镀层测试标准

为配合《电器电子产品有害物质使用管理办法》及合格评定制度的实施，全国电工电子产品与系统的环境标准化技术委员会有害物质检测方法分技术委员会（SAC/TC297/SC3）于2018年启动了IEC 62321系列标准转化国家标准的制定工作，2020年正式完成，现已发布5项，剩余4个标准，预计将在今年内发布。今后，GB/T 39560系列标准（IEC标准转国标）将替代GB/T 26125成为我国《电器电子产品有害物质使用管理办法》新的支撑标准。 先期发布的5个标准已于今年7月1日起正式实施，其中，需要特别注意的是Cr（VI）的测定标准GB/T 39560.701，其变化最大。该标准是IEC 62321-7-1:2015的等同转化，针对金属上无色和有色防腐镀层中六价铬的测试给出了详细方法。相较于老版IEC 62321:2008或GB/T 26125-2011附录B，新标准修订的关键内容主要有以下三点： 01取消斑点法斑点法本身有局限性，可能会出现假阴性的结果。由于镀层工艺千差万别，广泛存在不均匀性。同一批次样品的镀层表面，取样位点不同，可能得到的测试结果也不相同。甚至出现部分样品在斑点法测试中，六价铬测试结果为阴性，但继续使用沸水提取，结果又呈阳性。因此在新一版的标准方法，取消了斑点法测试镀层中的六价铬。 02选用镀层单位表面积的六价铬质量(μg/cm2)来体现六价铬的存在性1) 六价铬主要存在金属镀层表面。在金属基材镀锌、镉等之后，往往需要进行表面钝化处理，形成一层薄钝化膜，主要是为了保护金属镀层。传统含铬工艺，主要是Cr(Ⅵ)和三价铬的混合物。 2) 在产品生产后，难以准确测量防腐镀层的质量。涂镀层和钝化膜通常很薄，与基材质量相比甚小。若以涂镀层中Cr(Ⅵ)含量来表示，需要对镀层进行剥离。尽管已开发了多种镀层剥离技术，但由于镀层厚度与密度的不均匀性，很难获得较为准确的镀层质量。 3) 考虑到行业的变化趋势，从镀层技术角度看，要么使用不含六价铬的化学物质，即很少或者不存在六价铬，要么使用传统的含有六价铬的化学物质，即六价铬含量显著，且能可靠的检测到。考虑到样品中六价铬分布的不均匀性，将0.10 μg/cm2~0.13 μg/cm2之前的“灰色区域”确定为“非结论性的”。 03测试结果的判定依据在新版标准中，采用比色法与目视法结合对判定样品测试结果进行指导，大大降低了误判风险，可参考以下流程进行镀层中六价铬测试：岛津UV系列产品助您快速准确完成六价铬测试 应用例中Cr6+标准曲线示意： 标准样品制备和测试条件：分别取六价铬标准储备液至25 mL比色管中，并用纯水定容（标准曲线相当于0.00、0.05、0.10、0.20、0.50 mg/L的六价铬），加入2.0 mL二苯卡巴肼溶液（5.00 g/L）。以零点作为比色时的参比液。用1 cm比色皿于波长540 nm处测定吸光度。 六价铬水质分析试剂为您免去显色试剂的配制苦恼：岛津（上海）实验器材有限公司可提供1,5-二苯碳酰二肼显色试剂（型号：LR-Cr6+），方便快捷，随拆随用。

研究镀层特性，有哪些常用的分析技术? 　　如今，大多数材料不是多层结构，如薄膜光伏电池、LED、硬盘、锂电池电极、镀层玻璃等就是表面经过特殊处理或是为改善材料性能或耐腐蚀能力采用了先进镀层。为了很好地研究和评价这些功能性镀层特性，有多种表面分析工具应运而生，如我们熟知的X射线光电子能谱XPS、二次离子质谱SIMS、扫描电镜SEM、透射电镜TEM、椭圆偏振光谱、俄歇能谱AES等。 　　为什么辉光放电光谱技术受青睐? 　　辉光放电光谱仪作为一种新型的表面分析技术，虽然近年来才崭露头角，但已受到了越来越多的关注。与上述表面分析技术相比，辉光放电光谱仪在深度剖析材料的表面和深度时具有不可替代的独特优势，它的分析速度快、操作简单、无需超高真空部件，并且维护成本低。 　　辉光放电光谱仪最初起源于钢铁行业，主要被用于镀锌钢板及钢铁表面钝化膜等的测定，但随着辉光放电光谱技术的逐步完善，仪器的性能也得以提升，可分析的材料越来越广泛。 　　其性能的提升表现在两方面：一方面随着深度分辨率的不断提升，辉光放电光谱技术已可以逐渐满足薄膜的测试需求。现在，辉光放电光谱仪的深度分辨率可达亚纳米级别，可测试的镀层厚度从几纳米到150微米，某些特殊材料可以达到200微米。 　　另一方面是辉光源的性能改善，以前辉光放电光谱仪主要用于钢铁行业的测试，测试的镀层样品几乎都是导体，DC直流的辉光源即可满足该类测试，但随着功能性镀层的不断发展，越来越多的非导体、半导体镀层出现，这使得射频辉光源的独特优势不断凸显。射频辉光源既可以测试导体也可以测试非导体样品，无需更换任何部件和测试方法，使用方便。如果需要测试热敏材料或是为抑制元素热扩散则需选用脉冲射频辉光源。脉冲模式下，功率不是持续性的作用到样品上，可以很好地抑制不期望的元素扩散或是造成热敏样品的损坏，确保测试结果的真实准确。 　　辉光放电光谱的工作原理 　　辉光放电腔室内充满低压氩气，当施加在放电两极的电压达到一定值，超过激发氩气所需的能量即可形成辉光放电，放电气体离解为正电荷离子和自由电子。在电场的作用下，正电荷离子加速轰击到(阴极)样品表面，产生阴极溅射。在放电区域内，溅射的元素原子与电子相互碰撞被激化而发光。 辉光放电源的结构示意图，样品作为辉光放电源的阴极 　　整个过程是动态的，氩气离子持续轰击样品表面并溅射出样品粒子，样品粒子持续进入等离子体进行激化发光，不断有新的层在被溅射，从而获得镀层元素含量随时间的变化曲线。 　　辉光放电等离子体有双重作用，一是剥蚀样品表面颗粒 二是激发剥蚀下来的样品颗粒。在空间和时间上分离剥蚀和激发对于辉光放电操作非常重要。剥蚀发生在样品表面，激发发生在等离子体中，这样的设计可以很好地抑制基体效应。 　　氩气是辉光放电最常用的气体，价格也相对便宜。氩气可以激发除氟元素外所有的元素，如需测试氟元素或是氩元素时需采用氖气作为激发气体。有时也会使用混合气体，如Ar+He非常适合于分析玻璃，Ar+H2可提高硅元素的检出，Ar+O2会应用到某些特殊的领域。 　　光谱仪的主要功能是通过收集和分光检测来自等离子体的光以实现连续不断监控样品成分的变化。光谱仪的探测器必须能够快速响应，实时高动态的观测所有元素随深度的变化。辉光放电光谱仪中多色仪是仪器的重要组成部分，是实现高动态同步深度剖析的保障。而光栅是光谱仪的核心，光栅的好坏决定了光谱仪的性能，如光谱分辨率、灵敏度、光谱仪工作范围、杂散光抑制等。辉光放电是一种较弱的信号，光通量的大小对仪器的整体性能有至关重要的影响。 　　如何进行定量分析? 　　和其他光谱仪一样，通过辉光放电光谱仪做定量分析也需要建立标准曲线。不同的是，辉光放电光谱仪的标准曲线不仅是建立信号强度和元素浓度之间的关系，还会建立时间和镀层深度间的关系。 　　下图是涂镀在铁合金上的TiN/Ti2N复合镀层材料的元素深度剖析，直接测试所得的信号强度(V)vs时间(s)的数据经过标准曲线计算后可获得浓度vs深度的信息，可清晰的读取各深度元素的浓度。 　　想建立标准曲线就会涉及到标准样品，传统钢铁领域已经有非常成熟的方法及大量的标准样品可供选择。然而一些先进材料和新物质，很难找到标准样品做常规定量分析。HORIBA研发的辉光放电光谱仪针对这类样品开发了一种定量分析方法，称为Layer Mode，该方法可以使用一个与分析样品相类似的参比样品建立简单的标准曲线，实现对待测样品的半定量分析。 　　辉光放电光谱的主要应用 　　除了传统应用领域钢铁行业，辉光放电光谱仪现在主要应用于半导体、太阳能光伏、锂电池、硬盘等的镀层分析。下面就这些新型应用阐述一下辉光放电光谱仪的独特优势。 　　1. 半导体-LED芯片 　　如上图所示，LED芯片通常是生长在蓝宝石基底上的多镀层结构，其量子阱活性镀层非常薄(仅有几纳米)，而且还包埋在GaN层下。这种结构也增加了分析的难度。典型的表面技术如SIMS和XPS可以非常好表征这个活性镀层，但是在分析过程中要想剥蚀掉上表面的GaN层到达活性镀层需要耗费几个小时，分析速度慢，时效性差。 　　辉光放电光谱仪的整个分析过程仅需几十秒即可获得LED芯片镀层中各元素随深度的分布曲线，可快速反馈工艺生产过程中遇到的问题。 　　2、太阳能光伏电池 　　太阳能电池中各成分的梯度以及界面对于光电转换效率来说至关重要，辉光放电光谱仪可以快速表征这些成分随深度的分布，并通过这些信息优化产品结构，提高效率。分析速度快、操作简单、非常适用于实验室或工厂大量分析样品。 　　3、锂电池 　　锂离子电池的正极材料是氧化钴锂，负极是碳。 　　锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。 　　同理，当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程)，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。 　　辉光放电光谱仪可以通过测试正负电极上各种元素随深度的分布来判定其质量及使用寿命等。 　　辉光放电光谱仪除独立表征样品外，还可以和其他分析手段相结合多方位全面的进行表征。如辉光放电光谱仪可以与XPS、SEM、TEM、拉曼和椭偏等技术共同分析。 　　总体来说，辉光放电光谱仪是一种非常方便快速的镀层分析手段。它的出现极大地解决了工艺生产中质量监控、条件优化等问题，此外还开拓了新的表征方向。 　　关于HORIBA 脉冲射频辉光放电光谱仪 　　HORIBA研发的脉冲射频辉光放电光谱仪是一款用于镀层材料研究、过程加工和控制的理想分析工具。脉冲射频辉光放电光谱仪可对薄/厚膜、导体或非导体提供超快速元素深度剖析，并且对所有的元素都有高的灵敏度。 　　脉冲射频辉光放电光谱仪结合了脉冲射频供电的辉光放电源和高灵敏度的发射光谱仪。前者具有很高的深度分辨率，可对样品分析区域进行一层层剥蚀 后者可实时监测所有感兴趣元素。 　　(本文由HORIBA 科学仪器事业部提供)

高压隔离开关在我国电力系统中被广泛应用，主要用于检修高压电线、断路器等电气设备时，在无负荷情况下切换高压线，隔断电网，安全的进行检修，保证电力设备和电力人员的安全。导电触头是高压隔离开关的关键部件,承担转接、隔离、接通和分断等任务,其工作状态的好坏,直接影响到整个电力系统的运行。触头作为高压开关的重要部件,容易受到侵蚀破坏,触头镀膜质量下降问题最为常见。因此,一套科学有效的触头镀膜检测方法是保障高压电器设备安全运行的前提。x射线荧光光谱分析法是镀银层厚度检测的一种非常有效的分析方法，具有分析迅速、样品前处理简单、可分析元素种类多，可分析的浓度范围广，可以同时进行多元素分析，谱线简单，光谱干扰少等优点。赛默飞世尔尼通便携式x射线荧光镀层检测仪相比台式分析仪器在金属表面处理工艺中有着无可比拟的优势，它无需切割样品，无需花费较长的时间来等待检测结果，可以在数秒内准确，无损的得到多层镀层厚度，对提高电镀效率和过程效率很有帮助，避免镀层过厚或过薄。另外，赛默飞世尔尼通便携式x射线荧光镀层检测仪不受分析样品的大小、形状限制，对于大的、不规则形状样品和小直径的丝状、管状样品同样适用。切割样品放到台式分析仪测试的做法将成为历史。技术进步和对用户需求的持续关注，使赛默飞世尔尼通便携式x射线荧光镀层检测仪成为在工业现场进行镀层厚度分析的首选，它可以携带至任何工作现场并获得实验室级精度的分析数据。除了优越的合金牌号鉴定及合金成分分析功能，赛默飞世尔尼通便携式x射线荧光镀层检测仪还提供了镀层测厚和涂层测重的无损检测方案，提高了工作效率和经济效益。高压隔离开关触头的镀银层质量是影响其电接触性和可靠性的重要因素，镀层不合格会导致触头早期失效，造成电网运行故障。建议在开关触头验收阶段或者投入使用之前，采用赛默飞世尔尼通便携式x射线荧光镀层检测仪对高压开关触头镀银层进行成分和厚度检测，保证入网产品符合国家电网公司相应规范要求。赛默飞世尔尼通便携式x射线荧光镀层检测仪实测数据ag/ni/cu镀层1镀层2测试次数ni(μm)ag(μm)14.7344.4324.7514.40934.754.40444.7554.40754.7114.38464.7564.40674.7484.42284.714.40894.7364.411104.714.414平均值4.7364.41标准值4.724.42赛默飞世尔尼通便携式x射线荧光镀层检测仪产品特点【灵活性】可利用已知样品轻松校正【在线分析】提升生产过程效率【无损分析】样品无需切割【测厚准确】防止镀层过厚或过薄【特殊构造】采用坚韧的lexan塑料密封外充，重量轻，坚固耐用；密封式一体化设计，防尘、防水、防腐蚀，可在任何地方安全使用【通讯功能】蓝牙、usb多种仪器连接方式【可测试元素多】可检测mg-pb之间的多达25种元素【激发源功率高】可检测镀层厚度为0.4-100um（无限厚度视镀层元素不同）【计算方法领先】基本参数法加经验系数法结合【检测方法领先】提高了较涡电流/磁感应检测方法对基体变化/样品形状比较敏感的技术准确性【多种单位可选】可测试二十余种基体下单/双层镀层样品厚度并可转换成多种单位