Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Imaging korrosjon på metal-Paint Interface bruke time-of-Flight sekundær ion Mass massespektrometri

Published: May 6, 2019 doi: 10.3791/59523
Automatic Translation
1, 2, 3, 1
1Earth and Biological Sciences Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, 2Energy and Environment Directorate, Pacific Northwest National Laboratory, 3Wiley Environmental Molecular Sciences Laboratory, Pacific Northwest National Laboratory

Summary

Time-of-Flight sekundære ion Mass massespektrometri brukes til å demonstrere kjemisk kartlegging og korrosjon morfologi ved metall-maling-grensesnittet til en aluminiumslegering etter å ha blitt utsatt for en saltløsning sammenlignet med en prøve eksponert for luft.

Abstract

Korrosjon utviklet på maling og aluminium (Al) metall-maling grensesnitt av en aluminiumslegering er analysert ved hjelp av Time-of-Flight sekundære ion Mass massespektrometri (ToF-SIMS), som illustrerer at SIMS er en egnet teknikk for å studere den kjemiske fordelingen på en metall-maling-grensesnitt. De malte Al legering kuponger er nedsenket i en saltløsning eller utsettes for luft bare. SIMS gir kjemisk kartlegging og 2D molekylær Imaging av grensesnittet, slik at direkte visualisering av morfologi av korrosjon produkter dannet ved metall-maling-grensesnitt og kartlegging av den kjemiske etter korrosjon oppstår. Den eksperimentelle prosedyren for denne metoden er presentert for å gi tekniske detaljer for å lette lignende forskning og markere fallgruver som kan oppstå under slike eksperimenter.

Introduction

Al legeringer har brede applikasjoner i engineering strukturer, slik som i Marin teknologi eller militære Automotive, tilskrives deres høye styrke-til-vekt-forhold, utmerket formbarhet, og motstand mot korrosjon. Imidlertid er lokalisert korrosjon av Al-legeringer fortsatt et vanlig fenomen som påvirker deres langsiktige pålitelighet, holdbarhet og integritet i ulike miljøforhold1. Maling belegg er den vanligste middel for å hindre korrosjon. Illustrasjon av korrosjon utviklet i grensesnittet mellom metall og maling belegg kan gi innsikt i å bestemme riktig middel for korrosjons forebygging.

Korrosjon av Al-legeringer kan skje via flere ulike veier. X-ray photoelectron spektroskopi (XPS) og skanning elektron mikroskopi/energi-dispersive X-ray spektroskopi (SEM/EDX) er to vanlig anvendt overflate mikroanalyse teknikker i å undersøke korrosjon. XPS kan gi elementær kartlegging, men ikke en holist molekylær visning av overflaten kjemisk informasjon2,3, mens SEM/EDX gir morfologiske informasjon og elementær kartlegging, men med relativt lav følsomhet.

ToF-SIMS er et annet overflate verktøy for kjemisk kartlegging med høy masse nøyaktighet og lateral oppløsning. Den har en lav grense på deteksjon (LOD) og er i stand til å avsløre fordelingen av korrosjon arter dannet på metall-maling grensesnitt. Vanligvis kan SIMS masse oppløsning nå 5000-15000, tilstrekkelig til å skille de isobar ioner4. Med sin submikron romlig oppløsning, kan ToF-SIMS kjemisk bilde og karakterisere metallet-maling grensesnitt. Det gir ikke bare morfologiske informasjon, men også den laterale fordelingen av molekylære korrosjon arter på toppen få nanometer av overflaten. ToF-SIMS tilbyr utfyllende informasjon til XPS og SEM/EDX.

For å demonstrere evnen til ToF-SIMS i overflate karakterisering og bildebehandling av korrosjon grensesnittet, to malt Al legering (7075) kuponger, en eksponert for luft bare og en til en salt-løsning, er analysert (figur 1 og figur 2). Forstå korrosjon atferd på metall-maling grensesnitt utsatt for saltvann tilstanden er avgjørende for å forstå ytelsen til Al-legering i et marint miljø, for eksempel. Det er kjent at dannelsen av Al (OH)3 oppstår under Al ' s eksponering for sjøvann5, men studiet av Al korrosjon fortsatt mangler omfattende molekylær identifisering av korrosjon og belegg grensesnitt. I denne studien er fragmenter av Al (Oh)3, inkludert Al-oksider (f. eks Al3o5-) og oxyhydroxide arter (f. eks Al3o6H2-), observert og identifisert. Sammenligningene av The Sims Mass Spectra (Figur 3) og molekylære bilder (Figur 4) av de negative ioner Al3o5- og Al3o6H2- gir den molekylære bevis på korrosjon produkter dannet ved metall-maling grensesnitt av saltløsning-behandlet Al legering kupongen. SIMS tilbyr muligheten til å belyse den kompliserte kjemien som oppstår på metall-maling-grensesnitt, som kan bidra til å belyse effekten av overflatebehandlinger i Al-legeringer. I denne detaljerte protokollen, viser vi denne effektive tilnærmingen i undersøkelser av metall-maling grensesnitt for å hjelpe nye utøvere i korrosjon forskning ved hjelp ToF-SIMS.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. korrosjon prøveforberedelse

  1. Al prøve fiksering i harpiks, og polering
    1. Monter to Al legering kuponger (1 cm x 1 cm) ved hjelp av epoxy harpiks i 1,25 tommer metallografiske prøve kopper og plassere kuponger i avtrekks panseret over natten eller til harpiks er fullstendig kurert.
    2. Ta ut Al harpiks sylindere kopper fra prøven kopper. Polsk Al harpiks sylindere med 240 grus papir med vann ved en 300 RPM platen/150 RPM i holderen i 1 min.
    3. Polsk Al harpiks sylindere ved hjelp av polering plate med 15 μm, 6 μm, 3 μm, og 1 μm vannbasert løsning for 5 min (hvert trinn), sekvensielt.
    4. Skyll Al harpiks sylindere med deionisert vann (DI) og buff dem med bomull.
    5. Skyll Al Resin flaskene igjen med etanol og legg dem i den kjemiske avtrekks panseret til de er tørre.
      Merk: Alternativt kan prøven tørkes med trykkluft eller nitrogen.
  2. Utarbeidelse av Al korrosjon prøven
    1. Spray den sorte malingen 2x på hver Al harpiks sylinder og la dem stå i avtrekks panseret i 24 timer. Malingen er ca 100 μm tykk.
      Merk: malingen er et kommersielt produkt med primer blandet i en flaske. Det er hurtigtørkende og rust forebyggende.
    2. Graver fire parallelle linjer (5-6 mm lang) rett ned på toppen av hver malte Al harpiks sylinder ved hjelp av skalpeller. Plasser linjene i midten av Al-legeringer.
    3. Dypp en Al harpiks sylinder inn i en pH 8,3 saltløsning som inneholder NaCl, MgSO4, MgCl2, og KCl, med beskrevet overflaten ned. Delvis dekke 10 cm x 10 cm Petri parabolen med lokket.
      Merk: salt løsningen er laget av 465 mM NaCl, 28 mM MgSO4, 25 mm MgCl2og 3 mm KCl i 50 ml av di vann, justert med 0,1 M NaOH for å nå ca pH 8,3. Løsningen inneholder hoved ioner i sjøvann. Konduktivitet av saltoppløsningen er omtrent 5,5 S/m. Temperaturen på løsningen er 72 ° f.
    4. Plasser den andre Al harpiks sylinder med sin beskrevet overflaten ned i en ren Petri parabolen og dekke den med lokket. Oppbevar begge prøvene i den kjemiske avtrekks panseret i 3 uker.
  3. Eksponering av korrosjon grensesnittet og montering av grensesnittet i harpiks
    1. Skjær hver Al harpiks sylinder i to halvdeler ved hjelp av en lav hastighet så med et diamant blad, vinkelrett til midten av de markerte linjene, og trim overdreven harpiks kanten.
    2. Monter alle trimmet Al legering brikker i en 2 tommers prøvekopp og danne en forsamling ved å plassere Al legering brikkene langs en sirkel, med metall-maling grensesnitt vendt opp. Mellomrom ut hver Al legering stykke.
    3. Gjenta trinn 1.1.2-1.1.3.
    4. Videre polish metallet-maling tverrsnitt i en vibrerende poleringsmaskin festet til en £ 2 vekt bruker 0,05 μm av kolloidalt silika løsning på en polering pad for 4 h.
    5. Gjenta trinn 1.1.4-1.1.5
      Merk: fikserings-og polerings arbeidet er viktig for å anskaffe tilstrekkelige SIMS-signaler fordi en upolert overflate vil føre til lav intensitet av sekundære ioner signaler og en dårlig masse oppløsning under SIMS-analyse.
  4. Belegg av prøven med en frese elektrostatisk
    1. Sett polert metall-maling grensesnitt montering i frese elektrostatisk kammer med grensesnittet side opp. Lukk lokket på frese elektrostatisk og begynner å pumpe ned kammeret.
    2. Følg den vanlige frese elektrostatisk prosedyren og sette inn et 10 NM gull (au) lag på metall-maling-grensesnitt montering.
      Merk: formålet med denne prøve overflatebehandlingen er å redusere lade effekten under The SIMS-analysen. Hvis prøven er ledende, er dette trinnet ikke nødvendig.

2. analyse av metall-maling korrosjon grensesnitt bruker ToF-SIMS

  1. Lasting av prøvene i ToF-SIMS
    1. Monter metall-lakk grensesnitt forsamlingen inneholder saltløsning-behandlet prøven og luft-eksponert kontroll på Topmount sample holderen ved hjelp av skruer og klips.
      Merk: Topmount er navnet på prøve holderen som holder prøven på toppen av prøve holderen.
    2. Skru av låseskruen på Last lås døren, og klikk på knappen Stopp på Fpanel -vinduet i ToF-Sims-programvaren grafisk brukergrensesnitt (GUI) for å lufte Load-Lock kammeret.
    3. Åpne Last lås kammeret ved å svinge prøve overførings armen mot høyre, snu overførings armen mot klokken til den festes til tappen på Topmount sample holderen, og slå den deretter på igjen.
    4. Sving overførings armen tilbake for å lukke døren til Last låsen og stram låseskruen på døren for å forsegle belastnings låsen.
    5. Falle i staver knappen starte på Fpanel vindu å pumpe ned det belaste-lås kammeret kassaskuff den når ~ 1.0 e-6 mbar eller neden.
    6. Klikk på knappen Åpne på Fpanel-vinduet for å åpne porten mellom kammeret og Last låsen.
    7. Skyv prøve overførings armen som er festet med prøveholderen, inn i hoved kammeret. Drei overførings armen mot klokken til prøveholderen overføres til prøve etappen i hoved kammeret.
    8. Trekk overførings armen helt tilbake, og klikk på knappen Lukk i Fpanel-vinduet for å lukke porten mellom kammeret og belastnings låsen.
    9. Velg Topmount. Shi fra rullegardinmenyen i popup-vinduet, velg eksempel holde ren, og klikk OK. Bildet av Topmount sample holderen vises på høyre side av Navigator GUI.
    10. Vent til vakuumnivået av de viktigste kammeret når minst 1,0 E-8 mbar eller under.
  2. Starter av den flytende metall ion pistolen (LMIG) og justering av ion strålen
    1. Kryss av i boksene i LIMG, analysator, og belysning i makt kontroll vinduet for å drive opp Liquid metal ion Gun (LIMG), analysator, og lyskilde etter at prøvene er overført til de viktigste vakuumkammeret.
    2. Merk av i boksen for LMIG som vises i Fpanel-vinduet for å aktivere kategorien LMIG. Klikk Start LMIG fra under kategorien kilde under LIMG tab i instrument vinduet for å aktivere LMIG.
    3. Velge det forutbestemt arkiv av massespektrometri innfatningene inne det popmusikk-opp vindu av belaste innfatningene og falle i staver åpen.
      Merk: bi3+ er valgt som primær stråle. LMIG-energien er satt til 25 kV. Den LIMG Chopper bredde er satt til 25 NS. De andre innstillingene, inkludert utslipps strøm 1,0 μA; varme verdien er 2,75 A; Suppressor ca 800-1000 V; Extractor 10 kV; linsen kilde 3,3 kV; syklusen tid 100 μs; massen området 1-870 u. Innstillingene kan variere avhengig av instrument modell, gjenværende levetid for LMIG og anskaffelses kravet for bestemte prøver.
    4. Velge LMIG inne det popmusikk-opp vindu av arter å belaste, falle i staver det valgt knapp, og falle i staver OK.
      Merk: det tar ca. 5 minutter å starte LIMG fullt.
    5. Velg positiv fra rullegardinmenyen i instrument oppsett i Fpanel for å bestemme hvilke ioner som skal oppdages.
      Merk: Velg negativ på rullegardinmenyen hvis negative ioner skal måles.
    6. Velge det forutbestemt arkiv av det analyserer innfatningene etter klikker knappen av det lessing innfatningene inne det Fpanel å aktivere det analyserer.
      Merk: analyse akselerasjonen er satt til 9,5 kV; analysator energien er satt til 2 kV; detektoren er satt til 9 kV. Innstillingene for analysator kan variere på grunn av konfigurasjonen av forskjellige SIMS-modeller.
    7. Velg Faraday Cup fra rullegardinmenyen til markørposisjon i Navigator GUI. Klikk på gå for å flytte scenen til Faraday Cup.
      Merk: Flytt scenen til Faraday-koppen for mål gjeldende måling.
    8. Velg Micro View fra rullegardinlisten over video i Navigator GUI for å vise posisjonen til Faraday Cup.
    9. Klikk på midten av Faraday Cup under Micro Vis i Navigator GUI og velg Kjør til merket posisjon fra rullegardinmenyen etter å ha høyreklikket på Se/si Primary Gun vinduet i Navigator Gui.
    10. Velg 20 μm x 20 μm fra rullegardinmenyen for Angi raster synsfelt etter å HØYREKLIKKE på Se/si Primary Gun vinduet i Navigator GUI.
    11. Klikk på knappen C under kategorien pistol under kategorien LIMG i instrument vinduet for å justere ion strålen automatisk.
    12. Klikk på Start -knappen og Merk av i boksen til DC fra under kategorien pulserende under kategorien LMIG for å måle mål strømmen.
    13. Klikk X-blind fra under kategorien fokus under kategorien LIMG, og drei musehjulet for å maksimere mål strømmen. Klikk Y-blind fra samme kategori for å maksimere mål strømmen.
      Merk: målet strøm av ion strålen målt under massen massespektrometri modus bør være større enn 14 nA, eller større enn 0,5 pa hvis bi3+ er valgt, for å oppnå ønsket intensitet av ion signaler.
    14. Klikk på Stopp -knappen i under kategorien fokus for å stoppe målingen av mål strømmen.
  3. Justering av strålen fokus i regionen av interesse
    1. Trykk på Z -knappen på styrespaken kontrollpanelet og skyv styrespaken opp for å senke prøven scenen till Extractor kjegle er over toppen av metall-maling grensesnitt forsamlingen.
      Merk: det er viktig å unngå en kollisjon mellom Extractor kjegle og prøvene når du gjennomfører dette trinnet.
    2. Trykk på X -og Y -knappene på joysticken og Flytt joysticken venstre/høyre og opp/ned for å bringe grensesnittet forsamlingen til den vises i makro visningen i Navigator GUI.
    3. Bytt til Micro View i Navigator GUI for å finne regionen av interesse (ROI) av metal-Paint-grensesnittet.
    4. Sett AVKASTNINGEN til 300 μm x 300 μm etter Høyreklikk på Se/si primære pistolen vinduet for å utvide feltet i visningen.
    5. Velg signaltype si, raster størrelse 128 x 128 pixel, og raster type tilfeldig fra Se/si primære pistolen i Navigator GUI.
    6. Klikk på den svarte trekanten og JUSTER si -knappen i vinduet Se/si primær pistol . Den runde formen på sekundær ion (SI)-bildet av AVKASTNINGEN vises i vinduet Se/si primær pistol .
    7. Trykk på Z -knappen på kontrollpanelet til styrespaken. Flytt styrespaken opp eller ned for å bringe den runde formen av SI bildet til midten av trådkorset i Se/si Primary Gun vinduet.
      Merk: Hvis trådkorset er midt i den runde formen av SI bilde, indikerer det at bildet er oppnådd med godt fokus.
    8. Fjern merkingen av JUSTER si -knappen, og klikk på kvadrat knappen i Se/si Primary Gun -vinduet for å stoppe fokus justeringen.
  4. Fjerning av overflatebelegget og forurensning ved hjelp av høy strømmodus/DC-modus
    1. Velg SE-bildet fra rullegardinmenyen i vinduet Se/si primær pistol for å observere Likestrøms rengjøringsprosessen.
    2. Kryss av i boksen av DC i Fpanel og klikk på den svarte trekanten knappen for å starte DC rengjøring.
      Merk: Hold DC på i 10 s eller til SE bildet indikerer gull laget er fjernet. Varigheten av DC rengjøring kan variere avhengig av tykkelsen på belegget.
    3. Klikk på den svarte firkantede knappen for å stoppe DC rengjøring når du observerer gull belegget er fjernet via Micro Vis i Navigator GUI.
    4. Slå SE bildet til SI bildet i Navigator GUI.
      Merk: grunnen til å bruke en DC strålen er fordi DC strålen (~ 14 nA) er kraftig nok til å fjerne au belegg og annen overflate forurensning, mens pulserende stråle strøm (~ 1 pA) er ikke tilstrekkelig.
  5. Aktivering av overflate gebyr kompensasjon ved hjelp av en flom pistol
    1. Sjekk flom pistol boksen i Fpanel å aktivere charge kompensasjon.
    2. Klikk på knappen Last innstillingsfil i Fpanel. Velg den forhåndsdefinerte filen av flom pistol innstillinger etter å ha klikket på lasting innstillinger for å laste inn innstillingene for flom pistolen.
      Merk: innstillingene for flom pistolen inkluderer følgende: energi av 20 V, en anode på 300 V, en forsinkelse på 2,0 μs, en flom pistol filament strøm av 2,4 A, og en flom pistol bly av av 2,0 μs. Innstillingene for flom pistolen kan variere for ulike instrumenter.
    3. Gjenta trinn 2.3.6-2.3.7 for å justere fokuset på AVKASTNINGEN på igjen.
      Merk: så snart au-belegget er fjernet, vil høyden på AVKASTNINGEN endres. Dermed er det nødvendig å justere fokus.
    4. Klikk på reflektor fra under kategorien TOF i kategorien Analyzer/Main i instrument vinduet.
    5. Klikk på verdien på venstre side av linjen av reflektor å redusere spenningen på reflektor til den runde FORMEN på si bildet forsvinner. Deretter øker reflektor spenningen med 20 V.
      Merk: denne prosessen er gjort for å sikre en flat bildebehandling overflate og maksimalt SI signaler. I negativ modus, øke reflektor spenningen til den runde formen på SI bildet forsvinner, og deretter bringe den ned 20 V.
    6. Gjenta trinn-2.3.8 for å stoppe fokus-og reflektor spennings justeringen.
  6. Tilegnelsen av høyoppløselig masse spektrum
    1. Klikk på ikonene i spekteret og bildet i Fpanel å åpne spekteret og bilder programmer.
    2. Vise den valgte AVKASTNINGEN av metall-maling grensesnitt i Micro View.
    3. Klikk på trekant knappen i Navigator GUI-en for å starte et hurtigsøk, så vises et Sims-spektrum i spektrum -programmet. Klikk på den svarte firkanten for å stoppe hurtig skanningen.
      Merk: hurtig skanningen bør bare ta flere skanninger og tar vanligvis bare noen få sekunder.
    4. Velg massekalibrering fra rullegardinlisten av spekteret på verktøylinjen i spekteret programmet eller bare trykke F3 for å få opp massekalibrering vinduet etter rask skanning er fullført.
    5. Velg gjenkjente topper for å kalibrere masse spekteret ved å klikke på de tilsvarende toppene, legge til formelen i masse kalibrerings vinduet og klikke på OK for å avslutte masse kalibrerings vinduet når topp valget er gjort.
      Merk: ch3+, C3H3+og AlOH+ er valgt for å kalibrere det positive masse spekteret; mens OH- og cn¬ og AlO- er valgt for kalibrering av negative massen spekteret. Toppene som er valgt for massekalibrering kan variere for forskjellige prøver. Avviket for de valgte toppene er mindre enn 30 ppm for å sikre nøyaktig topp identifisering.
    6. Legg toppene av interesser til peak listen ved å klikke på toppen av de valgte ioner i spekteret og klikke på Legg peak knappen på verktøylinjen.
    7. Klikk på den røde trekanten-knappen i Fpanel for å åpne vinduet Start måling .
    8. Sett raster type til tilfeldig, 128 x 128 pixel, og 1 skudd/pixel, angi antall skanninger til 60 skanninger i popup-vinduet, og klikk OK for å starte Mass Spectrum oppkjøpet av avkastningen.
      Merk: massen spektrum oppkjøpet vil automatisk stoppe etter at ønsket antall skanninger er anskaffet.
    9. Falle i staver bevare arkiv inne det Fpanel å bevare det ervervet masse Gjenferd og navnet den med en betegnet arkiv navnet (e.g., saltløsning-behandlet, luften-avdekket).
    10. Bytt polaritet til negativ i Fpanel og gjenta trinn 2.5.3-2.6.9 for å få det negative masse spekteret for samme avkastning.
      Merk: SIMS masse Spectra av fire forskjellige ROIs av hver prøve ble kjøpt for den positive og negative polariteter i denne studien.
  7. Lagring av analysert ROI-posisjon for ytterligere analyse
    1. Klikk på Legg til -knappen i Navigator GUI-en, og skriv inn navnet på avkastningen i popup-vinduet (f.eks. saltløsning 1).
    2. Klikk scenen POS knappen og klikk på OK for å lagre avkastningen plasseringen.
      Merk: ROI-posisjonen er lagret for flere SIMS Imaging analyse.
  8. Tilegnelsen av et høyoppløselig SIMS-bilde
    1. Falle i staver knappen belaste innfatning arkiv inne det Fpanel og velge det forutbestemt tenkelig innfatning arkiv. Klikk Åpne for å laste inn bildeinnstillingene.
      Merk: den høyeste laterale oppløsningen eller den minste spot størrelsen er optimalisert i collimated-modus (dvs. DC-modus). I denne modusen bestemmer den minste blenderåpningen i beamline vinkelen til blenderåpningen. I henhold til konfigurasjonsinnstillingen for ToF-SIMS, den høyeste laterale oppløsningen er når DC strøm er ca 50 pA og fokuset kan nå rundt 100 NM. For å oppnå denne oppløsningen, øker du linse kilde mens du observerer DC strøm går ned, og optimalisere X blind og Y blind till den endelige DC nå 50 pA. Nedenfor vises de detaljerte parameterinnstillingene for bildebehandlings modus. Bi3+ er valgt som primær stråle. LMIG-energien er satt til 25 kV. Den LIMG Chopper bredde er satt til 100 NS og Chopper offset er satt til 30,9 NS. De andre innstillingene inkluderer en utslipps strøm på 1,0 μA; varme verdien er 2,75 A; Suppressor ca 800-1000 V; Extractor 10 kV; linsen kilde 3,5 kV; syklusen tid 100 μs; massen området 1-870 u.
    2. Velg LMIG i popup- kategorier for å laste inn vinduet.
    3. Gjenta trinn 2.2.7-2.2.14 for å måle mål strømmen og justere ion bjelken.
      Merk: ønsket mål strøm i bildebehandlings modus bør være større enn 0,6 nA eller ca. 1 pa hvis bi3+ er valgt for måling.
    4. Velg den lagrede ROI-posisjonen fra rullegardinlisten til markørposisjonen i Navigator GUI-en. Klikk gåtil.
      Merk: dette trinnet sikrer at masse spekteret og bilde tilordningen anskaffes fra samme avkastning.
    5. Gjenta trinn 2.5.4 og 2.5.5 for å justere reflektor spenningen.
    6. Gjenta trinn 2.6.3-2.6.6 for å utføre masse kalibreringen i bildemodus.
      Merk: Hvis programvaren ikke kan registrere de valgte toppene når du gjør massekalibrering, merker du av i boksen Bruk valgt kanal i vinduet massekalibrering .
    7. Gjenta trinn 2.6.7 og 2.6.8 for å samle inn bildedataene.
      Merk: i bildebehandlings modus setter du raster typen til tilfeldig, 256 x 256 pikselog 1 bilde/piksel, angir antall skanninger til 150-skanninger og klikker på OK for å starte bilde anskaffelsen av avkastningen. Bildeoppløsningen og skanningen kan være forskjellig, og de bør bestemmes avhengig av prøven.
  9. Henting av prøven fra vakuumkammeret
    1. Velg Overfør fra rullegardinlisten til markørposisjonen i Navigator GUI-en, og klikk på Go -knappen for å få prøvefasen nær porten.
    2. Åpne porten ved å gjenta trinn 2.1.6.
    3. Skyv prøve overførings armen inn i hoved kammeret og drei arm stangen med klokken og fremover til den festes til tappen på prøve holderen.
    4. Snu overførings armen tilbake og trekk den helt ut.
    5. Lukk porten ved å klikke på knappen Lukk på Fpanel og velg ingen prøve holder i popup-vinduet Velg eksempel holder vindu.
    6. Skru av låseskruen på døren til Last låsen og klikk på knappen Stopp i Fpanel for å lufte belastnings låsen.
      Merk: venting tar omtrent 3-5 min.
    7. Sving overførings armen til høyre og drei overførings armen mot klokken for å løsne prøveholderen.
    8. Sving overførings armen tilbake og stram låseskruen på døren til Last låsen.
    9. Klikk på Start -knappen i Fpanel for å pumpe ned laste låsen.
    10. Ta av metall-maling grensesnitt harpiks montering fra prøven holderen og plassere dem i en ren Petri parabolen.
  10. Slå av LIMG
    1. Klikk Stopp LMIG fra under kategorien under kategorien LMIG i instrument- vinduet.
    2. Uncheck boksene av LMIG og gulvet gevær inne det Fpanel og uncheck boksen av belysning inne makten vindu.

3. analyse av ToF-SIMS-data

  1. Eksport av The SIMS spektrum data
    1. Klikk på fil på verktøylinjen i vinduet spektrum program , og velg Eksporter fra rullegardinlisten.
    2. Navngi spektrum-filen, lagre den i den angitte mappen som en txt-fil, og klikk OK.
    3. Skriv inn nummer 10 i popup-vinduet for å definere binning kanalen, og klikk på OK.
      Merk: binning 10 kanaler før du eksporterer massen Spectra er en vanlig metode for å redusere datastørrelsen mens du fortsatt holde massen oppløsning og nøyaktighet.
    4. Eksporter dataene fra The SIMS-bildet.
    5. Klikk på bilde program ikonet og dobbeltklikk på bildefilene du har kjøpt for å vise The Sims-bilder.
    6. Dra bildet av en bestemt kjemisk Art fra listen til bildet visningsvinduet og dobbeltklikk på bildet for å åpne bildet prosessen vinduet nedenfor.
    7. Normalisere bildet av den valgte kjemiske arten til bilder av totale ioner ved å velge normalisere fra rullegardinlisten i bilde prosess vinduet.
    8. Bruk samme fargeskala for å sammenligne den kjemiske fordelingen mellom forskjellige prøver ved å justere Fargeskalaen i bilde prosess vinduet.
      Merk: rådata til bildene kan eksporteres og tegnes ved hjelp av annen grafisk programvare.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 3 presenterer sammenligningen av massen Spectra mellom metall-maling grensesnitt behandlet med saltløsning og grensesnittet utsettes for luft. Massen Spectra av de to prøvene ble kjøpt ved hjelp av en 25 kv bi3+ ion Beam skanning i 300 μm x 300 μm ROIs. Massen oppløsning (m/∆ m) av saltløsning-behandlet prøven var ca 5 600 på toppen av m/z- 26. Rådata av massen Spectra ble eksportert etter binning 10 kanaler. En grafisk programvare ble brukt til å plotte massen Spectra for presentasjon. Det er kjent at de beskyttende lag som inneholder Al (OH)3 er dannet etter at Al korrosjon starter6. Den oksid (Al3o5-) og oxyhydroxide arter (Al2o4h-, Al2o5H3-, Al3o6H2-) av Al (Oh)3 fragmenter7 ble observert i metall-Paint-grensesnittet til salt løsningen-eksponert Al-kupong (Figur 3a) og var mer fremtredende sammenlignet med de samme toppene i den luft eksponerte prøven (Figur 3b ). Dette indikerer at Al kupongen eksponert for salt løsningen hadde opplevd mer alvorlig korrosjon i forhold til luft-eksponert en. Resultatet er i samsvar med den kjente kunnskapen om at løsninger som inneholder salter, som sjøvann, er kjemisk aggressive og bidrar til korrosjons prosessen til en Al-legering.

Figur 4 viser 2D molekylære bilder av utvalgte Al Art m/z- 161 Al3o5- og 179 Al3O6H2- ervervet fra metal-Paint Interface behandlet med en saltløsning ( Figur 4a) og grensesnittet eksponert for luft (Figur 4b). Den avbildet ion intensitet av m/z- 161 og 179 ble begge normalisert til intensiteten av totale ioner. Bildene av samme høydepunkt ble justert til identisk fargeskala. Bildene ble innhentet fra 100 skanninger av 256 x 256 piksler av 300 μm x 300 μm ROI. 2D-bildene gir fordelingen av de kjemiske artene av Al korrosjon produkter i to forskjellige prøver. Toppene m/z- 161 og 179 var mer utbredt i metall-maling-grensesnittet som ble behandlet med salt løsningen, og viste sterkere intensitet enn de som er vist i den luft eksponerte prøven. Dette resultatet er enig med masse Spectra resultater og demonstrerer ToF-SIMS analytiske evner av kjemisk identifisering og molekylær Imaging.

Figure 1
Figur 1 : Bilder som viser metall-maling grensesnitt forberedelse prosessen. Figur 1 skildrer den metall-maling grensesnitt forberedelse prosessen. Etter at Al kuponger ble fikset i epoxy harpiks (a), ble de sprayet med den kommersielle malingen produktet og satt for 24 h til de var helt tørt (b). Fire linjer ble beskrevet på malingen på toppen av Al kupong sylindere (c). Den utskårne Al kupongen sylindere ble utsatt for luft eller en saltløsning for 3 uker i Petri retter (d). Al kupongen sylindere ble kuttet og trimmet å utsette metall-maling grensesnitt (e) og belagt med gull lag før TOF-Sims analyse (f). Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2 : Den skjematisk av metall-maling grensesnitt analyse av ToF-Sims og et bilde av IONTOF V instrumentet. Figur 2 illustrerer analyse prosessen i metall malings grensesnittet ved hjelp av TOF-Sims. The metal-Paint Interface (a) ble bombardert av en bi3+ primære ion Beam og genererte den sekundære ioner, noe som resulterer i Mass Spectra (b) og en Sims bilde (c). ToF-SIMS V-instrumentet (d) som brukes til analyse av metall malings grensesnittet som er beskrevet i dette arbeidet, vises. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3 : Sammenligning av massen Spectra av metall-maling grensesnitt av Al kuponger. Figuren viser Spectral forskjellen mellom grensesnittet behandlet med en saltløsning og en behandlet med luft. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4 : Molekylære bilder av kjemiske arter ved metall-maling-grensesnittet til Al kuponger. Denne sammenligningen viser forskjellen i 2D-distribusjon av arter dannet i korrosjon av saltløsning og luft. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ToF-SIMS skiller ioner i henhold til tiden for flyturen mellom to scintillators. Den topografi eller prøve grovhet påvirker flytiden av ioner fra ulike startposisjoner, som vanligvis fører til en dårlig masse oppløsning med en økt bredde på toppene. Derfor er det viktig at ROIs blir analysert er svært flatt, for å sikre god signal samling8.

En annen fallgruve å unngå er lading. Siden Al-Paint grensesnittet ble fikset med den isolerende harpiks, var lading forventet. Lad akkumuleres på prøven overflaten som AVKASTNINGEN er bombardert med den primære ion strålen, påvirker kinetisk energier av ioner som slippes ut fra overflaten. Lading resulterer i brede topper og en redusert masse oppløsning. For å unngå den negative innflytelsen av denne effekten, ble 10 NM gull freste på grensesnittet overflaten for å danne den ledende banen før SIMS analyse. Andre metoder kan brukes for å redusere lade effekten, inkludert påføring av flom pistolen, optimalisere spenningen på reflektor, og velge tilfeldig modus som strålen raster mønster. Flommen pistolen genererer en stabil elektron strøm med lav energi. Det brukes vanligvis til gebyr kompensasjon under The Sims-analysen9,10,11. I tillegg er spenningen i reflektor, en ion optikk som forbedrer massen oppløsning, må justeres, avhengig av graden av lading. ToF-SIMS programvare gir en effektiv måte å optimalisere reflektor som beskrevet i trinn 2.5.5 av protokollen. Valget av tilfeldig modus som stråle raster mønster før du henter Sims-data reduserer lade effekten ytterligere. Denne modusen begrenser problemet som oppstår i skannemodus rad for rad, slik at akkumulert ladning mer tid til å spre9,11.

ToF-Sims kan utstyres med flere ion kilder, inkludert-men ikke begrenset til-cs+, C60+, og bin+. Polyatomiske ion-kilder (f.eks. bi3+ og C60+) gir høyere avkastning på sekundære ioner som slippes ut fra prøveoverflaten sammenlignet med Atom-ion-stråler (f.eks. cs+ og bi1+)12 ,13. Videre sammenligner bi3+ til C60+, bi3+ er mer overflate følsom for lav-masse fragmenter og dermed har en høyere lateral oppløsning med bedre bilder12. Derfor, bi3+ ble valgt som analysen strålen i dette arbeidet siden vi fokuserte på lav-masse topper knyttet til aluminium korrosjon arter.

ToF-SIMS er en følsom overflate teknikk som kan gi kjemisk spesifisitet med en høy romlig oppløsning14. Andre overflate verktøy anvendes i korrosjons studier inkluderer XPS og SEM/EDX2,15,16,17. XPS kan gi kvantitative målinger av den kjemiske tilstanden og den elektroniske tilstanden til elementene som finnes i en prøve, men med en høyere LOD (0,1%) enn Sims (deler-per-milliard-deler-per-million-nivå)18,19. SEM/EDX er ikke så følsom som ToF-SIMS, men SEM er ofte brukt for å få morfologiske funksjoner av overflater. I tillegg gjør den kjemiske kartleggingen av SIMS det mulig å visualisere den molekylære ion fordelingen ved korrosjon grensesnittet, mens SEM/EDX bare gir elementær ion kartlegging. Derfor er SIMMENES molekylære kartlegging mer informativ når det gjelder å undersøke den grenseflate korrosjons prosessen.

Dette arbeidet viser at ToF-SIMS er et kraftig verktøy i å tyde korrosjon artsdannelse på grensesnittet på grunn av sin lave LOD, høy masse oppløsning, og høy romlig oppløsning. Videre tilbyr SIMMENE multimodal mikroanalyse, som kan tilskrives den kvasi-destruktive naturen. Dermed kan den samme prøven analyseres av andre analytiske verktøy og gi omfattende informasjon. Ideelt sett kan integreringen av SIMMER, XPS og SEM gi mer omfattende innsikt i korrosjons atferd på metall malings grensesnittet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble finansiert av QuickStarter program støttet av Pacific Northwest National Laboratory (PNNL). PNNL drives av Battelle for U.S. DOE. Dette arbeidet ble utført ved hjelp av IONTOF ToF-SIMS V, som ligger i biologisk vitenskap Facility (BSF) på PNNL. JY og X-Y Yu også erkjent støtte fra atmosfærisk Sciences & Global Change (ASGC) divisjon og fysiske og beregningsorientert Sciences Direktoratet (PCSD) på PNNL

Materials

Name Company Catalog Number Comments
0.05 µm Colloidal Silica polishing Solution LECO 812-121-300 Final polishing solution
1 µm polishing solution Pace Technologies PC-1001-GLB Water based polishing solution
15 µm polishing solution Pace Technologies PC-1015-GLBR Water based polishing solution
3 µm polishing solution Pace Technologies PC-1003-GLG Water based polishing solution
6 µm polishing solution Pace Technologies PC-1006-GLY Water based polishing solution
Balance Mettler Toledo 11106015 It is used for measuring the chemicals.
Epothin 2 epoxy hardener Buehler 20-3442-064 Used for casting sample mounts
Epothin 2 epoxy resin Buehler 20-3440-128 Used for casting sample mounts
Fast protein liquid chromatography (FPLC) conductivity sensor Amersham  AKTA FPLC Used to measure the conductivity of the salt solution.
Final B pad Allied 90-150-235 Used for 1 µm and 0.05 µm  polishing steps
KCl  Sigma-Aldrich P9333 Used to make the salt solution.
Low speed saw Buehler Isomet 11-1280-160 Used to cut the Al coupons that are fixed in the epoxy resin.
MgCl2 Sigma-Aldrich 63042 Used to make the salt solution.
MgSO4 Sigma-Aldrich M7506 It is used to make the salt solution.
NaCl Sigma-Aldrich S7653 It is used to make the salt solution.
NaOH Sigma-Aldrich 306576 It is used for adjusting pH of the salt solution.
Paint Rust-Oleum  245217 Universal General Purpose Gloss Black Hammered Spray Paint. It is used to spray on the Al coupons. 
Pan-W polishing pad LECO 809-505 Used for 15, 6, and 3 µm polishing steps
pH meter Fisher Scientific 13-636-AP72 It is used for measuring the pH of the salt solution.
Pipette  Thermo Fisher  Scientific  Range: 10 to 1,000 µL
Pipette tip 1 Neptune  2112.96.BS  1,000 µL
Pipette tip 2 Rainin 17001865 20 µL
Silicon carbide paper LECO 810-251-PRM Grinding paper, 240 grit
Sputter coater Cressington 108 sputter coater It is used for coating the sample.  
Tegramin-30 Semi-automatic polisher Struers 6036127 Coarse/fine polishing/grinding
ToF-SIMS IONTOF GmbH, Münster, Germany ToF-SIMS V, equipped with Bi liquid metal ion gun and flood gun It is used to acquire mass spectra and images of a specimen.
Vibromet 2 vibratory polisher Buehler 67-1635-160 Final polishing step

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Szklarska-Smialowska, Z. Pitting corrosion of aluminum. Corrosion Science. 41, 1743-1767 (1999).
  2. Liu, M., et al. A first quantitative XPS study of the surface films formed, by exposure to water on Mg and on the Mg-Al intermetallics: Al3Mg2 and Mg17Al12. Corrosion Science. 51 (5), 1115-1127 (2009).
  3. Linford, M. R. An introduction to time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). Vacuum Technology & Coating. , (2014).
  4. Cushman, C., et al. A pictorial view of LEIS and ToF-SIMS instrumentation. Vacuum Technology & Coating. , 27-35 (2016).
  5. Soler, L., et al. Hydrogen generation by aluminum corrosion in seawater promoted by suspensions of aluminum hydroxide. International Journal of Hydrogen Energy. 34 (20), 8511-8518 (2009).
  6. Ahmad, Z., Abdul Aleem, B. J. Degradation of aluminum metal matrix composites in salt water and its control. Materials & Design. 23 (2), 173-180 (2002).
  7. Verdier, S., Metson, J. B., Dunlop, H. M. Static SIMS studies of the oxides and hydroxides of aluminium. Journal of Mass Spectrometry. 42 (1), 11-19 (2007).
  8. Esmaily, M., et al. A ToF-SIMS investigation of the corrosion behavior of Mg alloy AM50 in atmospheric environments. Applied Surface Science. 360, 98-106 (2016).
  9. Hunt, C. P., Stoddart, C. T. H., Seah, M. P. The surface analysis of insulators by SIMS: Charge neutralization and stabilization of the surface potential. Surface and Interface Analysis. 3 (4), 157-160 (1981).
  10. Stingeder, G. Quantitative distribution analysis of B, As and Sb in the layer system SiO2/Si with SIMS: elimination of matrix and charging effects. Fresenius' Zeitschrift für analytische Chemie. 327 (2), 225-232 (1987).
  11. Cushman, C., et al. Sample Charging in ToF-SIMS: How it Affects the Data that are Collected and How to Reduce it. Vacuum Technology & Coating. , (2018).
  12. Dubey, M., Brison, J., Grainger, D. W., Castner, D. G. Comparison of Bi(1), Bi(3) and C(60) primary ion sources for ToF-SIMS imaging of patterned protein samples. Surface and Interface Analysis: SIA. 43 (1-2), 261-264 (2011).
  13. Kozole, J., Winograd, N. Cluster Secondary Ion Mass Spectrometry. Surface Analysis and Techniques in Biology. Smentkowski, V. S. , Springer International Publishing. Cham, Heidelberg, New York, Dordrecht, London. 71-98 (2014).
  14. Tyler, B. J., Rayal, G., Castner, D. G. Multivariate analysis strategies for processing ToF-SIMS images of biomaterials. Biomaterials. 28 (15), 2412-2423 (2007).
  15. Song, W., et al. Corrosion behaviour of extruded AM30 magnesium alloy under salt-spray and immersion environments. Corrosion Science. 78, 353-368 (2014).
  16. Esmaily, M., et al. On the capability of in-situ exposure in an environmental scanning electron microscope for investigating the atmospheric corrosion of magnesium. Ultramicroscopy. 153, 45-54 (2015).
  17. Liao, J., Hotta, M., Motoda, S. -i, Shinohara, T. Atmospheric corrosion of two field-exposed AZ31B magnesium alloys with different grain size. Corrosion Science. 71, 53-61 (2013).
  18. deVries, J. E. Surface characterization methods- XPS,TOF-SIMS, and SAM a complimentary ensemble of tools. Journal of Materials Engineering and Performance. 7 (3), 303-311 (1998).
  19. Zhang, H. Surface characterization techniques for polyurethane biomaterials. Advances in Polyurethane Biomaterials. Cooper, S. L., Guan, J. , Woodhead Publishing. 23-73 (2016).

Tags

Kjemi ToF-SIMS aluminium metall-maling grensesnitt korrosjon grense for påvisning (LOD) masse Spectra 2D Imaging
Imaging korrosjon på metal-Paint Interface bruke time-of-Flight sekundær ion Mass massespektrometri
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Yao, J., Guzman, A., Zhu, Z., Yu, X. … More

Yao, J., Guzman, A., Zhu, Z., Yu, X. Y. Imaging Corrosion at the Metal-Paint Interface Using Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry. J. Vis. Exp. (147), e59523, doi:10.3791/59523 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter