微观结构测试方法详解

在本实验中，SWCNT的SEM和TEM的显微结构如图19.1所示。原始的Sn-Pb焊料的FE-TEM显微结构图如图19.2a所示，其中的锡粒对比色为白色，铅粒对比色为深色。铸造的Sn-Pb焊料所具有的平均粒径为5.12μm。图19.2b给出了0.3 wt%SWCNT掺杂的Sn-Pb复合焊料的FE-TEM高精细显微结构图。这种结构是CNT均匀分布的结果。使用图形分析软件可以测得复合材料的平均粒径，其值为1.08μm。同时还可以观察到，对于没有添加CNT的焊料和添加了CNT的焊料来说，两者的显微结构存在着显著的差别。

图19.1 SWCNT的显微结构图像（SWCNT采用化学气相沉积法制成）

a）SWCNT的扫描电子显微镜（SEM）图像 b）SWCNT的透射电子显微镜（TEM）图像

图19. 263Sn-37Pb焊料的FE-SEM的显微结构图像

a）0wt%SWCNT b）0.3wt%SWCNT

在焊料的基体中，可以观察到一些孔隙。这样的孔隙是由烧结过程所导致的。在烧结的过程中，焊料基体中的流动物质和SWCNT充当了固体杂质^[24]。通过范德华力的作用，SWCNT之间相互缠绕。由于此现象的存在，实现SWCNT在焊料基体中呈高度的均匀分散是相当困难的。在这种情况下，焊料基体里缠绕的SWCNT将可能导致基体中出现孔隙，这也正是显微镜中所观察。(www.xing528.com)

图19.3给出了Sn-Ag-Cu＋SWCNT复合焊料与纯Sn-Ag-Cu焊料的FE-SEM显微结构的比较。图19.3a给出了Sn-Ag-Cu焊料的微观结构，该微观结构由两相组成：一相是深灰色的Cu₆Sn₅，另一相是在β-Sn焊料基体中均匀分布的明亮浅灰色颗粒Ag₃Sn。在纯净的Sn-Ag-Cu焊料中，第二相中的颗粒平均尺寸在3.75～4.25μm之间。如图19.3b所示。Sn-Ag-Cu焊料添加有1wt%的SWCNT，其第二相的颗粒平均尺寸在0.5～0.8μm。在SWCNT加强型焊料样品中，SWCNT分布在Ag₃Sn等轴晶粒的边界。根据单相中原子数的不同，可以识别出这些SWCNT。越亮的区域边界对应越多的原子数目，越暗的区域对应越少的原子数目。图19.4给出了由EDX给出的元素分析结果。激增的“C”处高峰表示，Ag₃Sn颗粒边界处具有SWCNT。这也表明了在烧结过程后，在焊料基体中仍然残留有SWCNT，但是这些SWCNT主要集中在Ag₃Sn颗粒的边界。

晶粒细化可能是由如下原因造成的：首先，SWCNT是一种陶瓷材料；其次，在加工复合焊料标本的过程中，烧结时的温度导致陶瓷材料的极快速扩散，从而抑制了Ag₃Sn的表面扩散^[25]。图19.2给出了不同SWCNT质量分数下对应的微观结构的强化结果，该结果表明，复合焊料的烧结微观结构对原材料的初始成分和形态具有强烈的依赖性。

图19.3 Sn-3.8Ag-0.7Cu的FE-SEM显微结构图像

a）0wt%的SWCNT b）1wt%的SWCNT

图19.4 对烧结后的Sn-Ag-Cu/CNT复合材料中Ag₃Sn颗粒边界处SWCNT相的识别（碳存在于白色区域处的EDS之中）