电子显微镜正在催生新一代更轻、更耐用的金属

来源：赛默飞世尔材料与结构分析分类：商机 2023-08-13 10:49:24 105阅读次数

从桥梁和摩天大楼到发动机和工具，再到汽车和飞机，金属材料是经济繁荣的支柱。事实上，随着全

球人口的增长和经济的发展，我们对铝、铜、铅、锂、钛和其他金属的需求也在持续增加。

随着世界经济的活跃，需要更高性能的合金来推进工业生产，更省油的汽车也需要轻质合金材料，更牢固的内部结构需要耐用、无腐蚀性的合金。人们正在寻找新的合金来开发能够承受极端天气的导弹、卫星和军舰。

发现金属性能的秘密

为了实现这些目标，研究机构和企业正在努力创造更轻、更强、更耐用、更耐腐蚀的合金。在扫描和投射电子显微镜以及其他多模态数据采集技术的帮助下，他们正在发现合金在多个尺度上性能的秘密，为创新应用开辟了新的机会。

纵观历史，人类很早就知道在金属中添加少量其他元素形成合金可以极大地改变其性能。例如，在青铜器时代，古人在铜中添加锡来制造工具和武器。后来，古罗马人和古代中国人把锡和水银混合起来制造镜子和盔甲。

如今，科学家可以在原子级别上研究合金，从而更深入地了解其物理特性以及它们在现实条件下的表现。通过在多个尺度上观察合金的结构和成分，研究人员可以在它们活跃的区域环境中发现微小的缺陷。

为各种应用设计更好的合金

英国亨利·罗伊斯先进材料研究所是一家使用电子和聚焦等离子体离子束显微镜和飞秒激光来探索金属和合金的研究机构，该研究所的研究人员正在开发用于交通运输、航空航天、核能和医疗保健领域的高性能金属。通过研究形成不同合金的元素之间的关系，研究人员可以更好地了解合金分解的原因。同时又推动了新型、高度灵活性合金的设计，这些合金对环境的影响较小，并可以用较低的成本开发。

为了评估合金的性能，亨利·罗伊斯研究所的研究人员正在使用一系列电子和 X 射线显微镜以及相关显微镜技术对合金进行三维表征，这些技术使他们能够检测合金至纳米级别。科学家们利用相关的工作流程来协调他们的研究，在显微镜之间无缝传递样品，使他们能够使用不同的分辨率和视角来研究合金的性能。

以航空发动机增材制造的 Inconel 718 测试部件为例，研究人员可能希望使用 3D 微 X 射线计算机断层扫描来检查大型缺陷、裂缝和部件缺陷，以无损方式来检查其形态并确定进一步研究的位置使用 DualBeam 或 TriBeam 系统（FIB-SEM、PFIB-SEM、fs-Laser-PFIB-SEM），他们可以以更高的分辨率在 3D 环境下探索合金的微观结构和成分。此外，在透射电子显微镜（TEM）的帮助下，他们可以在原子分辨率下检测感兴趣的微小区域，例如裂纹的尖端。研究人员还可以使用 Avizo 软件等图像处理软件处理和可视化图像。利用多尺度相关成像技术，研究人员正在为制造未来的合金实现必要的微小改进。

图像显示了应用于 IN718 增材制造样品的相关显微镜和断层扫描技术的结果。(a) X 射线显微 CT 扫描后的可视化；(b) 高分辨率显微 CT 扫描后的可视化；(c) 综合多模态数据的可视化；d) 裂纹尖端的分段和可视化，包括 TEM 研究 (e) 和 (f) 三束连续扫描的材料体积，与大的开放裂纹，分段和可视化。

亨利·罗伊斯研究所首席科学家、皇家教授菲利普·威瑟斯 (Philip Withers) 解释说：“我感兴趣的是东西为何会断裂？” 利用多尺度成像技术，科学家们可以在微观层面上检查故障，并了解它们如何导致更大的缺陷，最终导致故障。“如果你想了解从原子级别的缺陷到最后灾难性失败的过程，你需要将很多幅不同的眼镜连起来看。” 他说。

创造未来的合金

亨利·罗伊斯研究所和全球其他机构的科学家们已经取得了重大突破。多亏了今天的研究人员，高熵合金正被用于建造更具抗损坏性的核电站。镍基超级合金正在被改进，以开发更耐热的喷气发动机部件。人们正在开发轻质镁合金，以制造更省油的汽车；钛合金也被用于设计更坚固、更耐腐蚀的医疗植入材料。

罗伊斯研究所的成立是为了加速发明和采用新材料系统，以应对全球挑战，提高工业生产力和竞争力，并改进我们的世界。

-----亨利·罗伊斯首席科学家

雷吉斯教授菲利普·威瑟斯