AFM方法定量研究金属材料中的纳米析出相

对新型电子和功能材料的重视，以及对更轻重量和更可持续结构材料的需求，大大推动了聚合物、2D材料和陶瓷等材料的研究。然而，从飞机发动机到家用电器的众多工程应用仍然依赖于金属的高强度和耐用性。因此，金属材料的研究一直持续进行中，而且新材料及其新工艺的开发仍是当下材料界的研究热点，包括高品质高强钢、不锈钢、耐热钢及高温合金等材料[1-4]。大多数金属材料工程应用中必须考虑其强度和韧性。纳米级的第二相弥散强化既能够提高材料强度，又能改善材料韧性的方法之一，因此它对开发新的高性能材料非常有帮助，引起研究者的兴趣。目前，已经有文献报道纳米析出相Nanoprecipitates（NPs）可以大大提高材料的力学性能、耐蚀性、高温性能等。

金属材料的性能强化机理与第二相的特征参数及分布有着密切的关系，很多材料强度计算模型也是基于第二相尺寸及百分含量进行计算的。如Friedel和Orowan模型，

Friedel切过机制模型:

其中r为粒子半径，f为析出相体积分数

Orowan绕过机制模型:

其中d为粒子半径

上述模型说明材料的屈服强度与其内部第二相粒子的平均直径密切相关。此外，纳米析出物类型、尺寸和数量等对疲劳、蠕变等力学性能也有较大影响。因此 NPs的定量表征工作尤为重要。特别是基于当前众多材料均是利用NPs改善材料的力学性能、耐蚀性能、耐热性能、韧性等，析出相定量工作具有较为广泛的实际应用意义，简便、高效定量测试方法的开发工作尤为必要。金属材料的表面形貌与材料的服役过程中表面摩擦行为、腐蚀行为等密不可分，因此对表面形貌的定量分析显得极为有意义。同时金属材料里面的纳米析出相的力学性能一直是材料力学表征的难点，主要受限于尺寸问题，使得众多力学测量设备无能为力。而标准AFM的探针曲率半径为10nm左右，牛津AFM的AMFM技术可以完美解决金属纳米析出物的定量力学问题。

表面形貌的定量统计

目前， 传统的金属材料NPs的研究主要使用XRD，SEM和TEM。其中，XRD可以表征NPs平均尺寸，但仅能给出粒度范围，尺寸定量精度有限，无法同时获得NPs在材料内的分布。SEM可以表征NPs，但统计结果容易受到表面起伏的影响。由于材料表面腐蚀原因造成某些部位凸起也有可能被统计成析出物颗粒。而TEM可以观察NPs，但在定量统计NPs含量存在问题，主要是纳米析出相在金属材料晶粒和晶界上随机分布导致部分NPs以及边界不明显，从而导致后面的统计出现较大偏差。如图1所示，通过SEM和TEM检测贝氏体钢析出相的尺寸存在明显差异。因此本文推荐使用原子力显微镜检测的方法对金属领域中NPs的定量进行快速且精确的表征。

图1 贝氏体钢微观形貌(a)SEM结果(b)TEM结果

原子力显微镜(AFM)是一种高精度、快速的表征样品表面特征的技术，可以用来定量表征金属中的NPs。它不仅可以测量颗粒的大小，还可以定量测量其力学和电学性能。技术的进步使得Oxford AFM成像比上一代原子力显微镜的速度更快，操作更容易，数据更可靠。此外，AFM的样品制备要求与其它技术相比更方便，实际使用极具有优势。

AFM可以通过形貌、相位图以及材料的力学性质图直接分析NPs。图2给出了高温合金经过抛光之后的析出相的AFM形貌图和相位图，图中可以清楚观察到NPs呈弥散分布，类圆形，尺寸主要分布在10-50nm，该结果与TEM观察结果一致，也说明了AFM表征粒子尺寸信息的准确性。

图2 高温合金AFM形貌图，相位图和TEM图