SEM／EDS和XPS技術在航空維修失效模式分析中的應用

劉育紅 陳陽

摘要：介紹了SEMlEDS和XPS分析技術的原理，以及用SEMlEDS和XPS技術對機載溫度傳感器鉑金絲表面進行檢測的技術應用，為溫度傳感器失效模式分析提供依據(jù)。該技術在航空修理進行故障原因分析中有著更為廣泛的應用前景。

關鍵詞：SEM：EDS; XPS;失效模式

隨著航空航天技術的發(fā)展以及精密機械學科的進步，航空維修也越來越趨向于精細化修理，對產品的故障分析也越來越深入，對機件關鍵材料的失效原因分析，吸引著廣大航空維修工作者研究，掃描電子顯微鏡（ SEM）和X射線能譜儀（EDS）是當前材料分析領域較為常見的兩種分析設備，基本上是組合使用的，功能非常強大，既能觀察樣品表面形貌又能對微分區(qū)進行成分分析，當需要進一步對元素價態(tài)變化進行分析的時候可以使用X射線光電子能譜（ XPS）分析方法。

1 SEM/EDS組合分析技術

1.1 SEM

SEM由偏轉系統(tǒng)、電子光學系統(tǒng)、圖像顯示系統(tǒng)、信號檢測放大系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)組成，以觀察試樣表面形貌特征為主，圖像的分辨率高、景深大，可提供直觀的三維圖像。其工作原理是利用高能電子束經過樣品上方掃描線圈的作用，對樣品表面進行掃描。當高速電子束轟擊在樣品表面，與其發(fā)生相互作用，激發(fā)出蘊含各種不同信息的物理信號，信號強度隨樣品表面形貌、特征和電子束強度的變化而變化。通過收集各種特征信號，按照不同要求，對其中的某些特定的物理信號進行檢出和放大處理，改變加在陰極射線管（CRT）兩端的電子束強度，使之在CRT熒光屏上能夠顯示出反映樣品表面某些特征的掃描圖像。

1.2 EDS

EDS主要由主放大器和前置放大器、半導體探測器、脈沖處理器、計算機等幾部分組成，主要是利用特征X射線所包含的特征信息進行元素分析。其工作原理是利用高速電子轟擊在樣品的表面，使內層的電子脫離原子，在內層上產生空位，此時，原子處于非常不穩(wěn)定的高能激發(fā)狀態(tài)，在極短的時間內，很多外層電子會向內層空位躍遷，并釋放出多余的量子化的能量，產生特征輻射，轉化為特征X射線。由于原子核和各層電子間的結合能是固定的，臨界激發(fā)能也是固定的，特征X射線的能量與樣品的原子序列數(shù)存在某種函數(shù)關系，只要檢測出特征X射線的能量，也就能找到與其對應的原子序數(shù)，確定所測的元素。EDS就是采集樣品表面被激發(fā)出的特征X射線，輸出幅度與X射線能量成正比的電脈沖信號，對其進行處理，在顯示器上形成能譜圖，根據(jù)其譜峰的位置就可以確定樣品的元素組成，由各譜峰的強度可以計算出各元素的含量，進而達到定性分析或者定量分析的目的。

1.3 SEM/EDS

SEM和EDS通過組合，不僅可以進行微觀結構分析和準確的成分分析，而且還具有很強的圖像處理和圖像分析的功能。SEM/EDS組合分析是用聚焦的、很細的電子束照射被檢測試樣表面，用X射線能譜儀或波譜儀測量電子與試樣相互作用產生特征X射線的強度與波長，進而對微分區(qū)所含元素進行定性和定量分析，并可用二次電子或背散射電子對被檢測樣件表面進行形貌觀察。經過組合的SEM/EDS能夠按照檢測人員的意愿在需要的位置進行分析，減少了檢測的盲目性，是現(xiàn)代固體材料顯微分析（微區(qū)成分、形貌和結構分析）最有用的儀器之一，應用十分廣泛。

2 XPS分析技術

光電子能譜分析是研究材料表面信息的一種方法，它反映了固體表面材料以內1～10個原子層和在它上面的其他原子、分子、離子所形成的吸附層的信息。用X射線光電子能譜可檢測電極過程產物，可對材料表面狀態(tài)進行分析，并可分析電極表面涂層的組分及元素價態(tài)。X光電子能譜已經發(fā)展成為具有表面元素分析，化學態(tài)和能帶結構分析以及微區(qū)化學態(tài)成像分析等功能強大的表面分析儀器。

XPS主要由樣品引進系統(tǒng)、X射線激發(fā)光源、能量分析器、抽真空系統(tǒng)、樣品室、電子倍增器和記錄顯示儀等幾部分組成，其工作原理是當X射線與物質相互作用時，物質中原子某殼層的電子被激發(fā)，脫離原子而成為光電子（或俄歇電子等），出射的電子具有一定的能量，利用監(jiān)測器檢測其動能，經放大器記錄樣品中激發(fā)的X光電子能譜，參照已出版的XPS圖譜手冊，即可對材料表面進行分析。國際標準技術協(xié)會發(fā)行了NIST參考標準數(shù)據(jù)庫20版，這個XPS數(shù)據(jù)庫包含了13000條譜線位置、化學位移及其與1985年以前發(fā)表數(shù)據(jù)的差異，個人計算機即可使用這個數(shù)據(jù)庫，用于譜線特性的分析。

在進行定性分析時，主要是觀察XPS圖譜中元素的特征峰。每種元素的光電子能譜峰只與相應的量子數(shù)有關。通常，主量子數(shù)小的峰比主量子數(shù)大的峰強，內量子數(shù)大的峰比內量子數(shù)小的峰強。在實際測試中，一般選用元素最強峰作為其特征峰來鑒別元素。同時，通過測量X射線光電子譜的峰位位移，對比其標準XPS結合能數(shù)據(jù)譜圖，可以有效地推斷對應的元素化合物，即可以識別元素的化合態(tài)，進而精準的確定其化學成分。

XPS技術與SEM/EDS技術相比，除了可以進行元素的測定，還可以對化合態(tài)進行識別，但相對費用較高。同時，為了避免樣品表面吸附的氣體對測定的結果產生干擾，系統(tǒng)要求在超高真空條件下工作。由于XPS技術分析具有精度高、速度快等特點，已經成為近表面區(qū)域元素分析中應用最廣泛的技術之一。

3 案例分析

某型號的溫度傳感器使用裸露的鉑絲作為敏感元件，利用鉑金絲的材料特性，即鉑金絲的電阻隨溫度升降按線性規(guī)律變化實現(xiàn)測溫。在實際維修過程中，經常出現(xiàn)性能超差的情況，鉑絲的好壞是溫度傳感器性能的決定性因素。因此，為弄清楚溫度傳感器失效的原因，本案例選取了故障溫度傳感器的一段鉑絲，進行SEM/EDS和XPS分析。

3.1 SEM/EDS分析

將鉑絲樣品放置在掃描電鏡下觀察其表面微觀形態(tài)，如圖1所示。從圖中可見鉑絲表面確實存在不規(guī)則污染物，包括包裹物、絮狀物、類腐蝕物，且存在銀紋，可能對鉑絲的性能產生影響。

選取幾個具有代表性的微小區(qū)域進行定性分析和定量分析，給出相應區(qū)域的能譜分析譜圖，如圖2所示。圖2a）所示區(qū)域位于類腐蝕污染區(qū)域，圖2b）所示區(qū)域位于絮狀物區(qū)域，圖2c）所示區(qū)域位于包裹物區(qū)域。圖2d）所示區(qū)域位于表面黑斑區(qū)域，圖2e）所示區(qū)域位于鉑絲表面有銀紋的光滑區(qū)域。

根據(jù)能譜圖可見，表面附著物的元素含量復雜（含C、0、F、Na、Mg、Al、Si、S、Ni、Cu、Zr、Al、Pb、Cl、Pt等），但包裹物和絮狀物基本不含有Pt元素，類腐蝕物和斑點區(qū)域雖然檢測到Pt元素，但含量不高，有銀紋的光滑區(qū)域只含有Pt和C元素。表面附著物所含元素中C、0元素來自空氣的可能性很大，另外根據(jù)傳感器使用環(huán)境（進氣道內）以及產品的制造工藝（陶瓷涂層以及使用水玻璃進行了粘結），表面附著物中的大部分元素可能來自不同飛行環(huán)境的空氣和產品粘結劑，粗略判斷鉑絲受到污染，但污染物是否已經影響鉑絲的材料特性還需要進一步做XPS分析。

3.2 XPS分析

根據(jù)鉑金屬的材料特性，鉑絲表面發(fā)生氧化后，其電阻和分度會發(fā)生變化，為確定鉑絲是否發(fā)生了氧化，對上述鉑絲做進一步XPS分析。為避免電荷補償機制對結果產生影響，采用標準電荷補償和無電荷補償兩種模式對樣品進行分析，譜線圖如圖3、圖4所示。

可以看出，樣品表面含Pt、C、0，可能含有微量N、Cl、Na，Ca、Mg等其他元素由于含量過低沒有得到有效譜圖;根據(jù)Pt4f/7的峰位，補償結果更偏向于與其他金屬形成合金態(tài)的Pt，或者與某些特殊有機基團形成鍵合的Pt，而無補償結果更偏向很弱的氧化態(tài)或者略高于O價的狀態(tài)，但遠未達到Pt0的價態(tài)。兩種結果顯示，樣品Pt都接近于單質Pt的價態(tài)。樣品表面存在的C、0元素有可能來自樣品本身，但根據(jù)峰位和峰寬，也有可能是在空氣中吸附的污染C及含0基團，如C02、OH等，在空氣中暴露的樣品一般不存在C、0的可能性很小，只是吸附量因材料不同而有差異。可確定的是樣品鉑絲并未發(fā)生氧化。但是由于此次分析的樣品是截取了故障傳感器的一段鉑絲，未進行檢測的部位是否發(fā)生氧化可進一步檢測。

4 總結

本文通過對鉑絲樣品分析，簡單說明了SEM/EDS和XPS分析方法在機載溫度傳感器失效模式分析中的應用，為一些通過常規(guī)表觀現(xiàn)象分析不能解決的問題提供了一種可行的分析方法。在實際的飛機維修過程中，SEM/EDS和XPS分析技術可應用于金屬腐蝕、漆層脫落、粘合劑催化、電路板虛焊、復合材料損傷、油液成分分析等多方面的研究，作為一種非破壞性的表面分析手段，將在飛機維修失效模式分析的研究中發(fā)揮出更大的作用。

參考文獻

[1]特納，季明榮.表面分析：X射線光電子能譜學和俄歇電子能譜學[J].光譜實驗室' 1990（4）：147-167.

[2]曾毅，吳偉，劉紫微.低電壓掃描電鏡應用技術研究[M].上海科學技術出版社，2015.

[3]陳強，李晶，張繼紅，等.SEM/EDS分析在氫原子鐘吸氣劑表面檢測中的應用[C]//中國衛(wèi)星導航學術年會.2013.

[4]笪有仙.XPS在復合材料中的應用[J].復合材料學報，1994，11（4）：14-19.

[5]陳勝.SEM-EDS技術在表面成分分析中的應用[D].杭州電子科技大學，2015.

[6]胡正飛.XPS在金屬界面（表面）腐蝕研究中的應用[J].材料保護，1993（8）：7-10.