掃描電鏡在金屬包裝中的應用

文/宋偉偉

掃描電鏡(即掃描電子顯微鏡)誕生于20世紀60年代，它使人類的觀測水平進人到了微觀世界。依靠高分辨率、良好的景深和相對簡易的操作等優勢，掃描電鏡廣泛應用于科學研究和工程實踐中。在金屬材料(鋼鐵、冶金、機械加工)和非金屬材料(化學、地質礦物學、橡膠玻璃纖維)等領域，運用掃描電鏡分析材料的微觀形貌、組織和成分，成為微觀分析檢測和研究不可缺少的工具。
本文以所使用的德國蔡司掃描電子顯微鏡為例，介紹了掃描電子顯微鏡在金屬包裝產品相關的檢測分析和研究中的應用，該儀器可以很好地為金屬包裝產品的原材料檢測、內涂效果、密封狀態和質量事故的分析提供強有力的技術支持。

一、掃描電鏡的結構

掃描電鏡是在加速高壓作用下將電子槍發射的電子經過多級電磁透鏡匯集成細小的電子束，在試樣表面進行掃描，激發出各種信息， 通過對這些信息的接收、放大和顯示成像，對試樣表面進行分析。

掃描電鏡由電子光學系統、信號收集及顯示系統、真空系統和電源系統組成。電子光學系統的作用是用來獲得產生物理信號的激發源；信號收集及顯示系統旨在檢測樣品產生的物理信號，并放大轉化為顯像系統信號，真空系統和電源系統分別提供掃描電鏡正常工作防止樣品污染的真空度和各部件所需的電源。

二、金屬包裝原材料檢測

金屬包裝產品制造產業鏈較長，從最初的鋼板到最終的產品金屬容器，經過不同的生產企業和生產工序，不可避免地會出現各類問題。因此，對生產原材料的檢驗尤為重要，當常規檢測方法無法進行分析判斷時，掃描電鏡可以在微觀層面對原材料進行檢測。

目前金屬包裝原材料的檢測應用主要包括以下兩個方面。

1、原材料形貌、成份相份布檢測。金屬包裝用冷軋板、鍍鋅板、馬口鐵、鍍鉻鐵和鋁基板表面粗糙度、擦傷和針孔等微觀形貌檢測，鍍鋅板、馬口鐵、鍍鉻鐵和鋁基板表面金屬元素成分和分布檢測。

2、彩印鋼板印涂效果的撿測。可以觀察內涂裝固化效果，進行涂布漏涂、雜質點、劃花和熔錫等問題檢測，分析涂料的元素成分。
在工作中檢測的部分樣品掃描電鏡圖如圖l所示。

圖1 金屬包裝原材料掃描電鏡圖

三、金屬包裝產品微觀測量

掃描電鏡系統中帶有標尺，可以迸行微小尺寸的測量，對干金屬包裝產品上常規設備無法進行尺寸測量的部位，可以采用掃描電鏡進行測量，具體應用如下。

1、涂膜厚度的測量。將試樣鑲嵌后橫截面磨拋進行測量，樣品制備處理過程會對測量結果造成一定的誤差，可在一定程度測得涂膜的厚度。

2、焊縫結結構尺寸的測量。觀察焊縫結構的橫截面，可以測量焊縫的搭接量、焊縫厚度，以及粉末補涂厚度的分布情況。

3、蓋子刻線余量和鉚釘處等微觀尺寸測量。能夠更好地檢測生產過程中參數的控制，評價產品質量的穩定性。

4、卷邊封口部位尺寸測量。當卷邊出現問題時，采用掃描電鏡比常規方法測試更加直觀清楚，磨拋制樣對樣品損傷相對較小。

部分實驗結果掃描電鏡圖如圖2所示。

圖2 微觀尺寸測量掃描電鏡圖

四、內涂層腐蝕失效分析

金屬包裝產品一般保質期較長，內容物長期與金屬容器內璧接觸不可避免地會發生腐蝕。當金屬容器存在原材料不良或加工工藝損傷等問題時，會加速腐蝕反應而導致金屬包裝產品腐蝕失效，引起質量事故。掃描電鏡能夠對腐蝕失效的原因迸行分析，研究腐蝕發生的過程和機理。

部分實驗結果掃描電鏡圖如圖3所示。

圖3 腐蝕失效分析掃描電鏡圖

五、質量事故分析

掃描電鏡在對金屬容器應用中的質量事故進行分析時也發揮了重要作用，測試結果具有科學性和權威性。對目前工作中所遇到的檢測問題簡要列舉如下。

1、內容物中的異物成份鑒定。有助于從生產各個環節查找原因，分析引入異物的生產工序，對可疑異物來源樣本進行成分比對。

2、容器內璧腐蝕。尤其是焊縫、卷邊和縮頸等變形大的位置腐蝕分析，實罐內涂膜缺陷狀況.焊縫補涂效果測試。

3、臟污、印涂異常、自斑及涂膜起皺。可針對金屬容器外壁臟污、印刷效果異常、蓋子白斑和縮頸部位涂膜起皺等問題分析，如分析臟污成分；查找問題產生原因。

部分實驗結果掃描電鏡圖如圖4所示。

圖4 質量問題分析掃描電鏡圖

六、掃描電鏡注意事項

掃描電鏡是一種大型分忻儀器，廣泛應用于材料微觀形貌觀察和成分分析，但它也有一定的局限性，對測試的樣品有較高的要求，在使用中還應該嚴格遵循以下儀器操作規程。

第一，掃描電鏡由于價格昂貴及特殊的工作原理，需要由專人操作，對操作人員專業技術水平要求高，減少不規范操作對儀器的損害，并定期進行維護，使儀器處于最佳工作狀態。

第二，掃描電鏡對測試樣品有要求，要具有合適的尺寸，能放進樣品倉并固定，樣品不能含有水分，物理和化學性質穩定，磁性樣品要預先去磁，對不導電或導電性差的樣品需要采用離子濺射儀進行噴金處理，從而增強其觀察效果。

第三，我司德國蔡司掃描電鏡光源的電子槍為鎢燈絲，每個鎢燈絲的使用時間約為100小時，達到壽命極限時會斷裂，必須進行更換。此外，每次進行測試時，需要對設備內部抽真空或充氮，掃描電鏡不適用于批量測試，對干不同的待測試樣品，應提前明確測試位置和目的，提高測試效率。

（文章來源：《金屬包裝》2016年第三期）