二合一顯微鏡，一鍵精準定位，可視化磁性表征，為高性能復合材料研發破局

導語：

在航空航天、機械加工等高科技工業領域，高性能復合材料如WC-Co的需求日益增長。然而，傳統表征技術難以揭示其微觀結構與性能的復雜關系。近日，Graz電子顯微鏡中心功能納米制造部門負責人Harald Plank教授發表文章，詳細介紹了關聯顯微技術（Correlative Microscopy）在WC-Co復合材料研發中的突破性應用，FusionScope^®作為其中的核心設備，為材料科學帶來了全新的解決方案。

圖1. AFM/SEM二合一顯微鏡

高性能復合材料的挑戰與機遇

WC-Co復合材料以其優異的硬度和韌性著稱，但其性能高度依賴于WC晶粒與Co粘結相的微觀結構平衡。傳統工藝中，高溫燒結易導致晶粒粗化和元素擴散，進而影響材料性能。當前面臨的主要挑戰包括：

粘結相優化：Co相的分布與成分直接影響材料的韌性與硬度平衡。

磁性性能調控：W和C擴散導致的Co相成分變化可能引發局部磁性差異，進而影響材料性能。

化學蝕刻控制：表面Co相的精確蝕刻是后續涂層工藝的關鍵步驟，需確保一致性。

關聯顯微技術的革命性突破

為應對這些挑戰，Plank教授團隊采用將掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）和磁力顯微鏡（MFM）技術集于一體的FusionScope^®平臺，實現了從宏觀到納米尺度的多模態表征。其工作流程包括：

SEM精準導航：利用 FusionScope^® 中 SEM 的高分辨率成像能力，能夠精確定位復合材料中的感興趣區域，為后續的深入分析提供準確的目標。

AFM/MFM分析：借助 AFM 的高分辨率表面形貌成像和 MFM 對磁性的靈敏探測，深入揭示了Co相的納米級分布及磁性變化。

EBSD與TEM驗證：結合電子背散射衍射（EBSD）和透射電鏡（TEM），對元素擴散情況和缺陷結構進行進一步驗證分析。

下圖2展示了MFM信號差異可指示Co相中W和C的擴散程度，而EBSD和TEM數據則為工藝優化提供直接依據。

圖2. 研發復合材料加工利用FusionScope作為核心元素的相關顯微鏡。（a）SEM確定感興趣的區域，隨后進行AFM和MFM成像；（b）定位與Co相關的磁區；（c）同一區域的EBSD提供了全面的晶體取向數據，隔離了所需的Co相；（d）與MFM數據（e）的直接相關性突出了部分磁性Co相（黃色箭頭）和非磁性Co相（白色箭頭）；感興趣的區域，如紅色圓圈多標記的區域，精確地指導了基于TEM的元素映射和相關的高分辨率成像(f)，揭示了封裝的最低磁性Co相的偏差，在這種情況下，FusionScope作為優化，質量控制和故障分析的核心工具是至關重要的。

FusionScope^®：材料研發的“全能助手”

FusionScope^®集成了復雜工作流程所需的功能，簡化了導航、分析和將納米級特性與互補技術相關聯的過程，通過高分辨率的SEM成像進行精確導航，先進的MFM進行詳細的磁性測繪，確保了關鍵信息的一致和對齊，它的設計最大限度地降低了技術轉換期間不對齊活數據丟失風險，這對準確分析至關重要，主要優勢包括：

多模態一體化精準分析：FusionScope^®將SEM、AFM、MFM等多種技術集成于同一平臺，避免了傳統多設備聯用過程中可能出現的數據錯位問題。

納米級精度保障數據可靠：憑借SEM引導的靶向分析與MFM的高精度磁性映射功能，有效確保了數據準確性。

廣泛應用場景：從工藝優化、質量控制到失效分析，覆蓋材料研發全周期。

圖3. 將FusionScope作為相關顯微鏡的核心工具，通過其特有的、完全集成的多模式功能，促進了感興趣區域的識別和先進的表面表征。其納米級的分辨率可在最初的步驟中精確對準樣品，隨后實施材料分析。

正如 Harald Plank 教授所言：“FusionScope”不僅是工具，更是連接基礎研究與工業應用的橋梁。它幫助我們揭示了WC-Co復合材料中以往無法觀測的微觀現象，為新材料設計提供了關鍵支持。”

未來展望

隨著材料科學不斷向納米尺度發展，關聯顯微技術的重要性日益凸顯。FusionScope^®憑借其超卓的靈活性與多功能性，在鋼鐵處理、新能源材料等領域展現出了廣闊的應用前景。未來，Quantum Design將進一步探索其在3D納米探針制造等前沿領域的應用潛力，推動產學研深度融合，為材料科學的發展注入新動力。

關于作者

Harald Plank教授任職于格拉茨工業大學，是“Christian Doppler實驗室”主任，長期專注于功能納米制造技術研發及工業轉化。其團隊憑借先進顯微技術，為全球客戶提供復雜材料問題的解決方案。