微結構分析

微結構分析方法主要有光電子能譜技術、光譜分析技術、顯微分析技術、X射線分析技術等。光電子能譜技術包括X光電子能譜(XPS)和俄歇光電子能譜(AES)；光譜分析掛術包括紅外光譜(IR)和Raman光譜；顯微分析技術中有掃描隧道顯微鏡(STM)，原子力顯微鏡(AFM)及掃描和透射電子顯微鏡(SEM、TEM)；X射線分析技術主要是X射線衍射(XRD)。

X光電子能譜：是電子材料 與元器件顯微分析中的一種先進分析技術，而且是和俄歇電子能譜技術（AES）常常配合使用的分析技術。由於它可以比俄歇電子能譜技術更準確地測量原子的內層電子束縛能及其化學位移，所以它不但為化學研究提供分子結構和原子價態方面的信息，還能為電子材料研究提供各種化合物的元素組成和含量、 化學狀態、分子結構、 化學鍵方面的信息。它在分析電子材料時，不但可提供總體方面的化學信息，還能給出表面、微小區域和深度分佈方面 的信息。 另外，因為 入射到樣品表面的X射線束是一種光子束，所以對樣品的破壞性非常小。這一點對分析有機材料和高分子材料非常有利。

俄歇光電子能譜（Auger electron spectroscopy，簡稱AES）：是一種表面科學和材料科學的分析技術。因此技術主要藉由俄歇效應進行分析而命名之。這種效應系產生於受激發的原子的外層電子跳至低能階所放出的能量被其他外層電子吸收而使後者逃脱離開原子，這一連串事件稱為俄歇效應，而逃脱出來的電子稱為俄歇電子。1953年，俄歇電子能譜逐漸開始被實際應用於鑑定樣品表面的化學性質及組成的分析。其特點在俄歇電子來自淺層表面，僅帶出表面的資訊，並且其能譜的能量位置固定，容易分析。

紅外光譜：分子能選擇性吸收某些波長的紅外線，而引起分子中振動能級和轉動能級的躍遷，檢測紅外線被吸收的情況可得到物質的紅外吸收光譜，又稱分子振動光譜或振轉光譜。

Raman光譜：是一種散射光譜。拉曼光譜分析法是基於印度科學家C.V.拉曼（Raman）所發現的拉曼散射效應，對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉動方面信息，並應用於分子結構研究的一種分析方法。

掃描隧道顯微鏡：作為一種掃描探針顯微術工具，掃描隧道顯微鏡可以讓科學家觀察和定位單個原子，它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的分辨率。此外，掃描隧道顯微鏡在低温下（4K）可以利用探針尖端精確操縱原子，因此它在納米科技既是重要的測量工具又是加工工具。

原子力顯微鏡：一種可用來研究包括絕緣體在內的固體材料表面結構的分析儀器。它通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質的表面結構及性質。將一對微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發生形變或運動狀態發生變化。掃描樣品時，利用傳感器檢測這些變化，就可獲得作用力分佈信息，從而以納米級分辨率獲得表面形貌結構信息及表面粗糙度信息。

透射電子顯微鏡：可以看到在光學顯微鏡下無法看清的小於0.2um的細微結構，這些結構稱為亞顯微結構或超微結構。要想看清這些結構，就必須選擇波長更短的光源，以提高顯微鏡的分辨率。1932年Ruska發明了以電子束為光源的透射電子顯微鏡，電子束的波長要比可見光和紫外光短得多，並且電子束的波長與發射電子束的電壓平方根成反比，也就是説電壓越高波長越短。TEM的分辨力可達0.2nm。

X射線衍射：當一束單色X射線入射到晶體時，由於晶體是由原子規則排列成的晶胞組成，這些規則排列的原子間距離與入射X射線波長有X射線衍射分析相同數量級，故由不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產生強X射線衍射，衍射線在空間分佈的方位和強度，與晶體結構密切相關，每種晶體所產生的衍射花樣都反映出該晶體內部的原子分配規律。這就是X射線衍射的基本原理。 ^[1] 

工業金剛石作為一種工具材料，具有高硬度、高導熱性、低摩擦係數、低熱膨脹係數、高耐磨性和高強度等優異性能，廣泛地應用在機械加工、石材加工、建材、航空航天、新材料加工、汽車等領域。由於金剛石的可焊性極差，用普通的焊接方法不可能實現金剛石與其他材料的連接，這極大地影響了金剛石工具的使用性能及壽命。因此，開發出能牢固連接金剛石與其他金屬的焊接工藝及焊接材料十分必要。根據理論分析及文獻報道，碳化物形成元素如Ti，Cr ，Mo ，W等可實現共價鍵的金剛石晶體與金屬鍵的金屬間冶金結合，提高結合劑對金剛石顆粒的把持力，改善這類工具的使用性能。

研究用Ni-Cr合金活性釺料作為連接材料，對金剛石與鋼基體的焊接做了一些工作。主要是通過選擇適當Ni-Cr合金活性釺料釺焊金剛石，使其與金剛石中的碳元素形成碳化物，在一定的温度、保温時間及真空度下對金剛石與基體金屬進行釺焊。藉助釺料的熔化和擴散作用使金剛石與金屬基體間形成牢固的冶金連接。

國內文獻尚未報道金剛石釺焊後的碳化物形貌、結構。對金剛石試樣深腐蝕後進行測試分析，可避免釺料中物相的干擾，以期探索更好的釺焊工藝，更合理的釺料成分。

選用GB/T6405-94標準SMD40/50無鍍膜金剛石，釺料為Ni-Cr合金。金剛石直接排布在Ni-Cr合金上，真空爐內釺焊，控制爐內真空度<0.1Pa。另外尚要控制的就是釺焊的工藝參數和條件，包括釺料的組分配方、適合於釺料組分的最佳釺焊温度和保温時間以及升降温速度等。

測試分析方法：用日本電子公司(JEOL)JSM-6300型掃描電鏡(SEM)及美國KEVEX公司X射線能譜儀(EDS)對深腐蝕後的金剛石進行形貌觀察，並用X射線能譜儀對碳化物做了定點分析。用日本Shimadzu公司的XD-3A型X射線衍射儀(Cu靶，V=40kV ，I=30mA ，GPS=1k)作結構分析，確定碳化物類型。

（1）合金釺料成分對連接強度的影響

因為金剛石與一般的金屬或合金之間具有很高的界面能，致使金剛石顆粒不能為一般低熔點合金所浸潤，根據理論分析及文獻報道，強碳化物形成元素如Ti，Cr，W等在一定條件下可與金剛石的C元素在金剛石表面形成碳化物。這是因為Cr的碳化物生成熱低於金剛石的生成熱。本實驗選用Ni-Cr合金旨在金剛石表面形成碳化物，使其連接牢固。圖2是釺焊後的金剛石形貌，可以看出，釺料對金剛石的浸潤良好，沒有發現金剛石脱落且連接牢固，結合劑層的厚度均勻，鉻元素是中碳化物形成元素，當碳化物形成後，不僅可以降低內界面張力，而且能促進合金元素向內界面輸送，在金剛石表面形成富鉻層。使金剛石與鉻持續地發生碳化物反應。合金材料正是通過金剛石界面上的碳化物層強有力地把持住金剛石。

（2）碳化物形貌及形成機理

圖3是釺焊金剛石試樣深腐蝕後金剛石的SEM形貌照片，這樣可避免釺料對金剛石表面分析的干擾。藉助掃描電鏡發現金剛石晶粒表面有一層呈銀色的物質存在，見圖3(a) ，且原來金剛石表面的生長台階由於釺料與金剛石界面反應而變得平滑園鈍，減少了應力集中，使金剛石強化。藉助X射線能譜儀對其表面作定點元素分析，見圖4。可以看出金剛石表面形成一層鉻的碳化物層，説明碳化物在金剛石母晶上有很強的附着力，不僅有較好的熱穩定性，而且金剛石具有了金屬的特性。從能譜圖(圖4)可知金剛石表面鉻元素含量達80%以上，這是由於在高温下隨保温時間延長，金剛石表面的碳原子向合金擴散，在含碳區域因與碳化合反應，Cr的活度下降，從而使該區域Cr的化學勢降低，促使化學勢較高的外圍Cr原子繼續向界面遷移，使得Cr在金剛石表面富集。

（3）界面生成物的結構分析

從圖3可以看出，生成的碳化物呈筍狀生長，牢固地長在金剛石的表面，其直徑大約是1μm。為了確證碳化物類型，進一步做了X射線衍射結構分析，從圖5可以看出其主相是金剛石和Cr₇C₃和Cr₃C₂。這一結果與能譜儀定點成分分析結果相一致。由此可以充分肯定發生了化學反應，且形成類似纖維碳化物 金屬基複合材料的結構，這是釺焊形成高強度結合的原因。

(1)Ni-Cr合金釺焊後，鉻在金剛石表面富集，形成鉻的碳化物，類型為Cr₇C₃和Cr₃C₂。

(2)金剛石表面的碳化物呈筍狀分佈，是實現牢固冶金結合的保證。

(3)通過對比試驗，進一步驗證了釺焊砂輪具有更加牢固的結合強度。 ^[2]