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。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進行成分分析，當需要進一步對元素價態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、電子光學系統、圖像顯示系統、信號檢測放大系統、真空系統和電源系統組成，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，與其發生相互作用，激發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，原子處于非常不穩定的高能激發狀態，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，臨界激發能也是固定的，特征X射線的能量與樣品的原子序列數存在某種函數關系，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，確定所測的元素。EDS就是采集樣品表面被激發出的特征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，是現代固體材料顯微分析（微區成分、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，可對材料表面狀態進行分析，并可分析電極表面涂層的組分及元素價態。X光電子能譜已經發展成為具有表面元素分析，化學態和能帶結構分析以及微區化學態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、X射線激發光源、能量分析器、抽真空系統、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，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，利用監測器檢測其動能，經放大器記錄樣品中激發的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。國際標準技術協會發行了NIST參考標準數據庫20版，這個XPS數據庫包含了13000條譜線位置、化學位移及其與1985年以前發表數據的差異，個人計算機即可使用這個數據庫，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有關。通常，主量子數小的峰比主量子數大的峰強，內量子數大的峰比內量子數小的峰強。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結合能數據譜圖，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，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律變化實現測溫。在實際維修過程中，經常出現性能超差的情況，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，如圖1所示。從圖中可見鉑絲表面確實存在不規則污染物，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域進行定性分析和定量分析，給出相應區域的能譜分析譜圖，如圖2所示。圖2a）所示區域位于類腐蝕污染區域，圖2b）所示區域位于絮狀物區域，圖2c）所示區域位于包裹物區域。圖2d）所示區域位于表面黑斑區域，圖2e）所示區域位于鉑絲表面有銀紋的光滑區域。

根據能譜圖可見，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，類腐蝕物和斑點區域雖然檢測到Pt元素，但含量不高，有銀紋的光滑區域只含有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，另外根據傳感器使用環境（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

根據鉑金屬的材料特性，鉑絲表面發生氧化后，其電阻和分度會發生變化，為確定鉑絲是否發生了氧化，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Pt4f/7的峰位，補償結果更偏向于與其他金屬形成合金態的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或者略高于O價的狀態，但遠未達到Pt0的價態。兩種結果顯示，樣品Pt都接近于單質Pt的價態。樣品表面存在的C、0元素有可能來自樣品本身，但根據峰位和峰寬，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?？纱_定的是樣品鉑絲并未發生氧化。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，為一些通過常規表觀現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揮出更大的作用。

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