用于背散射电子图像与能谱研究的无机非金属粉体材料的制样方法

摘要

本发明涉及一种用于背散射电子图像与能谱研究的无机非金属粉体材料的制样方法，该制样方法包括以下步骤：(1)粉末样品与环氧树脂调配、混匀；(2)用真空镶嵌仪镶嵌样品；(3)室温固化24h；(4)研磨抛光；(5)超声清洗；(6)镀膜。当样品数量较少或是需要同时观测多个样品时，采用二次镶嵌工艺。首先用尺寸较小的模具，按照步骤(1)-(3)制备出一个或多个小样品；然后，将固化好的样品放入尺寸较大的模具，在真空镶嵌仪中浇注环氧树脂，室温固化；随后再按步骤(4)-(6)对其进行后续处理。本发明所述的制样方法，能够提高样品质量、简化操作流程、降低制样难度。

说明书

技术领域

本发明涉及材料分析领域，尤其涉及一种用于背散射电子图像与能谱研究的无机非金属粉末材料的制样方法。

背景技术

在无机非金属材料领域，采用背散射电子图像与能谱研究材料的微观结构、化学组成以及物相组成是一种非常有效的微观测试手段。这种方法以样品剖面为观测对象，因此，样品内部各种微观结构特征、化学元素以及物相信息显示机会均等。而且，该方法对低含量物相、非晶态物相以及微量元素的组成和分布同样敏感。用它来分析水泥、粉煤灰、矿渣等物相组成复杂、晶态与非晶态物相并存的无机非金属材料时，拥有X射线衍射等常规测试方法无法比拟的优越性。

采用这种测试方法时，待测样品通常呈块状或粉末状。其中块状样品多用于观测微观结构，而粉末状样品多用于研究元素或物相的组成和分布。以往，制备粉末状样品的方法主要包括以下步骤：

(1)   样品调配：将粉末样品与环氧树脂按照较高比例混匀；

(2)   常温常压镶嵌：如果样品充足，就将其与环氧树脂的混合物直接镶嵌到直径约30mm的塑料模具中；倘若样品较少或者需要同时观测多个样品，可用环氧树脂预先制备一个较大的实心圆柱形支架，在该支架上钻出多个小孔洞，然后再把粉末样品与环氧树脂的混合物紧密填充到小孔中；

(3)   高温固化：将上述样品放入烘箱中进行高温养护，通常养护温度为60℃，养护时间为24h；

(4)   切割：用切割机从固化后的样品中截取中间部分的圆柱体试样，并保证上下底面平行；

(5)   研磨抛光：采用碳化硅砂纸和金刚石抛光液对样品进行由粗到细的逐级研磨抛光；

(6)   清洗：在超声清洗机中清洗样品，自然晾干或用洗耳球吹干样品；

(7)   镀膜：在真空镀膜机中为样品观测面镀导电层，常用导电材料为碳。

由于粉体材料和环氧树脂在搅拌混匀的过程中极易引入气泡，而常温常压条件下，这些气泡无法自行消散，因此，按照传统方法镶嵌的样品在固化之后其内部往往残留较多气泡。当切割面或磨抛面与气泡相交时，样品表面就会出现大小不等的凹坑，这会降低样品的有效观测面积，而且，镀碳之后其导电性也不是很

好。另一方面，为了使电镜图像中包含数量充足的颗粒，传统方法在制样时要尽量调高粉末样品与环氧树脂的比例（通常在2:1以上），由此形成的混合物粘稠且流动性差。这不仅会使部分粉体颗粒无法被环氧树脂充分包裹，造成研磨抛光过程中出现颗粒脱落现象，而且，由于颗粒间距过小，在拍摄电镜图像时，还容易产生样品放电、能谱面扫描图像中部分小颗粒的边界难以区分等问题。此外，传统制样方法的样品切割环节，容易出现环氧树脂粘刀、两个切割平面不易保持平行等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于背散射电子图像与能谱研究的无机非金属粉体材料的制样方法，它能够提高样品质量、简化操作流程、降低制样难度。此外，该方法还能改善二次镶嵌样品的质量，保证各样品的观测面与电镜探头之间的高度一致。

本发明提出的用于背散射电子图像与能谱研究的无机非金属粉体材料的制样方法，具体步骤如下：

(1)样品调配：根据粉末样品的粒径分布或比表面积将其与环氧树脂按照(0.5-1.8):1的重量比混合均匀；

(2)真空镶嵌：将步骤(1)所得产物立即放入真空镶嵌仪中进行镶嵌，维持-0.08~-0.1MPa的真空度10-40min，以便排出气泡，同时也使环氧树脂充分包裹粉体颗粒；

(3)室温固化：将步骤(2)得到的样品在室温环境中静置24h，使其固化；

(4)研磨抛光：采用机油作为冲洗润滑介质，用碳化硅砂纸由粗到细逐级研磨样品支撑面和观测面，在此基础上，用金刚石抛光液对样品观测面进行由粗到细的抛光处理，去除划痕、点蚀、凹坑等缺陷，得到平整、光滑的观测面；

(5)清洗：在超声清洗机中以无水乙醇或水为介质清洗样品，除去其表面附着的油脂、碎屑和磨料，然后自然晾干或用洗耳球吹干样品；

(6)镀膜：在真空镀膜机中对样品观测面镀碳。

本发明中，当粉体材料数量有限或是需要同时观测多种样品时，常规模具不适用，在这种情况下，本发明还可以通过如下技术措施来实现：首先用尺寸较小的模具，按照步骤(1)-(3)制备出一个或多个小样品；然后，将固化好的样品观测面向下，放入尺寸较大的常规模具，在真空镶嵌仪中浇注环氧树脂，进行二次镶嵌，样品同样在室温下固化24h；随后再按步骤(4)-(6)对其进行研磨、抛光、清洗和镀膜。

与传统制样方法相比，本发明具有以下特点：在样品配制阶段，依照粒径分布或比表面积来调整粉体材料与环氧树脂的比例，改善样品流动性，由于粉体材料用量有所降低，在真空镶嵌时样品中的气泡更易排出，而且还可以依靠颗粒自身沉降来增加观测面内颗粒的数量；在样品镶嵌环节，将常压镶嵌改为真空镶嵌之后，样品中的气泡数量（尤其是大气泡）明显减少，而且，即使是在颗粒聚集区域，颗粒边缘与环氧树脂之间也无明显缝隙，二者结合紧密；在样品固化环节，由于采用的环氧树脂在室温下放置24h即可固化，因此，无须再用烘箱对其进行高温养护，这对于制备热稳定性差的样品非常有利；本发明免除样品切割过程，直接研磨抛光圆柱体样品的底面作为观测面，简化了制样设备及操作流程，同时也降低了制样难度。如需同时观测多个样品，采用本发明中的二次镶嵌工艺无须预先制备任何形式的样品支架，及对支架的各种加工，这不仅使操作过程更简便，而且更容易保证各样品的观测面与电镜和能谱探头之间高度的一致性。

附图说明

图1是粉煤灰样品的背散射电子图像（放大倍数为500倍）。

图2是粉煤灰样品的碳元素能谱面分布图像（放大倍数为500倍）。

图3是二次镶嵌样品的剖面图。

图4是二次镶嵌样品的截面图。

图5是水泥熟料样品的背散射电子图像（放大倍数为500倍）。

图6是水泥熟料样品的碳元素能谱面分布图像（放大倍数为500倍）。

图中标号：1为观测面，2为支撑面。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

实施例1，用背散射电子图像与能谱研究一种活化粉煤灰的物相组成，由于样品数量充足，因此按照以下步骤制备所需的电镜样品：

(1)  从活化粉煤灰中取10g样品，烘干，待其冷却之后，与8g环氧树脂混合均匀；

(2)  在真空镶嵌仪中，将其镶嵌到直径31.1mm、高25.7mm的圆柱形模具中，维持-0.1MPa的真空度30min，排出气泡，并使环氧树脂与粉煤灰颗粒充分接触；

(3)  在室温下将镶嵌好的样品静置24h，固化后拆模，所得样品的上底面较为平整，可作支撑面，下底面光滑平整，可作观测面；

(4)  在自动磨抛机上，以机油为介质，用不同细度的碳化硅砂纸由粗到细逐级研磨样品支撑面和观测面，在此基础上，用金刚石抛光液对样品观测面进行由粗到细的抛光处理，得到平整、光滑的观测面。每道研磨、抛光工序完成之后，都用干净的软纸清洁样品表面及磨抛机；

(5) 当全部抛光过程完成之后，将样品浸入无水乙醇，进行超声清洗，除去其表面残留的磨料、样品碎屑和油脂，然后，用洗耳球吹干样品表面；

(6)  用真空镀膜仪为样品观测面镀碳。

实施例2，用背散射电子图像与能谱同时分析3种水泥熟料的物相组成，由于所烧制的熟料数量有限，而且希望3种样品的观测条件尽量一致，因此按照以下步骤制备所需的电镜样品：

(1) 从3种待测熟料中各取少量样品，逐一用玛瑙研钵将其研磨成粉末，分别在直径13mm、高14mm的圆柱形模具中将1g粉体与0.6g环氧树脂混合均匀；

(2) 将上述样品放入真空镶嵌仪，维持-0.1MPa的真空度10min，排出气泡；

(3)  所有样品均在室温环境静置24h，固化后拆模，所得样品底面光滑平整，可作为观测面；

(4) 将3个样品一同置于直径31.1mm、高25.7mm的圆柱形模具中，观测面向下。在真空镶嵌仪中，用15g环氧树脂对上述样品进行二次镶嵌（维持-0.1MPa的真空度15min，待环氧树脂中的气泡排出），使其成为一个整体。该样品同样在室温环境中静置24h，固化后拆模，所得样品的上底面较为平整，作为支撑面，下底面光滑平整，作为观测面；

(5) 在自动磨抛机上，以机油为介质，用不同细度的碳化硅砂纸由粗到细逐级研磨样品支撑面和观测面，在此基础上，用金刚石抛光液对样品观测面进行由粗到细的抛光处理，得到平整、光滑的观测面。每道研磨、抛光工序完成之后，都用干净的软纸清洁样品表面及磨抛机；

(6)  当全部抛光过程完成之后，将样品浸入无水乙醇，进行超声清洗，除去其表面残留的磨料、样品碎屑和油脂，然后，用洗耳球吹干样品表面；

(7)用真空镀膜仪为样品观测面镀碳。

在背散射电子图像（图1和图5）中，粉煤灰颗粒与水泥熟料颗粒表现为灰度不同的圆形或不规则多边形颗粒，围绕在颗粒周围的黑色区域是包裹颗粒的环氧树脂。而在二者的碳元素能谱面分布图像（图2和图6）中，黑色区域对应于出现粉煤灰和水泥熟料的位置，其余那些布满白色亮点的区域则表示采集到了丰富的碳元素信号，这些区域由环氧树脂填充。

将图1和图2、图5和图6进行对比会发现，两种样品的背散射电子图像与相应的碳元素能谱面分布图像均构成了良好的对应关系。在背散射电子图像中，粉体颗粒平整，与周边环氧树脂紧密结合，在二者的交界处未发生样品放电等常见缺陷；而在能谱图像中，环氧树脂填充区碳元素信号密集，且形成了大片连续区域，其中并未见到圆形气泡等缺陷。由此可见，采用本发明所述的制样方法能够制备出效果较好的背散射电子与能谱图像观测样品。