陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、耐氧化等一系列特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、汽車工業(yè)、紡織、化工、航空航天等國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。陶瓷材料的物理性能很大程度上取決于其微觀結(jié)構(gòu)，是掃描電鏡重要的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖片來源：中國電子報

陶瓷是什么？

陶瓷材料是指用天然或合成化合物經(jīng)過成形和高溫?zé)Y(jié)制成的一類無機(jī)非金屬材料，可以分為普通陶瓷材料和特種陶瓷材料。

特種陶瓷材料按化學(xué)成分可分為：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷等；按其特性和用途可分為結(jié)構(gòu)陶瓷與功能陶瓷。

圖1 氮化硼陶瓷的微觀形貌

掃描電鏡助力陶瓷材料性能研究

隨著社會和科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，人們對于材料的要求不斷提高，這就需要對陶瓷的各種理化性能有更深層次的了解。而陶瓷材料的物理性能很大程度上取決于其微觀結(jié)構(gòu)[1]，掃描電鏡圖像具有分辨率高，放大倍數(shù)可調(diào)范圍寬，成像富有立體感等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于陶瓷材料等研究領(lǐng)域。使用國儀量子的場發(fā)射掃描電鏡SEM5000可以很方便地觀察陶瓷材料及其相關(guān)制品的顯微結(jié)構(gòu)，此外搭配X射線能譜儀可以快速對材料元素組成進(jìn)行判定。

掃描電鏡在電子陶瓷研究中的應(yīng)用

特種陶瓷產(chǎn)業(yè)最大的終端應(yīng)用市場是電子工業(yè)，其中鈦酸鋇（BaTiO3）由于具有很高的介電常數(shù)、優(yōu)異的鐵電和壓電性能以及耐壓及絕緣性能，被廣泛應(yīng)用于多層陶瓷電容器（MLCC）、熱敏電阻（PTC）等電子元器件中[2]，被譽(yù)為“電子陶瓷工業(yè)的支柱”。隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對鈦酸鋇的需求越來越大，此外電子元器件日益向小型、微型化發(fā)展，對鈦酸鋇也提出了更高的要求。

研究者們常通過改變燒結(jié)溫度、氣氛、摻雜等制備工藝來調(diào)控性能，而其本質(zhì)是制備工藝的改變造成了材料微觀組織結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)而導(dǎo)致性能的變化。研究表明鈦酸鋇的介電鐵電特性與材料的微觀結(jié)構(gòu)，如氣孔率和晶粒尺寸息息相關(guān)[3]。如圖2所示通過場發(fā)射掃描電鏡SEM5000可以對鈦酸鋇陶瓷粉末的顆粒形貌、粒度均勻性和晶粒尺寸進(jìn)行表征。

微觀結(jié)構(gòu)的表征結(jié)果對燒結(jié)方法以及工藝參數(shù)的選擇具有重要指導(dǎo)意義。此外通過掃描電鏡研究材料的微觀結(jié)構(gòu)，有助于理解微結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。

圖2 鈦酸鋇陶瓷粉末的微觀形貌

鈦酸鍶鋇（BaxSr1-xTiO3）也是一種重要的電子陶瓷材料，它是鈦酸鍶與鈦酸鋇形成的固溶體。相比于鈦酸鋇來說具有更高的介電常數(shù)，較低的介電損耗，高的擊穿強(qiáng)度以及隨成分可調(diào)的相變點(diǎn)而被大量學(xué)者研究并廣泛應(yīng)用于電子器件中。[4]目前研究者們常采用調(diào)節(jié) Sr/Ba 比，摻雜元素等方法來達(dá)到改善性能的目的。然而，其根本還是通過改變材料的微結(jié)構(gòu)來調(diào)控材料性能。圖3是場發(fā)射掃描電鏡SEM5000測試的鈦酸鍶鋇燒結(jié)品的背散射電子像，低倍下可用于表征材料的成分均勻度，同時高倍下的背散射電子像也具有一定的形貌襯度。

圖3 鈦酸鍶鋇燒結(jié)品的微觀形貌

陶瓷材料、金屬材料、高分子材料是當(dāng)今社會應(yīng)用最廣泛的三大材料。隨著科學(xué)技術(shù)與社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，未來一定會對陶瓷材料的性能提出更多苛刻的要求，使用掃描電鏡對陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，將助力陶瓷材料制備技術(shù)提升，朝著更高的性能發(fā)展。

國儀量子場發(fā)射掃描電鏡SEM5000

SEM5000是一款分辨率高、功能豐富的場發(fā)射掃描電子顯微鏡，有著先進(jìn)的鏡筒設(shè)計(jì)，鏡筒內(nèi)減速、低像差無漏磁物鏡設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了低電壓高分辨率成像，同時可適用于磁性樣品。SEM5000具有光學(xué)導(dǎo)航、完善的自動功能、精心設(shè)計(jì)的人機(jī)交互，優(yōu)化的操作和使用流程。無論操作者是否具有豐富經(jīng)驗(yàn)，都可以快速上手，完成高分辨率拍攝任務(wù)。

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參考資料：

1、郭大宇.顯微結(jié)構(gòu)對陶瓷材料物理性能的影響[J].遼寧大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007(01):25-27.

2、羅光華. 晶粒尺寸對鈦酸鋇陶瓷的介電性能影響的研究[D].西華大學(xué),2007.

3、翟蕓翎. 鈦酸鍶鋇基陶瓷介質(zhì)的制備及其性能研究[D].中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院),2019.

4、鄧湘云,王曉慧,李龍土.掃描電子顯微鏡在新型陶瓷材料顯微分析中的應(yīng)用[J].硅酸鹽通報,2007(01):194-198.

標(biāo)簽：掃描電鏡