導(dǎo)語(yǔ)：

在航空航天、機(jī)械加工等高科技工業(yè)領(lǐng)域，高性能復(fù)合材料如WC-Co的需求日益增長(zhǎng)。然而，傳統(tǒng)表征技術(shù)難以揭示其微觀結(jié)構(gòu)與性能的復(fù)雜關(guān)系。近日，Graz電子顯微鏡中心功能納米制造部門負(fù)責(zé)人Harald Plank教授發(fā)表文章，詳細(xì)介紹了關(guān)聯(lián)顯微技術(shù)（Correlative Microscopy）在WC-Co復(fù)合材料研發(fā)中的突破性應(yīng)用，F(xiàn)usionScope^®作為其中的核心設(shè)備，為材料科學(xué)帶來(lái)了全新的解決方案。

圖1. AFM/SEM二合一顯微鏡

高性能復(fù)合材料的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

WC-Co復(fù)合材料以其優(yōu)異的硬度和韌性著稱，但其性能高度依賴于WC晶粒與Co粘結(jié)相的微觀結(jié)構(gòu)平衡。傳統(tǒng)工藝中，高溫?zé)Y(jié)易導(dǎo)致晶粒粗化和元素?cái)U(kuò)散，進(jìn)而影響材料性能。當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)包括：

粘結(jié)相優(yōu)化：Co相的分布與成分直接影響材料的韌性與硬度平衡。

磁性性能調(diào)控：W和C擴(kuò)散導(dǎo)致的Co相成分變化可能引發(fā)局部磁性差異，進(jìn)而影響材料性能。

化學(xué)蝕刻控制：表面Co相的精確蝕刻是后續(xù)涂層工藝的關(guān)鍵步驟，需確保一致性。

關(guān)聯(lián)顯微技術(shù)的革命性突破

為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，Plank教授團(tuán)隊(duì)采用將掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）和磁力顯微鏡（MFM）技術(shù)集于一體的FusionScope^®平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了從宏觀到納米尺度的多模態(tài)表征。其工作流程包括：

SEM精準(zhǔn)導(dǎo)航：利用 FusionScope^® 中 SEM 的高分辨率成像能力，能夠精確定位復(fù)合材料中的感興趣區(qū)域，為后續(xù)的深入分析提供準(zhǔn)確的目標(biāo)。

AFM/MFM分析：借助 AFM 的高分辨率表面形貌成像和 MFM 對(duì)磁性的靈敏探測(cè)，深入揭示了Co相的納米級(jí)分布及磁性變化。

EBSD與TEM驗(yàn)證：結(jié)合電子背散射衍射（EBSD）和透射電鏡（TEM），對(duì)元素?cái)U(kuò)散情況和缺陷結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證分析。

下圖2展示了MFM信號(hào)差異可指示Co相中W和C的擴(kuò)散程度，而EBSD和TEM數(shù)據(jù)則為工藝優(yōu)化提供直接依據(jù)。

圖2. 研發(fā)復(fù)合材料加工利用FusionScope作為核心元素的相關(guān)顯微鏡。（a）SEM確定感興趣的區(qū)域，隨后進(jìn)行AFM和MFM成像；（b）定位與Co相關(guān)的磁區(qū)；（c）同一區(qū)域的EBSD提供了全面的晶體取向數(shù)據(jù)，隔離了所需的Co相；（d）與MFM數(shù)據(jù)（e）的直接相關(guān)性突出了部分磁性Co相（黃色箭頭）和非磁性Co相（白色箭頭）；感興趣的區(qū)域，如紅色圓圈多標(biāo)記的區(qū)域，精確地指導(dǎo)了基于TEM的元素映射和相關(guān)的高分辨率成像(f)，揭示了封裝的最低磁性Co相的偏差，在這種情況下，F(xiàn)usionScope作為優(yōu)化，質(zhì)量控制和故障分析的核心工具是至關(guān)重要的。

FusionScope^®：材料研發(fā)的“全能助手”

FusionScope^®集成了復(fù)雜工作流程所需的功能，簡(jiǎn)化了導(dǎo)航、分析和將納米級(jí)特性與互補(bǔ)技術(shù)相關(guān)聯(lián)的過(guò)程，通過(guò)高分辨率的SEM成像進(jìn)行精確導(dǎo)航，先進(jìn)的MFM進(jìn)行詳細(xì)的磁性測(cè)繪，確保了關(guān)鍵信息的一致和對(duì)齊，它的設(shè)計(jì)最大限度地降低了技術(shù)轉(zhuǎn)換期間不對(duì)齊活數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)準(zhǔn)確分析至關(guān)重要，主要優(yōu)勢(shì)包括：

多模態(tài)一體化精準(zhǔn)分析：FusionScope^®將SEM、AFM、MFM等多種技術(shù)集成于同一平臺(tái)，避免了傳統(tǒng)多設(shè)備聯(lián)用過(guò)程中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)錯(cuò)位問(wèn)題。

納米級(jí)精度保障數(shù)據(jù)可靠：憑借SEM引導(dǎo)的靶向分析與MFM的高精度磁性映射功能，有效確保了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

廣泛應(yīng)用場(chǎng)景：從工藝優(yōu)化、質(zhì)量控制到失效分析，覆蓋材料研發(fā)全周期。

圖3. 將FusionScope作為相關(guān)顯微鏡的核心工具，通過(guò)其特有的、完全集成的多模式功能，促進(jìn)了感興趣區(qū)域的識(shí)別和先進(jìn)的表面表征。其納米級(jí)的分辨率可在最初的步驟中精確對(duì)準(zhǔn)樣品，隨后實(shí)施材料分析。

正如 Harald Plank 教授所言：“FusionScope”不僅是工具，更是連接基礎(chǔ)研究與工業(yè)應(yīng)用的橋梁。它幫助我們揭示了WC-Co復(fù)合材料中以往無(wú)法觀測(cè)的微觀現(xiàn)象，為新材料設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵支持。”

未來(lái)展望

隨著材料科學(xué)不斷向納米尺度發(fā)展，關(guān)聯(lián)顯微技術(shù)的重要性日益凸顯。FusionScope^®憑借其超卓的靈活性與多功能性，在鋼鐵處理、新能源材料等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。未來(lái)，Quantum Design將進(jìn)一步探索其在3D納米探針制造等前沿領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研深度融合，為材料科學(xué)的發(fā)展注入新動(dòng)力。

關(guān)于作者

Harald Plank教授任職于格拉茨工業(yè)大學(xué)，是“Christian Doppler實(shí)驗(yàn)室”主任，長(zhǎng)期專注于功能納米制造技術(shù)研發(fā)及工業(yè)轉(zhuǎn)化。其團(tuán)隊(duì)?wèi){借先進(jìn)顯微技術(shù)，為全球客戶提供復(fù)雜材料問(wèn)題的解決方案。