專利名稱：結(jié)構(gòu)復(fù)雜材料的三維倒易空間重構(gòu)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的表征方法，具體包括(1)碳碳復(fù)合材料中熱解炭結(jié)構(gòu)、(2)具有連續(xù)擇優(yōu)取向的織構(gòu)型材料的倒空間結(jié)構(gòu)、(3)存在局域性連續(xù)分布的倒空間結(jié)構(gòu)、(4)存在局部準(zhǔn)周期調(diào)制的倒空間結(jié)構(gòu)、(5)更為復(fù)雜分布的倒空間結(jié)構(gòu)的三維倒易空間重構(gòu)方法。

背景技術(shù)：
織構(gòu)型材料中微晶擇優(yōu)取向分布與材料的力學(xué)和物理性能密切相關(guān)。為達(dá)到某種應(yīng)用背景對材料性能的要求，全面、準(zhǔn)確地表征織構(gòu)型材料的擇優(yōu)取向分布特征是建立材料“工藝-結(jié)構(gòu)-性能”關(guān)系的基礎(chǔ)。三維倒易點(diǎn)陣對描述周期性晶體點(diǎn)陣平面的取向較之在正空間具有表征方便的優(yōu)越性。而晶體取向在三維倒易空間的分布通常可以在透射電子顯微鏡上通過傾轉(zhuǎn)電子衍射實(shí)驗(yàn)重構(gòu)得到。
選區(qū)電子衍射譜是三維倒易空間重構(gòu)的原始數(shù)據(jù)。每一張電子衍射譜可以看作是樣品選區(qū)處三維倒易空間分布的一個(gè)二維截面投影。當(dāng)已知多個(gè)二維截面投影以及它們之間的夾角關(guān)系，我們即可重構(gòu)出該樣品在倒易空間的三維取向分布。其中，確定各選區(qū)電子衍射譜之間的關(guān)系是重構(gòu)的關(guān)鍵。對于單晶結(jié)構(gòu)未知的樣品，通常采用三張共(傾轉(zhuǎn))軸的電子衍射譜即可確定布拉菲點(diǎn)陣類型。然而，對于織構(gòu)型材料以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者缺陷分布異常的材料，由于其衍射花樣通常為局域性連續(xù)分布的衍射弧段、或者存在局部準(zhǔn)周期調(diào)制，而不是離散的衍射斑點(diǎn)，在執(zhí)行傾轉(zhuǎn)操作時(shí)難以通過觀察傾轉(zhuǎn)前后衍射譜的變化來準(zhǔn)確判斷傾轉(zhuǎn)軸的唯一性。這一傾轉(zhuǎn)軸的確定和保持技術(shù)上的困難使得難以實(shí)現(xiàn)對織構(gòu)型材料擇優(yōu)取向分布在三維倒易空間中的表征。
此外，對于具有復(fù)雜圖形和強(qiáng)度分布的衍射花樣，其三維倒易空間的取向分布直接受到電子衍射記錄強(qiáng)度的影響，必須通過電子衍射強(qiáng)度定量分析來表征并保證記錄條件的一致性；另外，為保證電子衍射強(qiáng)度分析的可靠，電子衍射譜的記錄需限定在記錄介質(zhì)的衍射強(qiáng)度動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。目前，新發(fā)展的CCD成像技術(shù)是衍射強(qiáng)度分析的理想手段。然而，由于CCD成像器件的記錄尺寸有限和易受電子輻照損傷，使得傳統(tǒng)的底片和成像板記錄方式仍然不可替代。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜材料(包括(1)碳碳復(fù)合材料及碳纖維、(2)具有連續(xù)擇優(yōu)取向的織構(gòu)型材料、(3)具有倒空間局域性連續(xù)分布或存在局部準(zhǔn)周期調(diào)制的材料)的三維倒易空間重構(gòu)方法，該方法是通過針對任意選取的有效傾轉(zhuǎn)軸，對傾轉(zhuǎn)操作過程中樣品臺(tái)主傾角α與副傾角β的配合取值進(jìn)行預(yù)先量化，使整個(gè)衍射系列準(zhǔn)確地保持統(tǒng)一傾轉(zhuǎn)軸傾轉(zhuǎn)。
本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜材料的三維倒易空間重構(gòu)方法，具體步驟如下將單晶樣品沿傾轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)得到衍射譜，在衍射譜上選取有效傾轉(zhuǎn)軸，測量有效傾轉(zhuǎn)軸同底片水平線的夾角ωθ，并記錄樣品臺(tái)主傾角α和樣品臺(tái)副傾角β，根據(jù)tanθ＝sinβ/tanα和ωβ＝θ+ωθ即可計(jì)算得到該透射電子顯微鏡的樣品臺(tái)傾轉(zhuǎn)軸于選定相機(jī)常數(shù)下在底片上的投影角ωβ；在同一相機(jī)常數(shù)下，記錄研究對象樣品的首張選區(qū)電子衍射譜，選取此衍射譜的有效傾轉(zhuǎn)軸，測量出選定的有效傾轉(zhuǎn)軸同底片水平線的夾角ωθ，利用上述計(jì)算出的樣品臺(tái)傾轉(zhuǎn)軸的投影角ωβ，由θ＝ωθ-ωβ即可計(jì)算得到此時(shí)選取的有效傾轉(zhuǎn)角θ，根據(jù)該θ，查出對應(yīng)的各傾轉(zhuǎn)步長Δαi下的傾轉(zhuǎn)補(bǔ)償角Δβi，按照該Δαi與Δβi的組合完成傾轉(zhuǎn)操作，則有效傾轉(zhuǎn)軸保持不變，完成整個(gè)衍射系列；上述衍射系列以底片為記錄介質(zhì)，根據(jù)電鏡底片的特征參數(shù)DS、D0和α，定量得到其成像光密度值與電子曝光量關(guān)系曲線(D-lgE曲線)，計(jì)算該曲線上各點(diǎn)的斜率，其取值分布最高點(diǎn)對應(yīng)曲線拐點(diǎn)，取與曲線拐點(diǎn)斜率值相差±50％以內(nèi)的曲線中間部分為底片D-lgE曲線線性區(qū)；然后利用本底片成像光密度D與灰度等級值GL的換算關(guān)系，得到對應(yīng)底片D-lgE曲線位于線性區(qū)的灰度等級值GL的取值范圍；最后，對底片進(jìn)行衍射曝光實(shí)驗(yàn)，以上述灰度等級值GL的取值范圍為標(biāo)準(zhǔn)，保證在底片強(qiáng)度動(dòng)態(tài)的范圍內(nèi)記錄衍射系列，確定合適的電子束強(qiáng)度、曝光時(shí)間和顯影定影時(shí)間組合參數(shù)；利用收集到的已知傾轉(zhuǎn)軸關(guān)系的衍射系列，借助三維構(gòu)圖軟件重構(gòu)出所研究結(jié)構(gòu)復(fù)雜材料的三維倒易空間分布。
本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)復(fù)雜材料的三維倒易空間重構(gòu)方法，所述的樣品臺(tái)主傾角α、樣品臺(tái)副傾角β以及有效傾轉(zhuǎn)角θ三者之間的幾何關(guān)系tanθ＝sinβ/tanα，進(jìn)一步表示為Δβi＝arcsin(tanΔαi×tanθ)(其中Δβi是傾轉(zhuǎn)補(bǔ)償角、Δαi是傾轉(zhuǎn)步長、θ是有效傾轉(zhuǎn)角)，該式是樣品臺(tái)副傾轉(zhuǎn)軸所需補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)角Δβi在選定傾轉(zhuǎn)步長Δαi后，成為可計(jì)算的有效傾轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角θ的函數(shù)。
本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)復(fù)雜材料的三維倒易空間重構(gòu)方法，所述的成像光密度值與電子曝光量關(guān)系曲線為D(E)＝DS[1-exp(-αβE)]+D0，其中D為成像光密度是電子曝光量E的函數(shù)，DS和D0分別是底片的最大和最小光密度值，α是底片的增益，β＝6.242是常數(shù)。
本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)復(fù)雜材料的三維倒易空間重構(gòu)方法，所述成像光密度D與灰度等級值GL的換算關(guān)系為D＝Nlg(255/GL)，其中N由底片的最大光密度值Ds確定，N＝Ds/lg255；GL0-255。
本發(fā)明提供的重構(gòu)方法應(yīng)用于如下的復(fù)雜結(jié)構(gòu)表征(1)碳碳復(fù)合材料中熱解炭結(jié)構(gòu)、(2)具有連續(xù)擇優(yōu)取向的織構(gòu)型材料的倒空間結(jié)構(gòu)、(3)存在局域性連續(xù)分布的倒空間結(jié)構(gòu)、(4)存在局部準(zhǔn)周期調(diào)制的倒空間結(jié)構(gòu)、(5)更為復(fù)雜分布的倒空間結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的 通過對電子衍射成像系統(tǒng)的分析，建立起樣品臺(tái)主傾角α、樣品臺(tái)副傾角β以及有效傾轉(zhuǎn)角θ三者之間的幾何關(guān)系 tanθ＝sinβ/tanα 上述幾何關(guān)系可理解為 Δβi＝arcsin(tanΔαi×tanθ) 即傾轉(zhuǎn)電子衍射重構(gòu)實(shí)驗(yàn)中，傾轉(zhuǎn)補(bǔ)償角Δβi為樣品臺(tái)主傾角Δαi和有效傾轉(zhuǎn)角θ的函數(shù)。利用這一關(guān)系，在確定了有效傾轉(zhuǎn)角(θ)和傾轉(zhuǎn)步長(Δαi)后即可計(jì)算出為保持選定傾轉(zhuǎn)軸樣品臺(tái)副傾轉(zhuǎn)軸所需補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)角(Δβi)。
其中，傾轉(zhuǎn)步長(Δαi)可根據(jù)電子透射顯微鏡樣品臺(tái)傾轉(zhuǎn)范圍進(jìn)行選擇。例如FEI Tecnai F30電子顯微鏡的主傾角范圍為±35°，可選擇Δαi為5°或7°作為傾轉(zhuǎn)步長較為合適。此外，有效傾轉(zhuǎn)角θ需在選擇了有效傾轉(zhuǎn)軸后由有效傾轉(zhuǎn)軸同底片水平線的夾角與樣品臺(tái)傾轉(zhuǎn)軸在底片上的投影角之差確定。有效傾轉(zhuǎn)軸同底片水平線的夾角通過單晶樣品的傾轉(zhuǎn)電子衍射實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到。
為確定上述各傾轉(zhuǎn)步驟的選區(qū)衍射譜合適的衍射記錄參數(shù)，首先根據(jù)所使用底片的特征參數(shù)定量得到其成像光密度值與電子曝光量關(guān)系曲線(D-lgE曲線) D(E)＝DS[1-exp(-αβE)]+D0 其中，D為成像光密度是電子曝光量E的函數(shù)，DS和D0分別是底片的最大和最小光密度值；α是底片的增益；常數(shù)β＝6.242。通常該曲線呈S型，線性區(qū)位于其中間部分。本方法采用曲線拐點(diǎn)與曲線上各點(diǎn)的斜率比較的分析，理論上確定出D-lgE曲線線性區(qū)及其對應(yīng)的成像光密度D取值范圍。
由于底片掃描后的數(shù)字化圖像以灰度等級值作單位，本方法在對光密度階變圖分析的基礎(chǔ)上引入成像光密度D與灰度等級值GL(對8位圖，GL0-255)換算的經(jīng)驗(yàn)公式 D＝Nlg(255/GL) 其中，N由底片參數(shù)Ds確定N＝Ds/lg255。由上式可得到令底片D-lgE曲線位于線性區(qū)的灰度等級值GL的取值范圍，并以此作為衡量衍射譜是否記錄在底片動(dòng)態(tài)區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)。
對底片進(jìn)行衍射曝光實(shí)驗(yàn)，以上述灰度等級值GL的取值范圍為標(biāo)準(zhǔn)確定合適的電子束強(qiáng)度、曝光時(shí)間和顯影定影時(shí)間組合，保證在底片強(qiáng)度動(dòng)態(tài)的范圍內(nèi)記錄衍射系列。同時(shí)，為了避免由于記錄衍射譜時(shí)電子束強(qiáng)度變化對衍射弧段強(qiáng)度分布帶來的影響，對于一個(gè)衍射系列的各選區(qū)電子衍射譜要求保持相同的照射強(qiáng)度、曝光時(shí)間以及同批顯影定影(以保證相同顯、定影時(shí)間和相似顯、定影液濃度、溫度)。這樣，在樣品傾轉(zhuǎn)過程中，衍射弧段強(qiáng)度分布的變化能可靠地反應(yīng)出其三維倒易空間擇優(yōu)取向的分布特征。
由于該方法能有效定量傾轉(zhuǎn)補(bǔ)償角Δβi，使得樣品在電鏡中能準(zhǔn)確地圍繞某指定有效傾轉(zhuǎn)軸以任意步長傾轉(zhuǎn)，并有效記錄各傾轉(zhuǎn)角度下同一選區(qū)衍射譜的變化，對在典型織構(gòu)型材料-熱解炭和聚丙烯腈(PAN)碳纖維的連續(xù)分布的三維倒易空間的重構(gòu)應(yīng)用中取得了滿意的結(jié)果。本項(xiàng)目的研究要點(diǎn)如何在傾轉(zhuǎn)電子衍射重構(gòu)實(shí)驗(yàn)中，保持一個(gè)衍射系列的各選區(qū)電子衍射譜具有同一傾轉(zhuǎn)軸，以準(zhǔn)確確定衍射譜之間的空間角度關(guān)系和如實(shí)記錄下各傾轉(zhuǎn)角度下衍射系列的變化。
本發(fā)明的三維倒易空間重構(gòu)方法，解決了結(jié)構(gòu)復(fù)雜材料在傳統(tǒng)傾轉(zhuǎn)電子衍射實(shí)驗(yàn)操作中傾轉(zhuǎn)和用底片有效記錄衍射弧段強(qiáng)度分布變化的困難，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在 1.引進(jìn)了傾轉(zhuǎn)補(bǔ)償角Δβi的定量手段，使得一個(gè)衍射系列的各選區(qū)電子衍射譜能準(zhǔn)確地保持同一傾轉(zhuǎn)軸傾轉(zhuǎn)。
2.由于傾轉(zhuǎn)補(bǔ)償角在傾轉(zhuǎn)操作前已定量給出，在進(jìn)行傾轉(zhuǎn)電子衍射實(shí)驗(yàn)中無需在衍射模式下對衍射譜進(jìn)行較長時(shí)間的觀察和調(diào)節(jié)，減少了電子束對部分不穩(wěn)定樣品的輻照損傷，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程效率高。
3.傾轉(zhuǎn)步長(Δαi)的選擇基本沒有限制(不超過樣品臺(tái)最大傾角范圍即可)，若需要可選擇小步長進(jìn)行精確重構(gòu)；有效傾轉(zhuǎn)角(θ)的選擇沒有限制，可通過選取某一傾轉(zhuǎn)軸專門研究對應(yīng)取向的織構(gòu)分布情況。
4.提供了一種實(shí)用的確定底片強(qiáng)度動(dòng)態(tài)范圍的方法，該方法以理論分析為基礎(chǔ)，同時(shí)配合實(shí)驗(yàn)測量，能定量確定符合記錄介質(zhì)底片的強(qiáng)度動(dòng)態(tài)范圍的衍射強(qiáng)度灰度等級取值范圍。對底片的選擇無限制，只要其特征參數(shù)已知即可。



圖1電子衍射成像系統(tǒng)中，樣品臺(tái)主傾角α、樣品臺(tái)副傾角β以及有效傾轉(zhuǎn)角θ三者之間的幾何關(guān)系示意圖； 圖2單晶樣品的傾轉(zhuǎn)電子衍射實(shí)驗(yàn)計(jì)算樣品臺(tái)傾轉(zhuǎn)軸在底片上的投影角ωβ，其中，ωθ為有效傾轉(zhuǎn)軸同底片水平線的夾角，θ為有效傾轉(zhuǎn)角； 圖3選區(qū)電子衍射譜中，選定有效傾轉(zhuǎn)軸后，有效傾轉(zhuǎn)角θ與樣品臺(tái)傾轉(zhuǎn)軸在底片上的投影角ωβ、有效傾轉(zhuǎn)軸同底片水平線的夾角ωθ計(jì)算關(guān)系示意圖，其中，Δβ為傾轉(zhuǎn)補(bǔ)償角、Δα為樣品臺(tái)主傾角、Ф為總傾轉(zhuǎn)角； 圖4Kodak SO-163型電鏡底片成像光密度值與電子曝光量對數(shù)值關(guān)系曲線，其中方框中為曲線線性區(qū)； 圖5D-lgE曲線上各點(diǎn)的斜率與電子曝光量對數(shù)值關(guān)系曲線，其中最高點(diǎn)對應(yīng)曲線拐點(diǎn)，方框中為曲線上各點(diǎn)斜率與曲線拐點(diǎn)斜率值相差±50％以內(nèi)的曲線中間部分； 圖6Kodak SO-163型電鏡底片成像光密度D與灰度等級值GL換算關(guān)系示意圖，其中方框中為對應(yīng)的底片強(qiáng)度動(dòng)態(tài)范圍； 圖7碳碳復(fù)合材料電子透射顯微形貌圖，其中熱解炭圍繞沉積于碳纖維上，圓圈表示進(jìn)行衍射傾轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)分別選取的碳纖維和熱解炭選區(qū)大小和位置； 圖8碳纖維選區(qū)的衍射系列a，其中衍射系列a的有效傾轉(zhuǎn)軸1如a6所示，測量所得衍射系列a的有效傾轉(zhuǎn)角θ標(biāo)示于a6，衍射系列中各選取衍射譜之間的總傾轉(zhuǎn)角標(biāo)示于括號中； 圖9碳纖維選區(qū)的衍射系列b，其中衍射系列b的有效傾轉(zhuǎn)軸2選取如b4所示垂直于1的傾轉(zhuǎn)軸，測量所得衍射系列b的有效傾轉(zhuǎn)角θ標(biāo)示于b4，衍射系列中各選取衍射譜之間的總傾轉(zhuǎn)角標(biāo)示于括號中； 圖10碳纖維微晶取向的鼓形倒空間分布示意圖，其中h為高，r為半徑； 圖11熱解炭選區(qū)的衍射系列a，其中衍射系列a的有效傾轉(zhuǎn)軸1如a6所示，測量所得衍射系列a的有效傾轉(zhuǎn)角θ標(biāo)示于a6，衍射系列中各選取衍射譜之間的傾轉(zhuǎn)角標(biāo)示于括號中； 圖12熱解炭選區(qū)的衍射系列b，其中衍射系列b的有效傾轉(zhuǎn)軸2選取如b5所示垂直于1的傾轉(zhuǎn)軸，測量所得衍射系列b的有效傾轉(zhuǎn)角θ標(biāo)示于b5，衍射系列中各選取衍射譜之間的傾轉(zhuǎn)角標(biāo)示于括號中； 圖13碳碳復(fù)合材料中熱解炭石墨微晶取向的傘形倒空間分布示意圖。

具體實(shí)施例方式 下面的實(shí)施例將對本發(fā)明予以進(jìn)一步的說明，但并不因此而限制本發(fā)明。
實(shí)施例1 如圖1所示，XYZO為樣品在透射電子顯微鏡中的空間坐標(biāo)。傾轉(zhuǎn)前，設(shè)樣品初始晶面法線平行OZ軸，選擇有效傾轉(zhuǎn)軸為OB’，經(jīng)過樣品臺(tái)主傾軸旋轉(zhuǎn)α(初始晶面法線平行OA)，樣品臺(tái)副傾軸旋轉(zhuǎn)β(初始晶面法線平行OA’)后完成第一次傾轉(zhuǎn)(總轉(zhuǎn)角為Ф)。此時(shí)，令OA＝OA’＝1，則可建立起樣品臺(tái)主傾角α、樣品臺(tái)副傾角β以及有效傾轉(zhuǎn)角θ三者之間的幾何關(guān)系tanθ＝sinβ/tanα。上式可改寫為Δβi＝arcsin(tanΔαi×tanθ)。為傾轉(zhuǎn)電子衍射重構(gòu)實(shí)驗(yàn)選定傾轉(zhuǎn)步長Δαi后，計(jì)算出為保持選定傾轉(zhuǎn)軸樣品臺(tái)副傾轉(zhuǎn)軸所需補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)角Δβi在各有效傾轉(zhuǎn)軸θ(0-45°)下的取值如表1所示。
下面介紹本發(fā)明連續(xù)分布三維倒易空間重構(gòu)方法具體步驟 步驟1在正式對織構(gòu)型材料樣品應(yīng)用本方法前，首先通過單晶樣品的傾轉(zhuǎn)電子衍射實(shí)驗(yàn)計(jì)算所使用的透射電子顯微鏡的樣品臺(tái)傾轉(zhuǎn)軸在底片上的投影角ωβ。如圖2所示，將單晶樣品沿所示傾轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)得到三張不同晶帶軸下的衍射花樣，分別測量三次衍射譜中的有效傾轉(zhuǎn)軸同底片水平線的夾角ωθ，并記錄主傾軸旋轉(zhuǎn)角α，樣品臺(tái)副傾軸旋轉(zhuǎn)角β，根據(jù)tanθ＝sinβ/tanα幾何關(guān)系，可計(jì)算出有效傾轉(zhuǎn)角θ；再由ωβ＝θ+ωθ即可計(jì)算得到該透射電子顯微鏡的樣品臺(tái)傾轉(zhuǎn)軸在底片上的投影角ωβ(該ωβ在同一電鏡的同一相機(jī)常數(shù)下為定值)。
步驟2在與步驟1相同的相機(jī)常數(shù)設(shè)置下，記錄研究對象織構(gòu)型樣品的首張選區(qū)電子衍射花樣(如圖3所示)。選取有效傾轉(zhuǎn)軸，并在該衍射花樣上標(biāo)示和測量出選定有效傾轉(zhuǎn)軸同底片水平線的夾角ωθ，利用步驟1計(jì)算出的樣品臺(tái)傾轉(zhuǎn)軸的投影角ωβ，由θ＝ωθ-ωβ即可計(jì)算得到有效傾轉(zhuǎn)角θ。根據(jù)該有效傾轉(zhuǎn)角θ，即可在表1中對應(yīng)查出各傾轉(zhuǎn)步長Δαi下對應(yīng)的補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)角Δβi。按照該Δαi與Δβi的組合完成傾轉(zhuǎn)操作，則有效傾轉(zhuǎn)軸保持不變。
步驟3定量確定符合記錄介質(zhì)底片的強(qiáng)度動(dòng)態(tài)范圍的衍射參數(shù)取值。首先根據(jù)所使用的Kodak SO-163型電鏡底片的特征參數(shù)(DS、D0和α的數(shù)值分別為7.86、0.1和0.411)定量得到其成像光密度值與電子曝光量關(guān)系曲線如圖4所示。計(jì)算該D-lgE曲線上各點(diǎn)(以橫坐標(biāo)0.1為間隔)的斜率，其取值分布(圖5)最高點(diǎn)對應(yīng)曲線拐點(diǎn)。本方法取與曲線拐點(diǎn)斜率值相差±50％以內(nèi)的曲線中間部分為底片D-lgE曲線線性區(qū)(即圖4方框內(nèi)區(qū)域)，以確定其對應(yīng)的成像光密度D取值范圍。然后利用本底片成像光密度D與灰度等級值GL(對8位圖，GL0-255)換算關(guān)系(如圖6所示)，得到對應(yīng)令底片D-lgE曲線位于線性區(qū)的灰度等級值GL的取值范圍，并以此作為衡量衍射譜是否記錄在底片動(dòng)態(tài)區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)。最后，對底片進(jìn)行衍射曝光實(shí)驗(yàn)，以上述灰度等級值GL的取值范圍為標(biāo)準(zhǔn)，確定合適的電子束強(qiáng)度、曝光時(shí)間和顯影定影時(shí)間組合參數(shù)。
步驟4按照步驟3所確定的衍射參數(shù)，以統(tǒng)一的符合底片動(dòng)態(tài)范圍的曝光強(qiáng)度、曝光時(shí)間記錄各傾轉(zhuǎn)角度下的選區(qū)電子衍射花樣。記錄前調(diào)節(jié)樣品高度Z(聚焦值不變)，使之處于正焦?fàn)顟B(tài)。
步驟5重復(fù)步驟2、4的傾轉(zhuǎn)操作和選區(qū)電子衍射譜的采集，直到完成整個(gè)衍射系列。
步驟6回到首張選區(qū)電子衍射花樣狀態(tài)，重新選擇有效傾轉(zhuǎn)軸(一般選取與之前有效傾轉(zhuǎn)軸垂直的方向?yàn)樾碌膬A轉(zhuǎn)軸)。重復(fù)步驟2、4、5，收集另一衍射系列。
步驟7利用收集到的兩個(gè)(或多個(gè))已知傾轉(zhuǎn)軸關(guān)系的衍射系列，借助三維構(gòu)圖軟件重構(gòu)出所研究織構(gòu)型材料樣品連續(xù)擇優(yōu)取向的三維倒易空間分布。
實(shí)施例2本發(fā)明確定的PAN基碳纖維的倒空間鼓形分布特征 在正式對PAN基碳纖維樣品應(yīng)用本方法前，按照實(shí)施例1中步驟1所述首先通過單晶樣品的傾轉(zhuǎn)電子衍射實(shí)驗(yàn)計(jì)算所使用的透射電子顯微鏡的樣品臺(tái)傾轉(zhuǎn)軸在底片上的投影角在選定相機(jī)常數(shù)下為如圖2所示49°。
在透射電子顯微鏡低倍成像模式下，尋找碳纖維的薄區(qū)；結(jié)合選區(qū)電子衍射確定待傾轉(zhuǎn)的碳纖維選區(qū)(最好在形貌上具有較明顯特征，以便傾轉(zhuǎn)后辨認(rèn))如圖7所示。按照實(shí)施例1中步驟2至5所述方法保持如圖8(a6)中所示有效傾轉(zhuǎn)軸(θ＝3°)傾轉(zhuǎn)并記錄各傾轉(zhuǎn)角下選區(qū)衍射譜構(gòu)成碳纖維選區(qū)的第一個(gè)衍射系列(圖8)。再選取與第一個(gè)衍射系列有效傾轉(zhuǎn)軸垂直的方向?yàn)榈诙€(gè)衍射系列的有效傾轉(zhuǎn)軸(如圖9b4所示)。重復(fù)上述傾轉(zhuǎn)操作并記錄本碳纖維選區(qū)的第二個(gè)衍射系列(圖9)。
根據(jù)上述得到的兩個(gè)傾轉(zhuǎn)軸相垂直的衍射系列衍射強(qiáng)度分布的變化和每一系列中各衍射譜的總傾轉(zhuǎn)角度關(guān)系，PAN基碳纖維的倒空間呈如圖10所示鼓形分布。該倒空間分布模型完整地描述了實(shí)空間中碳纖維微晶在平行于纖維生長軸方向完全無序分布而在垂直生長軸方向具有較小取向偏差的顯微結(jié)構(gòu)特征。
實(shí)施例3本發(fā)明確定的熱解炭的石墨微晶取向的倒空間傘形分布特征 在正式對碳碳復(fù)合材料中熱解炭樣品應(yīng)用本方法前，按照實(shí)施例1中步驟1所述首先通過單晶樣品的傾轉(zhuǎn)電子衍射實(shí)驗(yàn)計(jì)算所使用的透射電子顯微鏡的樣品臺(tái)傾轉(zhuǎn)軸在底片上的投影角在選定相機(jī)常數(shù)下為如圖2所示49°。
在透射電子顯微鏡低倍成像模式下，尋找熱解炭的薄區(qū)；結(jié)合選區(qū)電子衍射確定待傾轉(zhuǎn)的熱解炭選區(qū)如圖7所示。按照實(shí)施例1中步驟2至5所述方法保持如圖11(a6)中所示有效傾轉(zhuǎn)軸(θ＝12°)傾轉(zhuǎn)并記錄各傾轉(zhuǎn)角下選區(qū)衍射譜構(gòu)成碳纖維選區(qū)的第一個(gè)衍射系列(圖11)。再選取與第一個(gè)衍射系列有效傾轉(zhuǎn)軸垂直的方向?yàn)榈诙€(gè)衍射系列的有效傾轉(zhuǎn)軸(如圖12b5所示)。重復(fù)上述傾轉(zhuǎn)操作并記錄本碳纖維選區(qū)的第二個(gè)衍射系列(圖12)。
根據(jù)上述得到的兩個(gè)傾轉(zhuǎn)軸相垂直的衍射系列衍射強(qiáng)度分布的變化和每一系列中各衍射譜的總傾轉(zhuǎn)角度關(guān)系，熱解炭的倒空間呈如圖13所示傘形分布。該倒空間分布模型完整地描述了實(shí)空間中熱解炭石墨微晶在平行其所沉積的碳纖維徑向方向具有一定取向偏差(通常該偏差是非均勻的，以不規(guī)則“裙邊”示意)的顯微結(jié)構(gòu)特征。揭示了熱解炭的沉積機(jī)理沿碳纖維徑向方向具有擇優(yōu)取向，且在一定空間范圍內(nèi)分布，該范圍的大小取決于熱解炭的有序程度。
表1傾轉(zhuǎn)補(bǔ)償角Δβi對于傾轉(zhuǎn)電子衍射重構(gòu)實(shí)驗(yàn)選定傾轉(zhuǎn)步長Δαi (以Δα＝7°為例)，在各有效傾轉(zhuǎn)軸θ(0-45°)下的取值列表
權(quán)利要求
1.一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜材料的三維倒易空間重構(gòu)方法，其特征在于對選取的有效傾轉(zhuǎn)軸，對傾轉(zhuǎn)操作過程中樣品臺(tái)主傾角α與副傾角β的配合取值進(jìn)行預(yù)先量化。
2.按照權(quán)利要求1所述材料的三維倒易空間重構(gòu)方法，其特征在于步驟如下
(1)通過單晶樣品的傾轉(zhuǎn)電子衍射實(shí)驗(yàn)計(jì)算所使用的透射電子顯微鏡的樣品臺(tái)傾轉(zhuǎn)軸在底片上的投影角ωβ；
(2)在同一相機(jī)常數(shù)下，記錄研究對象樣品的選區(qū)電子衍射譜，選取此衍射譜的有效傾轉(zhuǎn)軸，測量出選定的有效傾轉(zhuǎn)軸同底片水平線的夾角ωθ，計(jì)算該衍射系列的有效傾轉(zhuǎn)角θ，保持有效傾轉(zhuǎn)軸不變，完成整個(gè)衍射系列；
(3)上述衍射系列以底片為記錄介質(zhì)，在對底片成像光密度值與電子曝光量對數(shù)值之間的關(guān)系曲線的線性區(qū)域定量確定的理論分析基礎(chǔ)上，對底片進(jìn)行衍射曝光實(shí)驗(yàn)，確定電子束強(qiáng)度、曝光時(shí)間和顯影定影時(shí)間組合參數(shù)；
(4)利用收集到的已知傾轉(zhuǎn)軸空間夾角關(guān)系的衍射系列，借助三維構(gòu)圖軟件重構(gòu)出所研究結(jié)構(gòu)復(fù)雜材料的三維倒易空間分布。
3.按照權(quán)利要求1或2所述材料的三維倒易空間重構(gòu)方法，其特征在于步驟如下
(1)將單晶樣品沿傾轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)得到衍射譜，在衍射譜上選取有效傾轉(zhuǎn)軸，測量有效傾轉(zhuǎn)軸同底片水平線的夾角ωθ，并記錄樣品臺(tái)主傾角α和樣品臺(tái)副傾角β，根據(jù)tanθ＝sinβ/tanα和ωβ＝θ+ωθ即可計(jì)算得到該透射電子顯微鏡的樣品臺(tái)傾轉(zhuǎn)軸在底片上的投影角ωβ；
(2)在同一相機(jī)常數(shù)下，記錄研究對象樣品的選區(qū)電子衍射譜，選取有效傾轉(zhuǎn)軸，并在該衍射譜上標(biāo)示和測量出選定的有效傾轉(zhuǎn)軸同底片水平線的夾角ωθ，利用步驟1計(jì)算出的樣品臺(tái)傾轉(zhuǎn)軸的投影角ωβ，由θ＝ωθ-ωβ即可計(jì)算得到此時(shí)所選的有效傾轉(zhuǎn)角θ，根據(jù)該θ，查出對應(yīng)的各傾轉(zhuǎn)步長Δαi下的傾轉(zhuǎn)補(bǔ)償角Δβi，按照該Δαi與Δβi的組合完成傾轉(zhuǎn)操作，保持有效傾轉(zhuǎn)軸不變，完成整個(gè)衍射系列；
(3)上述衍射系列以底片為記錄介質(zhì)，對底片成像光密度值與電子曝光量對數(shù)值之間的關(guān)系曲線的線性區(qū)域定量分析，利用本底片成像光密度D與灰度等級值GL的換算關(guān)系，得到對應(yīng)底片D-lgE曲線位于線性區(qū)的灰度等級值GL的取值范圍，然后對底片進(jìn)行衍射曝光實(shí)驗(yàn)，確定電子束強(qiáng)度、曝光時(shí)間和顯影定影時(shí)間組合參數(shù)；
(4)利用收集到的已知傾轉(zhuǎn)軸空間夾角關(guān)系的衍射系列，借助三維構(gòu)圖軟件重構(gòu)出所研究結(jié)構(gòu)復(fù)雜材料的三維倒易空間分布。
4.按照權(quán)利要求2或3所述材料的三維倒易空間重構(gòu)方法，其特征在于所述步驟1中的樣品臺(tái)主傾角α、樣品臺(tái)副傾角β以及有效傾轉(zhuǎn)角θ三者之間的幾何關(guān)系tanθ＝sinβ/tanα，進(jìn)一步表示為Δβi＝arcsin(tanΔαi×tanθ)，其中Δβi是傾轉(zhuǎn)補(bǔ)償角、Δαi是傾轉(zhuǎn)步長、θ是有效傾轉(zhuǎn)角。
5.按照權(quán)利要求2或3所述材料的三維倒易空間重構(gòu)方法，其特征在于所述步驟2中的電鏡底片成像光密度值與電子曝光量對數(shù)值關(guān)系曲線D-lgE的線性區(qū)的選取方法為通過計(jì)算該曲線上各點(diǎn)的斜率，其取值分布最高點(diǎn)對應(yīng)曲線拐點(diǎn)，取與曲線拐點(diǎn)斜率值相差±50％以內(nèi)的曲線中間部分為底片D-lgE曲線線性區(qū)。
6.按照權(quán)利要求3所述材料的三維倒易空間重構(gòu)方法，其特征在于所述步驟2中的成像光密度D與灰度等級值GL的換算關(guān)系為
D＝Nlg(255/GL)，其中N由底片的最大光密度Ds確定，N＝Ds/lg255，GL0-255。
7.權(quán)利要求1所述方法應(yīng)用于如下的復(fù)雜結(jié)構(gòu)表征(1)碳碳復(fù)合材料中熱解炭結(jié)構(gòu)、(2)具有連續(xù)擇優(yōu)取向的織構(gòu)型材料的倒空間結(jié)構(gòu)、(3)存在局域性連續(xù)分布的倒空間結(jié)構(gòu)、(4)存在局部準(zhǔn)周期調(diào)制的倒空間結(jié)構(gòu)、(5)更為復(fù)雜分布的倒空間結(jié)構(gòu)。
全文摘要
對于某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜或缺陷分布異常的材料，其倒空間可能存在局域性連續(xù)分布，或局部準(zhǔn)周期調(diào)制。本發(fā)明為確定這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)提供了一種三維倒易空間重構(gòu)方法，該方法是通過對傾轉(zhuǎn)操作過程中樣品臺(tái)主傾角α(傾轉(zhuǎn)步長Δαi)與副傾角β(傾轉(zhuǎn)補(bǔ)償角Δβi)的配合取值進(jìn)行預(yù)先量化，使整個(gè)傾轉(zhuǎn)重構(gòu)實(shí)驗(yàn)的操作和記錄準(zhǔn)確、高效。本發(fā)明解決了這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)傾轉(zhuǎn)重構(gòu)過程中耗時(shí)、精度差等問題，通過引進(jìn)了副傾轉(zhuǎn)角Δβi的定量補(bǔ)償，使得所獲的系列選區(qū)電子衍射譜能準(zhǔn)確地保持同一傾轉(zhuǎn)軸；還提供了一種實(shí)用的確定底片強(qiáng)度動(dòng)態(tài)范圍的方法，該方法基于理論分析，同時(shí)配合實(shí)驗(yàn)測量，能定量確定符合記錄底片的強(qiáng)度動(dòng)態(tài)范圍的衍射強(qiáng)度灰度等級取值范圍。
文檔編號C04B35/83GK101768008SQ20091001000
公開日2010年7月7日 申請日期2009年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月6日
發(fā)明者賀連龍, 朱媛苑 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所