AFM/SEM 二合一显微镜，一键精准定位，可视化磁性表征，为高性能复合材料研发破局

发布日期：2025-04-22

导语：

在航空航天、机械加工等高端工业领域，高性能复合材料如WC-Co的需求日益增长。然而，传统表征技术难以揭示其微观结构与性能的复杂关系。近日，Graz电子显微镜中心功能纳米制造部门负责人Harald Plank教授发表文章，详细介绍了关联显微技术（Correlative Microscopy）在WC-Co复合材料研发中的突破性应用，FusionScope^®作为其中的核心设备，为材料科学带来了全新的解决方案。

图1. AFM/SEM二合一显微镜

高性能复合材料的挑战与机遇

WC-Co复合材料以其优异的硬度和韧性著称，但其性能高度依赖于WC晶粒与Co粘结相的微观结构平衡。传统工艺中，高温烧结易导致晶粒粗化和元素扩散，进而影响材料性能。当前面临的主要挑战包括：

粘结相优化：Co相的分布与成分直接影响材料的韧性与硬度平衡。

磁性性能调控：W和C扩散导致的Co相成分变化可能引发局部磁性差异，进而影响材料性能。

化学蚀刻控制：表面Co相的精确蚀刻是后续涂层工艺的关键步骤，需确保一致性。

关联显微技术的革命性突破

为应对这些挑战，Plank教授团队采用将扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和磁力显微镜（MFM）技术集于一体的FusionScope^®平台，实现了从宏观到纳米尺度的多模态表征。其工作流程包括：

SEM精准导航：利用 FusionScope^® 中 SEM 的高分辨率成像能力，能够精确定位复合材料中的感兴趣区域，为后续的深入分析提供准确的目标。

AFM/MFM分析：借助 AFM 的高分辨率表面形貌成像和 MFM 对磁性的灵敏探测，深入揭示了Co相的纳米级分布及磁性变化。

EBSD与TEM验证：结合电子背散射衍射（EBSD）和透射电镜（TEM），对元素扩散情况和缺陷结构进行进一步验证分析。

下图2展示了MFM信号差异可指示Co相中W和C的扩散程度，而EBSD和TEM数据则为工艺优化提供直接依据。

图2. 研发复合材料加工利用FusionScope作为核心元素的相关显微镜。（a）SEM确定感兴趣的区域，随后进行AFM和MFM成像；（b）定位与Co相关的磁区；（c）同一区域的EBSD提供了全面的晶体取向数据，隔离了所需的Co相；（d）与MFM数据（e）的直接相关性突出了部分磁性Co相（黄色箭头）和非磁性Co相（白色箭头）；感兴趣的区域，如红色圆圈多标记的区域，精确地指导了基于TEM的元素映射和相关的高分辨率成像(f)，揭示了封装的最低磁性Co相的偏差，在这种情况下，FusionScope作为优化，质量控制和故障分析的核心工具是必不可少的。

FusionScope^®：材料研发的“全能助手”

FusionScope^®集成了复杂工作流程所需的功能，简化了导航、分析和将纳米级特性与互补技术相关联的过程，通过高分辨率的SEM成像进行精确导航，先进的MFM进行详细的磁性测绘，确保了关键信息的一致和对齐，它的设计最大限度地降低了技术转换期间不对齐活数据丢失风险，这对准确分析至关重要，主要优势包括：

多模态一体化精准分析：FusionScope^®将SEM、AFM、MFM等多种技术集成于同一平台，避免了传统多设备联用过程中可能出现的数据错位问题。

纳米级精度保障数据可靠：凭借SEM引导的靶向分析与MFM的高精度磁性映射功能，有效确保了数据准确性。

广泛应用场景：从工艺优化、质量控制到失效分析，覆盖材料研发全周期。

图3. 将FusionScope作为相关显微镜的核心工具，通过其特有的、完全集成的多模式功能，促进了感兴趣区域的识别和先进的表面表征。其纳米级的分辨率可在最初的步骤中精确对准样品，随后实施材料分析。

正如 Harald Plank 教授所言：“FusionScope^®不仅是工具，更是连接基础研究与工业应用的桥梁。它帮助我们揭示了WC-Co复合材料中以往无法观测的微观现象，为新材料设计提供了关键支持。”

未来展望

随着材料科学不断向纳米尺度发展，关联显微技术的重要性日益凸显。FusionScope^®凭借其超卓的灵活性与多功能性，在钢铁处理、新能源材料等领域展现出了广阔的应用前景。未来，Quantum Design将进一步探索其在3D纳米探针制造等前沿领域的应用潜力，推动产学研深度融合，为材料科学的发展注入新动力。

关于作者

Harald Plank教授任职于格拉茨工业大学，是“Christian Doppler实验室”主任，长期专注于功能纳米制造技术研发及工业转化。其团队凭借先进显微技术，为全球客户提供复杂材料问题的解决方案。