניות כגון קשיחות, דבקות או מולקולנטיות ב- nanoscale, למשל, על ידי ביצוע ציפוי כוח ספציפי, לזהות צמיגים של מקומות מדידה או מתפתלים של תאים מדויקים של תאים ספציפיים.

AFM הוא בעל ערך במיוחד עבור חקר דמנציה וכישלון בין-גזעי במבנים רב-שכבתיים - מקורו במיקרואלקטרוניקה, ציפויי מגן וחומרים מורכבים.שלב הדמיה, מצב AFM דינמי, מגלה וריאציות בתכונות משטח כי לפני הספירה לאחור גלוי. בעוד AFM יש שדה קטן יותר של ראייה בהשוואה SEM, יכולתה לקשור עם תגובה מכנית מספקת נקודת מבט חיונית לניתוח מלא.

סקירה של מצבי AFM ויישומים, בקר:0Bruker של דף מוצר AFMreaveFLT:1.

סריקות Probe Microscopy Variants and Emerging Tools

מעבר ל-AFM, כמה טכניקות בדיקה סריקה אחרות לתרום לניתוח כישלונות.S.S.S. (STM) תמונות של משטחים מוליכים עם פתרון אטומי על ידי מדידה של זרם, המאפשר מחקרים של כישלונות מעוקלים על פני השטח במכות ומוליכים למחצה.microscopy כוח מגנטי (MF) ו-microscopyscopy מיקרוסקופית אלקטרוסטטית (EFM) מרחיבים את הגישה של התפלגות מגנטית ומטענים, עבור כישלונות רלוונטיות לכשלים מגנטיים או כישלונות בתקני אחסון מגנטיים או מפוזרים מגנטיים.

הפיתוח האחרון של ננוינטדט משולב עם AFM מאפשר מדידה ישירה של קשיחות, מודלוס, וקשידות שבורה ב nanoscale, ביעילות ביצוע מבחן מכני בתוך המיקרוסקופ.מערכות משולבות כאלה לגשר על הפער בין הדמיה ומדידה רכוש, מתן נתונים ניתנים פעולה לניתוח שורש.

המונחים:מתודולוגיות

ללא קשר לטכניקה המשמשת, הכנת הדגימה היא מכריעה של הצלחה בניתוח כישלונות ננומטרי.המטרה היא לחשוף את אזור הריבית מבלי להציג חפצים מכניים או כימיים שיכולים לטשטש את מנגנון הכישלון האמיתי.

  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0Chemical or אלקטרו-כימי תחריטים 1) - חושף גבולות דגנים, שלבים ולהקות עיוות על ידי תקיפה סלקטיבית של תכונות מיקרו-מבנה מסוימות.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) ion beam (FIB) מילימטר 1 - השיטה המועדפת להכנת TEM ספציפי של lamella. על ידי שימוש בגליום או xenon ion beam, מהנדסים יכולים לחלץ סולר דק בדיוק מטיפ סדק, בורסת, או ממשק דלמנט.
  • (ב) ⁇ 0 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

הכנת הדגימה הנכונה מבטיחה כי התכונות הנצפות מייצגות את תהליך הכישלון ולא חפצים של שיטת ההכנה עצמה.

תוצאות חיפוש ב-Intative Loss Analysis

היישום של טכניקות מיקרוסקופיה מתקדמות משתרע על מגוון רחב של מצבי כישלונ ומערכות חומריות. להלן הם תחומי מפתח שבו חקירת ננומטרי מספקת תובנות ניתנות לפעולה.

ניתוח Surface Analysis

משטחים Fracture מכילים תיעוד קבוע של רצף הכישלונות.SEM הוא הכלי העיקרי לבדיקת מורפולוגיה שבר - דיפרונות מצביעים על עומס דוקטרילי, פרצות ריצוף מצביעות על שבר שבור, ועייפות striations לחשוף את ההיסטוריה של קריקט-פרוגנציה. בהגדלת הגדלה גבוהה יותר, העתקים או חיצת פחמן ישיר יכול ללכוד תכונות כגון חמצני או תרכובות זעירות או תרכובות אשר פותחות, אשר משמשות, כדי להבחין בין שבץ, שבץ, שבץ, שבץ, שבץ, שבץ, שבץ, שבץ, 000 שבץ, אשר משמש שבץ, שבץ, שבץ, שבץ, כמו שבץ, 000 שבץ, 000 שבץ, 000 שבץ, שבץ, 000 שבץ, או שבץ, 000 שבץ, שבץ, 000 שבץ, 000 שבץ, 000 שבץ, 000 שבץ, 000 שבץ, 000 שבץ, 000 שבץ, 000 שבץ, 000 שבץ, 000 שבץ, 000 שבץ, 000 שבץ, 000 שבץ, 000 שבץ, 000 שבץ, 000 שבץ, 000 שבץ, 000 שבץ, 000 שבץ, 000

המונחים: we € Defect Identification

כישלונות חומריים רבים מקורם פגמים קטנים מדי כדי לראות עם microscopy אופטי. in מתכות, הכללות לא-מטאליות, carbides, או חלקיקים בין-מטאלי יכול לשמש כמגדלי מתח.TEM מספק את ההחלטה הדרושה כדי לזהות חלקיקים אלה ואת הקריסטלוגרפיה שלהם, עוזר להתאים את כימאים התכה או לוח זמנים טיפול חום. קרמיקה, רִיק ב צומת משולשים הם לעתים קרובות אתרי צמיגים עם צמיגים קשים אלה; â ¢ â ¢ ¢ ¢ ¢ â ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢

טרנספורמציות שלב ודהגרדציה

קורוזיה, חמצון, וטרנספורמציות שלב הם מבשרים נפוצים לכישלון.מיקרוסקופיות מתקדמות יכול לאפיין את הכימיה ואת המבנה של מוצרי קורוזיה, קשקשים חד-חמצני, או שכבות דיפוזיה שצורות במהלך השירות. TEM-EELS בשילוב עם diffraction יכול לחשוף את מצב חמצון המדויק של מתכות בסרט תחמוצת, בעוד AFM יכול למדוד את הגדלה של שכבות גזים בדם (Fed) המשמש בסופו של מיפוי תרמי של מיפוי גזים).

כישלון בין-גזעי ודיכוי

כישלון אדמדטיבי או cohesive בממשקים הוא דאגה עיקרית בחומרים מורכבים, חבילות אלקטרוניות, ומערכות מכוסות. ניתוח של קרוס-מחלקה באמצעות TEM או FIB-SEM ישירות מגלה רִיק, decohesion, או שכבות תגובה בממשק. AFM הדמיה בשלב יכול לזהות וריאציות במודולוסאו או דבקות על פני אזור אג"ח, זיהוי אזורים חלשים של מתחזים לפני תהליכי מאקרו, ופעולות קודמות.

מיפוי נכסים מכני

בדיקות מכניות ננומטריות בתוך המיקרוסקופ הוא גבול מתפתח.ב-החלים SEM או TEM שלבים מאפשרים תצפית ישירה של תנועת פירוק, טיהור, והפצת בעת ובעונה אחת הקלטה של נתונים באופן דומה, ננווטציה המבוצעת בתוך AFM או SEM מספקת קשיחות מקומית ומפות מודולוס שניתן לתאם עם תכונות מיקרו-תרבותיות כאלה משולבים גישות הדמיה הן למעשה ניסיון של בדיקות שלאחר מנגנונים של כישלונות.

מגבלות וטכניקות משלימה

אין טכניקה אחת מספקת לניתוח כשל מלא. SEM, TEM, ו- AFM לכל אחד יש עצירות מסחר ברזולוציה, שדה של ראייה, סביבת הדגימה, סוג הנתונים.

  • (FLT:0)SEMIRLT:1) - מוגבל על פני השטח או ליד מידע על פני השטח; דורש דגימות התנהגות או מכוסות עבור הדמיה הטובה ביותר; לא יכול לספק פתרון אטומי ישיר.
  • (FLT:0)TEMigFLT:1 ; בהחלטה גבוהה במיוחד אבל דורש הכנה דגימה מייגעת; שדה תצוגה מוגבל וסיכון של נזק אלקטרונים-באם לחומרים רגישים (למשל, פולימרים או רקמות ביולוגיות).
  • (FLT:0)AFMoriFLT:1) - מהירות סריקה איטית יותר; רגיש לרטט ופריטים הקשורים לטיפ; מוגבל לטופוגרפיה פני השטח ונכסים מכניים של פני השטח; לא יכול לראות פגמים תת-קרקעיים.

כדי להתגבר על המגבלות הללו, אנליסטים כישלונות משלבים לעתים קרובות טכניקות מרובות.לדוגמה, סדק עייפות עשוי קודם לבדוק על ידי מיקרוסקופיה אופטית כדי לאתר את המקור השביר, אז על ידי SEM לאפיין את המורפולוגיה העולמית, ולבסוף על ידי FIB-TEM כדי לבחון את המיקרו חלקיקים nanoscale בחוד החנית של שיטות עיבוד רנטגן כגון X-ray המדבקות (micro-CT) יכול לספק מידע על התפלגות פנימי על סדקים או על שיטות פעולה פנימיים או על סדקים.

כיוונים עתידיים

תחום ניתוח הכישלונות ננוקל מתפתח במהירות, מונע על ידי התקדמות במכשור, עיבוד נתונים ושיטות החלפת.

  • (FLT:0) ב-itu ו-Operndo microscopytureFLT:1) - שילוב אלקטרונים או בדיקה מיקרוסקופית עם תאים סביבתיים, שלבים חימום, מתאמני פעולה מכניים, או תאים אלקטרוכימיים כדי לצפות בתהליכים כשל בתנאים ריאליים.
  • (FLT:0Correlative microscopyFLT:1) - Integrating SEM, TEM, AFM ו microscopy אור עם תוכנה המאפשרת עיכוב מדויק של תמונות ממודולים שונים, המאפשר חקירה רב-מידה חלקה ממילימטרים לאטומים.
  • (FLT:0) למידה של מחשבת תמונה ניתוח תמונה 1 (מחדש) - גילוי אוטומטי של פגמים, פלח של שלבים וסיווג של משטחים שבר באמצעות למידה עמוקה, צמצום הטיה אנליסטית והפחתה של דרך חישוב.
  • (FLT:0) באמצעות חישוב TEM ו Cryo-TEMFLT 1:1 - רכישת נתונים מהירה יותר ושיפור יציבות לחומרים רגישים בדבורים, כולל חומר רך ורקמות ביולוגיות מוכווצות בשימוש בשתלים ביו-רפואיים.
  • (FLT:0)Quantitative ננומקניקים (Nanochanicssherph:1) - שילוב של ננוינטציה, בדיקות פילים, ופליטות אקוסטיות עם הדמיה בקנה מידה אטומי כדי למדוד ישירות את קשיחות השבעה ואת מנגנוני הניתוק באנרגיה ב nanoscale.

התפתחויות אלה יעצימו מהנדסים נוספים לעצב חומרים עם התנגדות חסרת תקדים לכישלון, מסגסוגת הדור הבא של כלי רכב היפרוזיים ועד אלקטרוניקה גמישה שעוברת מחזורי חתירה חוזרים.

מסקנה

טכניקות מיקרוסקופיה מתקדמות - SEM, TEM, AFM וגרסאותיהם - הפכו הכרחיות לחקירה של תקלות חומריות ב- nanoscale. על ידי מתן הדמיה ישירה של משטחים השברים, פגמים, ממשקים ונכסים מכניים ברמות האטומיות וה מולקולריות, שיטות אלה לחשוף את המנגנונים הנסתרים השולטים בביצועים של רכיב ועמידות.