В обширной области материаловедения свойства материала в конечном счете зависят от его микроструктуры. От дефектов решетки на наноуровне до макроскопической формы поверхности каждая деталь оказывает глубокое влияние на механические, электрические, оптические и химические свойства материала. Поэтому точная и глубокая микроструктура поверхностного материала стала основным звеном в разработке новых материалов, оптимизации процесса и анализе отказов. В этой области конфокальный микроскоп превратился из биомедицинской технологии в мощную платформу для анализа материалов, которая с уникальной трехмерной способностью к неразрушающему обнаружению раскрывает слои тумана на поверхности материала и внутренней структуре.

I. От биологии к материалу: трансграничная интеграция принципов

Основной принцип конфокального микроскопа заключается в « конфокальности» и « точечном сканировании». В отличие от широкополосного освещения в традиционном оптическом микроскопе, он использует точечный источник света (обычно лазер), который сходится по высоте объектива и облучает минимальную точку на образце. Сигнальный свет, возбужденный этой точкой (например, отраженный свет, флуоресценция), снова проходит через объектив и фильтруется прецизионной иглой, расположенной перед детектором. Ключ к этой игле заключается в том, что она « сопряжена» с фокальной плоскостью объектива, то есть они разделяют один фокус.

Эта конструкция принесла революционное преимущество: пространственную фильтрацию. Только сигнальный свет, излучаемый из лазерной фокусировки, может эффективно проходить через иголки и захватываться детекторами, такими как фотоумножитель PMT. В то время как рассеянный свет над или ниже фокальной плоскости, удаленный от фокального света, блокируется подавляющим большинством, потому что он не может сходиться в месте иглы. Сканируя все поле зрения по точкам, а затем реконструируя его с помощью компьютера, вы в конечном итоге получите двухмерное изображение с чистым фоном и высоким контрастом. Далее, с помощью точного управления движением оси Z, получая серию двумерных оптических срезов различной глубины, можно воссоздать трехмерную форму образца без потерь.

По мере того, как технология переходит от прозрачных биологических образцов к непрозрачным, высокоотражающим и многокомпонентным образцам материалов, ее модели обнаружения меняются соответствующим образом. В материаловедении лазерный сканирующий микроскоп с общей фокусировкой в основном работает в режиме отражения. Лазер отражается на поверхности материала, и его прочность зависит от альбедо материала, наклона поверхности, шероховатости и химического состава. Измеряя интенсивность отраженного света в каждой точке, можно получить информацию о распределении химического состава поверхности и распределении фаз. Что еще более важно, с помощью сканирования оси Z и трехмерной реконструкции можно получить трехмерные морфологические данные с точностью наноуровня поверхности образца.

II. Основные виды применения: различные традиционные средства анализа материалов

1. Анализ морфологии и шероховатости трехмерной поверхности

Это прямое и широкое применение конфокального микроскопа в материаловедении. Традиционные контактные контуры царапают мягкие образцы, в то время как атомно - силовой микроскоп имеет ограниченный диапазон сканирования. Совокупно сфокусированный микроскоп восполняет пробел между ними - он обеспечивает как бесконтактные, неразрушающие измерения, так и вертикальное разрешение на наноуровне в большом поле зрения.

Примеры применения: в области механической обработки, используется для точной оценки шероховатости поверхности ключевых компонентов, таких как нож, подшипник и шестерня, а также для анализа эффекта шлифования, полировки, шлифования и других процессов. В области покрытия можно количественно оценить выравнивание поверхности покрытия, эффект апельсиновой коры и т. Д. Связь с внешним видом, коррозионной стойкостью. Он может обеспечить десятки трехмерных параметров шероховатости, включая арифметическую среднюю шероховатость, среднеквадратичную шероховатость и значение пиковой долины, что намного превосходит двумерный профильный анализ.

2. Анализ тонких пленок и многослойных структур

Современные функциональные материалы часто используют многослойные тонкопленочные структуры, такие как полупроводниковые чипы, оптические пленки, фотоэлектрические батареи, панели отображения и так далее. Его способность « оптически срезать» позволяет проводить анализ сечения прозрачных или многослойных структур без физической резки.

Пример применения: при разработке OLED - дисплея толщина каждого органического функционального слоя может быть определена равномерно, есть ли дефекты или загрязнение. В интегральных схемах можно наблюдать трехмерную форму диэлектрического слоя и фотолитографии. С помощью определенных флуоресцентных красителей можно даже отметить и наблюдать распределение и интерфейс различных фаз композита.

3. Поверхность разрыва и анализ отказов

Форма излома после разрыва материала содержит богатую информацию о механизме разрушения (например, вязкий разрыв, хрупкий разрыв, усталостный разрыв). Трехмерная реконструктивная способность конфокального микроскопа может точно измерять расстояние между усталостными сияниями на изломе, размер и глубину вязкого гнезда, тем самым отражая скорость расширения трещины и условия напряжения.

Пример применения: анализ лопатки авиационного двигателя с разрывом во время службы. Благодаря трехмерной визуализации можно четко определить морфологические характеристики зоны источника, зоны расширения и зоны мгновенного разрыва, точно измерить глубину и угол источника трещины и предоставить интуитивные доказательства для определения причины аварии и структурных улучшений. Его глубокое преимущество позволяет даже очень неровным изломам получать целостное четкое изображение.

4. Изучение износа, коррозии и процессов

Комфокальный микроскоп - это инструмент для изучения динамических процессов. Сканирование временных рядов в одной и той же области позволяет количественно отслеживать эволюцию поверхности материала.

Примеры применения:

Тест на износ: в исследованиях трения можно регулярно сканировать поверхность фрикционной пары, точно количественно измерять ширину, глубину и потерю объема шлифовальных следов, контролировать процесс износа в режиме реального времени.

Исследования коррозии: наблюдение за процессами зарождения, роста и слияния металлических материалов в коррозионной среде, точечных ямах коррозии. С помощью трехмерных измерений можно рассчитать скорость коррозии и распределение глубины ямы для оценки коррозионной стойкости материала.

Изучение фазовых переходов: Для некоторых материалов, которые могут подвергаться фазовым переходам при изменении температуры, можно использовать конфокальный микроскоп для наблюдения за формированием и изменением эффекта выпуклости поверхности и изучения динамических процессов фазовых переходов.

5. Измерение размеров и обратная инженерия

В области прецизионного производства конфокальный микроскоп играет роль высокоточной трехмерной координатной измерительной машины. Он обеспечивает быстрый доступ к полным трехмерным точечным облачным данным сложных микродеталей, таких как устройства MEMS, микроинъекционные формы, медицинские устройства.

Примеры применения: для измерения расстояния зуба, высоты зуба, апертуры и глубины микропористой решетки микрошестерни, чтобы убедиться, что она соответствует проектным допускам. В реверсивной инженерии можно сканировать существующий образец без потерь, чтобы получить его точную трехмерную модель для копирования, улучшения или оцифровки архива.

Сравнительные преимущества с другими технологиями

vs. Сканирующий электронный микроскоп: SEM обеспечивает более высокое разрешение и большую глубину обзора, но обычно требует вакуумной среды и проводящего покрытия, что затрудняет анализ нефтесодержащих, водных или мягких биоматериалов / высокомолекулярных материалов. Микроскоп с общей фокусировкой имеет очень низкие требования к подготовке образцов, не требует вакуума, обрабатывает более крупные и толстые образцы и обеспечивает точные трехмерные данные о форме, в то время как трехмерная реконструкция SEM является более сложной и недостаточно прямой.

vs. Атомно - силовой микроскоп: AFM имеет разрешение атомного уровня, но диапазон сканирования очень мал (обычно несколько десятков микрон), скорость сканирования медленная, а зонд рискует изнашиваться и повредить мягкий образец. Микроскоп с общей фокусировкой имеет очевидные преимущества с точки зрения скорости, измерения большого поля зрения и неразрушающей способности.