材料的“体检报告“：常用材料表征技术大揭秘

▲ 图1 材料表征技术

一、显微世界的"CT扫描"

1.1 SEM：材料表面的"高清卫星地图"

工作原理：

• 电子枪发射5-30kV电子束

• 电磁透镜系统将束斑聚焦至1nm-5μm

• 探测器接收二次电子/背散射电子信号

典型参数对比：

型号	分辨率	放大倍数	特色功能
场发射SEM	0.6nm	10-100万倍	低电压成像
环境SEM	3nm	1-50万倍	含水样品观测

▲ 图2 SEM信号产生原理示意

应用案例：

• 某航天铝合金断裂分析：发现20nm级氧化物夹杂（2025年嫦娥六号返回舱材料改进项目）

1.2 TEM：原子尺度的"超级显微镜"

技术突破：

• 球差校正器实现70pm分辨率

• 4D-STEM技术可实时观测相变过程

操作要点：

样品制备流程： 块体材料 → 机械减薄至100μm → 离子减薄至50nm → 等离子清洗

二、晶体结构的"DNA检测"

2.1 XRD：材料的"指纹识别"技术

布拉格定律进阶应用：

λ = 2dₕₖₗsinθ → 通过Rietveld精修可获晶胞参数(精度达0.0001nm)

最新发展：

• 同步辐射XRD（上海光源BL14B线站）可实现毫秒级动态观测

• 机器学习辅助物相鉴定（2025年ICDD数据库收录超50万种物相）

2.2 EBSD：晶粒取向的"基因测序"

产出数据：

• 取向成像显微术(OIM)

• 晶界类型分布(Σ3孪晶界占比)

工业应用：

• 钛合金叶片织构优化（某型航空发动机疲劳寿命提升300%）

三、力学性能的"体能测试"

3.1 纳米压痕：微观硬度的"精准秤"

测试原理：

• 伯科维奇压头(曲率半径100nm)

• 连续刚度测量法(CSM)

典型数据：

材料	硬度(GPa)	弹性模量(GPa)	断裂韧性(MPa·m¹/²)
Al₂O₃陶瓷	18.5	380	4.2
牙科氧化锆	12.3	210	6.8

3.2 原位测试：力学行为的"直播观察"

联用技术：

• SEM+拉伸台（观察裂纹扩展）

• XRD+应力仪（监测相变应力）

四、前沿技术展望

1. AI辅助表征：DeepMind最新开发的MatFormer模型可预测XRD谱图（2025.7）

2. 量子传感技术：NV色心探测可实现单原子级磁学测量

3. 多模态联用：上海材料所建成全球首台TEM-Raman-AFM三模态平台

知识卡片：现代材料表征已进入"原子-秒"时代，1秒内可完成10⁶个原子的化学成分分析