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離子研磨儀和掃描電鏡-失效分析研究的好搭檔

來源：復納科學儀器（上海）有限公司 2023年12月05日 13:11

失效分析是經驗和科學的結合，失效分析就如醫生，工藝設計之初，要有預防對策；產品生產后，進行體檢，找出其中的隱患，給出預防辦法去防止；失效發生后通過各種手段查找原因。就像醫生，要驗血，照 X 光，做 B 超等，根據檢驗的數據進行分析是什么癥狀并對癥下藥，給出補救辦法。

但是從根本上避免產品失效，失效分析應該參與到產品的各個設計環節中。對失效產品的研究，通常借助掃描電鏡來觀察失效產品的表面及斷面情況，選擇合適的制樣設備，來進行表面拋光或者斷面切割，對于在掃描電鏡下觀察失效位置的實際情況至關重要，離子研磨儀就是這理想之選。

以鋰電池的失效分析為例，電池在循環過程中，離子的脫嵌與嵌入會引起一次顆粒的體積變化，會影響內部的間隙。一次顆粒之間間隙會影響顆粒之間 Li 離子傳輸，使內阻增加，從而影響電池性能。因此需要觀察顆粒的內部結構，才可以看出顆粒內部是否存在裂紋、孔洞等。

圖1 鋰電池結構示意圖

觀察顆粒的內部結構，就需要將顆粒進行切割，傳統的切磨方法會改變顆粒的斷面結構，無法真實真實顆粒的內部情況。使用離子研磨儀切割的方法，通過使用合適的能量離子槍，利用離子束進行剖面切削或表面拋光處理，可以有效解決以上問題。

將多晶三元材料通過離子研磨儀切割后，可以有效觀察到顆粒內部的真實情況，觀察顆粒內部的晶粒結構和晶相組成。

隨著鎳含量的增加，裂紋的產生和擴展現象加劇，高 Ni 含量的正極材料的裂紋延伸到表面，電解液可以沿著裂紋滲入到顆粒的內部，在一次顆粒的表面生成 NiO 相，加速電池電化學性能的惡化。通過離子研磨切割后，結合 SEM 圖可以有效觀察分析正極材料充放電后的狀態，進一步來研究裂紋的發展。

離子研磨儀可廣泛用于各個領域的失效分析，用來進行斷面和內部結構的觀察。

金屬材料· 失效分析

金屬結晶結構異常隱蔽性很強，此隱性憂患缺陷尺度等級，往往達到微米與納米等級，且突發破壞率大，因此具有嚴重的危害性。金屬材質中的雜質、介在物、空洞、腐蝕開裂等都無法在后續加工中去除，反而容易造成更嚴重的破壞。

放入飛納掃描電鏡進行觀察

通過使用掃描電鏡（SEM）+ 能譜（EDS）分析，對晶粒大小，晶粒結構，相位組成，元素組成，夾雜介在物分析，發現失效的鋼管基材明顯存在較多污染物，且焊界結晶明顯沿晶開裂，在正常區存在空洞及金屬介在物，可以判斷出故障發生的主要原因。

圖陶瓷復合材料后加工造成的裂紋

圖塑鋼材料強度不足失效分析

（飛納掃描電鏡全景拼圖：觀察整體分布情況）

圖中心填料結構

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