SEM／EDS和XPS技术在航空维修失效模式分析中的应用

刘育红 陈阳

摘要：介绍了SEMlEDS和XPS分析技术的原理，以及用SEMlEDS和XPS技术对机载温度传感器铂金丝表面进行检测的技术应用，为温度传感器失效模式分析提供依据。该技术在航空修理进行故障原因分析中有着更为广泛的应用前景。

关键词：SEM：EDS; XPS;失效模式

随着航空航天技术的发展以及精密机械学科的进步，航空维修也越来越趋向于精细化修理，对产品的故障分析也越来越深入，对机件关键材料的失效原因分析，吸引着广大航空维修工作者研究，扫描电子显微镜（ SEM）和X射线能谱仪（EDS）是当前材料分析领域较为常见的两种分析设备，基本上是组合使用的，功能非常强大，既能观察样品表面形貌又能对微分区进行成分分析，当需要进一步对元素价态变化进行分析的时候可以使用X射线光电子能谱（ XPS）分析方法。

1 SEM/EDS组合分析技术

1.1 SEM

SEM由偏转系统、电子光学系统、图像显示系统、信号检测放大系统、真空系统和电源系统组成，以观察试样表面形貌特征为主，图像的分辨率高、景深大，可提供直观的三维图像。其工作原理是利用高能电子束经过样品上方扫描线圈的作用，对样品表面进行扫描。当高速电子束轰击在样品表面，与其发生相互作用，激发出蕴含各种不同信息的物理信号，信号强度随样品表面形貌、特征和电子束强度的变化而变化。通过收集各种特征信号，按照不同要求，对其中的某些特定的物理信号进行检出和放大处理，改变加在阴极射线管（CRT）两端的电子束强度，使之在CRT荧光屏上能够显示出反映样品表面某些特征的扫描图像。

1.2 EDS

EDS主要由主放大器和前置放大器、半导体探测器、脉冲处理器、计算机等几部分组成，主要是利用特征X射线所包含的特征信息进行元素分析。其工作原理是利用高速电子轰击在样品的表面，使内层的电子脱离原子，在内层上产生空位，此时，原子处于非常不稳定的高能激发状态，在极短的时间内，很多外层电子会向内层空位跃迁，并释放出多余的量子化的能量，产生特征辐射，转化为特征X射线。由于原子核和各层电子间的结合能是固定的，临界激发能也是固定的，特征X射线的能量与样品的原子序列数存在某种函数关系，只要检测出特征X射线的能量，也就能找到与其对应的原子序数，确定所测的元素。EDS就是采集样品表面被激发出的特征X射线，输出幅度与X射线能量成正比的电脉冲信号，对其进行处理，在显示器上形成能谱图，根据其谱峰的位置就可以确定样品的元素组成，由各谱峰的强度可以计算出各元素的含量，进而达到定性分析或者定量分析的目的。

1.3 SEM/EDS

SEM和EDS通过组合，不仅可以进行微观结构分析和准确的成分分析，而且还具有很强的图像处理和图像分析的功能。SEM/EDS组合分析是用聚焦的、很细的电子束照射被检测试样表面，用X射线能谱仪或波谱仪测量电子与试样相互作用产生特征X射线的强度与波长，进而对微分区所含元素进行定性和定量分析，并可用二次电子或背散射电子对被检测样件表面进行形貌观察。经过组合的SEM/EDS能够按照检测人员的意愿在需要的位置进行分析，减少了检测的盲目性，是现代固体材料显微分析（微区成分、形貌和结构分析）最有用的仪器之一，应用十分广泛。

2 XPS分析技术

光电子能谱分析是研究材料表面信息的一种方法，它反映了固体表面材料以内1～10个原子层和在它上面的其他原子、分子、离子所形成的吸附层的信息。用X射线光电子能谱可检测电极过程产物，可对材料表面状态进行分析，并可分析电极表面涂层的组分及元素价态。X光电子能谱已经发展成为具有表面元素分析，化学态和能带结构分析以及微区化学态成像分析等功能强大的表面分析仪器。

XPS主要由样品引进系统、X射线激发光源、能量分析器、抽真空系统、样品室、电子倍增器和记录显示仪等几部分组成，其工作原理是当X射线与物质相互作用时，物质中原子某壳层的电子被激发，脱离原子而成为光电子（或俄歇电子等），出射的电子具有一定的能量，利用监测器检测其动能，经放大器记录样品中激发的X光电子能谱，参照已出版的XPS图谱手册，即可对材料表面进行分析。国际标准技术协会发行了NIST参考标准数据库20版，这个XPS数据库包含了13000条谱线位置、化学位移及其与1985年以前发表数据的差异，个人计算机即可使用这个数据库，用于谱线特性的分析。

在进行定性分析时，主要是观察XPS图谱中元素的特征峰。每种元素的光电子能谱峰只与相应的量子数有关。通常，主量子数小的峰比主量子数大的峰强，内量子数大的峰比内量子数小的峰强。在实际测试中，一般选用元素最强峰作为其特征峰来鉴别元素。同时，通过测量X射线光电子谱的峰位位移，对比其标准XPS结合能数据谱图，可以有效地推断对应的元素化合物，即可以识别元素的化合态，进而精准的确定其化学成分。

XPS技术与SEM/EDS技术相比，除了可以进行元素的测定，还可以对化合态进行识别，但相对费用较高。同时，为了避免样品表面吸附的气体对测定的结果产生干扰，系统要求在超高真空条件下工作。由于XPS技术分析具有精度高、速度快等特点，已经成为近表面区域元素分析中应用最广泛的技术之一。

3 案例分析

某型号的温度传感器使用裸露的铂丝作为敏感元件，利用铂金丝的材料特性，即铂金絲的电阻随温度升降按线性规律变化实现测温。在实际维修过程中，经常出现性能超差的情况，铂丝的好坏是温度传感器性能的决定性因素。因此，为弄清楚温度传感器失效的原因，本案例选取了故障温度传感器的一段铂丝，进行SEM/EDS和XPS分析。

3.1 SEM/EDS分析

将铂丝样品放置在扫描电镜下观察其表面微观形态，如图1所示。从图中可见铂丝表面确实存在不规则污染物，包括包裹物、絮状物、类腐蚀物，且存在银纹，可能对铂丝的性能产生影响。

选取几个具有代表性的微小区域进行定性分析和定量分析，给出相应区域的能谱分析谱图，如图2所示。图2a）所示区域位于类腐蚀污染区域，图2b）所示区域位于絮状物区域，图2c）所示区域位于包裹物区域。图2d）所示区域位于表面黑斑区域，图2e）所示区域位于铂丝表面有银纹的光滑区域。

根据能谱图可见，表面附着物的元素含量复杂（含C、0、F、Na、Mg、Al、Si、S、Ni、Cu、Zr、Al、Pb、Cl、Pt等），但包裹物和絮状物基本不含有Pt元素，类腐蚀物和斑点区域虽然检测到Pt元素，但含量不高，有银纹的光滑区域只含有Pt和C元素。表面附着物所含元素中C、0元素来自空气的可能性很大，另外根据传感器使用环境（进气道内）以及产品的制造工艺（陶瓷涂层以及使用水玻璃进行了粘结），表面附着物中的大部分元素可能来自不同飞行环境的空气和产品粘结剂，粗略判断铂丝受到污染，但污染物是否已经影响铂絲的材料特性还需要进一步做XPS分析。

3.2 XPS分析

根据铂金属的材料特性，铂丝表面发生氧化后，其电阻和分度会发生变化，为确定铂丝是否发生了氧化，对上述铂丝做进一步XPS分析。为避免电荷补偿机制对结果产生影响，采用标准电荷补偿和无电荷补偿两种模式对样品进行分析，谱线图如图3、图4所示。

可以看出，样品表面含Pt、C、0，可能含有微量N、Cl、Na，Ca、Mg等其他元素由于含量过低没有得到有效谱图;根据Pt4f/7的峰位，补偿结果更偏向于与其他金属形成合金态的Pt，或者与某些特殊有机基团形成键合的Pt，而无补偿结果更偏向很弱的氧化态或者略高于O价的状态，但远未达到Pt0的价态。两种结果显示，样品Pt都接近于单质Pt的价态。样品表面存在的C、0元素有可能来自样品本身，但根据峰位和峰宽，也有可能是在空气中吸附的污染C及含0基团，如C02、OH等，在空气中暴露的样品一般不存在C、0的可能性很小，只是吸附量因材料不同而有差异。可确定的是样品铂丝并未发生氧化。但是由于此次分析的样品是截取了故障传感器的一段铂丝，未进行检测的部位是否发生氧化可进一步检测。

4 总结

本文通过对铂丝样品分析，简单说明了SEM/EDS和XPS分析方法在机载温度传感器失效模式分析中的应用，为一些通过常规表观现象分析不能解决的问题提供了一种可行的分析方法。在实际的飞机维修过程中，SEM/EDS和XPS分析技术可应用于金属腐蚀、漆层脱落、粘合剂催化、电路板虚焊、复合材料损伤、油液成分分析等多方面的研究，作为一种非破坏性的表面分析手段，将在飞机维修失效模式分析的研究中发挥出更大的作用。

参考文献

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