利用金相顯微鏡測量微米級膜層厚度

一、引言

在材料表層覆膜是賦予材料本身沒有的某些性能，以此提高材料的利用效率或者拓展它的適用范圍，在機械、電子、儀表、兵器、農機、五金、建筑、造船、航天航空等領域是十分常見的，而這些成膜工藝大體都分為電鍍、化血鍍、浸鍍、化學和電化學轉化以及涂裝等。不管是什么成膜工藝，膜層厚度都是最基本的結構參數，基于這個，就發展除了許多不同的儀器如電解式鍍層測厚儀，X熒光測厚儀等等。

金相顯微鏡主要用于金屬的相結構分析。也可以利用各種平面分析系統進行膜層的厚度測量，并且精度很高，最小誤差約為±0.8μm，可作為金屬鍍層和氧化膜層的仲裁測量。利用金相顯微鏡的聚焦平面也可以作各種涂/鍍膜層的厚度測量，而且在微米量級具有與電磁/電渦輪測厚儀相當的精度。

二、原理

金相顯微鏡的物鏡焦距和位置都是固定的，實際操作中可通過調整樣品臺高度，改變被測物表面和物鏡之間的距離完成對焦。將被檢測物的覆膜面打磨出一個斜面后平方在樣品臺上，使斜面處于視場中。分別對膜層的外界面和內界面進行對焦，讀出調焦旋鈕上兩個腳面的高度差即為膜層的厚度。具體如下圖所示。

圖1 利用焦平面測厚原理

為了相對準確測量膜層厚度，需要注意一下幾個操作技巧：

1、找準膜層的內界面便于對焦，要求內界面量測要由比較明顯的色差，或者顯微結構的差異。

2、視場景深和顯微鏡放大倍數成反比，為了提高對焦的相對精度，應盡可能提高顯微鏡的放大倍數來降低景深。

3、打磨斜面盡可能提高加工精度，避免微小的劃痕影響對焦精度。另外，在視場限制的范圍內，盡量將斜面和表面的夾角磨小，使得膜層的可視面更大，可以提高對焦精度，便于觀察。

4、作為基底的樣品要由一定的厚度和剛度，保證斜面加工過程不發生過大的樣品應力變形，影響樣品原有的平整度。

以下三張圖是作為范例，使用金相顯微鏡對鋁基陽極氧化膜樣品進行拍攝的，放大倍數是450倍，拍攝斜面與樣品的夾角約30度。照片如下所示：

圖2 鋁基陽極氧化膜樣品顯微照片1

圖3 鋁基陽極氧化膜樣品顯微照片2

圖4 鋁基陽極氧化膜樣品顯微照片3

三、實驗及結果

為了確定用焦平面測量膜層厚度的精度，用一片標稱厚度1mm的純鋁片作對比測量。先把垂直固定在樣品臺上，使用金相顯微鏡自帶的軟件隨機選取5個點進行量測，再將鋁片邊緣打磨成斜面，在垂直與鋁片厚度方向5mm長度內隨機選取五個點進行焦面高度測量，結果如下表所示。

從上表可以看出，利用金相顯微鏡焦平面測量膜層厚度是可行且可信的，其讀數誤差受儀器精度影響，一般小于1μm。

四、總結

利用金相顯微鏡焦平面測量各種涂/鍍層厚度可行可信，將樣品覆膜打磨成斜面對膜層兩個界面分別對焦，從調焦旋鈕讀出兩個腳面的高度差即為膜層厚度。這個方法適用于小件的實驗樣品的測量，與其他測厚方法相比，該方法能在進行厚度測量的同時能對膜層的顯微結果觀察和分析，并且能適用于各種涂/鍍層或者多層復合膜的厚度測量，對膜層的性質和形態沒有限制。

參考文獻

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