2.4 位错/应变/空洞耦合能量转换失效表征与加载技术

X射线衍射技术（XRD）可获得高灵敏度的应变测量效果，却不能获得纳米尺度空间高分辨率的应变场，原子力电镜（AFM）与扫描隧道电镜（STM）显微术可获得纳米尺度高分辨率应变场，但视场限于纳米量级，无法观测更大视场微米尺度应变。通过调整衍射、干涉束，选择明、暗场模式等技术细节，可实现不同微尺度成像模式下的透射电镜成像。但目前的微尺度表征技术，在高应变灵敏度、高分辨率及大视场技术方面需要突破。基于几何位相分析方法，有学者提出了中心暗场透射电镜（Central Dark Field Transmission Electron Microscope, CDFTEM）新技术，如图2-11所示，在中心暗场条件下，采用无应变完整晶体区的衍射束参考束，与应变区的衍射束干涉，获得被莫尔条纹调制的暗场全息图，再利用几何位相分析法计算出应变区的应变场，得到尺度为200nm的区域大视场应变分布，并具有令人满意的高空间分辨率和应变灵敏度。利用CDFTEM技术观察位错/空洞具有独特优点，可反映位错起源、孔洞扩展及相互作用，直接观察位错、空洞贯通与晶格条纹，收集分析从样品局部微区发射的各种信息，如透射束与参考束干涉的全息条纹，不仅可获得位错运动、空洞排列信息，还可通过衍射环直径和晶格条纹间距等来获得位错结构与空洞、微晶形状，因而该技术在位错/应变/空洞微尺度耦合表征中前景广阔。

图2-11 CDFTEM技术原理示意图

我们对电池电极材料微结构进行了系统有序的实验研究，发现CDFTEM技术并不完善，尚有诸多缺陷，仍待发展、修正与完善，才能成为微尺度表征的有力手段。例如，用CDFTEM拍摄应变场在暗场模式下的应变区的中心暗场像强度不够，如何在双束条件下保证拍摄时应变区的中心暗场像强度是需要解决的问题。样品厚度会带来重叠效应，干扰界面附近的应变测量效果，样品晶格或格栅栅距与参考栅无变形晶格的有对应关系，界面附近应变区将很难解释。CDFTEM记录时间很长，虽然图像信噪比好，但样品漂移和倾动影响图像质量。CDFTEM受加载空间所限，对样品加载就会对参考栅加载，因而CDFTEM很难用于实时加载测量中（实时加载是保证实验质量和可靠性的重要条件），实时加载变形测量如何解决？技术困难很大。晶面的衍射方向差别很大，要将不同的某一个晶面衍射改变方向很难实施，微区应变场单向测量的强度和可靠性不稳定。这些问题都急待解决，我们建立了发展、修正与完善CDFTEM微尺度表征技术的加载实验平台，如图2-12所示，该平台为CDFTEM技术定量表征微尺度位错/应变/空洞能量转换演化过程，提供了实时加载的技术支撑。

图2-12 实时加载的电池能量转换加载实验平台

a）电池能量转换数据采集系统 b）电池台架加载仿真平台 c）非平衡状态温升加载系统