扫描电镜在无机非金属材料研究中的应用

2000年第1期山东建材 王英姿扫描电镜在无机非金属材料研究中的应用 扫描电镜在无机非金属材料研究中的应用 王英姿 (山东建材学院，济南250022) 摘要：扫描电镜作为一种有效的显微结构分析工具，可以对各种材料进行多种形式的表面形貌的观察与分析。它具有分辨率高、景深长、成像富有立体感等优点。利用扫描电镜的图像研究法分析显微结构，其内容丰富、方法直观。随着现代生活对新型建材的需求不断增长，扫描电镜显微测试技术在无机非金属材料学科领域中的应用也日益广泛。 关键词：扫描电镜显微结构图像研究法水化产物 中图分类号：TH741.7 文献标识码：B 文章编号：1003-1324(2000)01-0011-04 1扫描电镜及其图像研究法的特点 30年代末40年代初，扫描电镜、X射线衍射仪、光电子能谱仪等先进的测试工具相继问世，并开始应用于无机材料学科领域，收到了较好的效果。 以日立S-2500 型扫电电镜为例，其工作原理为：在高真空镜筒中，由电子枪发射能量为5一35Kev的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序做栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子、背散射电子、吸收电子等一系列电子信号。由于样品表面不同部位的物理、化学性质、表面电位、斤含元素成分及凹凸形貌不同，致使电子束激发出的电子信号各不相同，被探测器收集转换成电讯号，经视频放大后，输人到显象管栅极，调制与人射电子束同步扫描的显象管亮度，即可得到反映试样表面形貌的电子图像。 通过扫描电子图像，我们可以观察到无机材料试样中所含相的种类及各相的数量，颗粒的形状大小、分布取向和它们之间的相互关系，我们称之为显微结构1。这种利用扫描电子图像来分析材料显微结构的方法叫做图像研究法。扫描电镜图像研究法具有以下几个特点： 1.1制样方法简单。 对表面清洁的导电材料可直接进行观察；表面清洁的非导电材料只要在表面蒸镀一层导电层即可 观察。 1.2场深大，三百倍于光学显微镜。 适用于粗糙表面和断口，甚至孔洞缝隙中细微情况的观察。图像富有立体感，易于识别和解释。 1.3放大倍数在15200000倍范围内连续可调，分辨率高，能达到3一6nm。 1.4可进行多功能分析。 采用双放大倍数装置或图像选择器，可在荧光屏上同时观察不同放大倍数或不同形式的图像。可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态实验，观察各种环境条件下的相变及形态变化等。 2扫描电镜在无机非金属材料研究中的应用 无机非金属材料种类繁多，主要包括陶瓷、玻璃、耐火材料、铸石、水泥和混凝土及复合材料等。它们的结构复杂，性能各异。利用电镜可以对上述材料的显微结构进行观察与分析，对它们的物理与化学及使用性能做出直观的评价，为改善材料性能途径的研究提供可靠的依据，同时电镜在生产工艺过程的控制，新材料设计与研制等许多方面都发挥了重要作用。 2.1电镜在陶瓷材料显微结构分析中的应用 陶瓷属于多晶体，其物相种类又分为晶相、玻璃和气相，依其存在的数量与分布上的差异，将赋予陶瓷不同的性能。陶瓷中晶粒的细化和均化对材料某些性能的稳定和提高有十分重要的意义。可通过对粉体的处理使之保持较狭窄的粒级分布(如过筛)，或引人合适的第二相以及均匀地加压成型，预烧等手段来实现，但有时处理不当，也会发生晶体异常生长现象。图1为用 BaCO， 和 TiOz合成 BaTio，基陶瓷材料中，对粉料不同处理方式得到的一组电镜照片。(图1-1)是粉料经过预烧后，晶粒分布均匀，结构致密，孔隙比没经过预烧的(图1-2)小得多，经测定其力学性能与介电性能要比未预烧得样品好。(图1-3)为过烧起起的二次结晶现象，造成晶粒异常长大。 氧化铝瓷，其化学成分主要是AL20s，以刚玉为 99126128KV99126520KV 图1-1粉料预烧晶粒致密 图1-2粉料未预烧结构疏松 图1-3异常长大的晶粒 99120818KV 1R1.50k*20.0u99126820KV31：50220：0991279 20KV 图2-195瓷短柱状刚玉有玻璃相粘接 图2-297瓷短柱状刚玉为主玻璃相减少 图2-399瓷粒状刚玉晶间接触紧密 2.2电镜在耐材材料显微结构分析中的应用 耐火材料显微结构的形成是由生产过程中的物理化学变化和机械加工因素决定的，同类型耐火材料显微结构的差异将影响耐火制品的技术性能和使用效果，我们可通过调整工艺参数来设计合理的显微结构以提高耐火材料的性能和延长使用寿命。图3是 AL0，-SiO，系耐火材料中利用硅铝的氧化物合成烧结莫来石的电镜照片。由照片看出，当含有5%-10%玻璃相时，莫来石晶体则可发育成柱状自形晶，其长度可达 10um 左右(图3-1)。当玻璃相含量增加时，例如莫来石80%的材料，充分烧结的莫来石晶体发育良好，但可明显看出莫来石由玻璃相胶结的状况(图3-2)。 2.3电镜在玻璃材料显微结构分析中的应用 图3-1莫来石柱状自形晶 图3-2合成烧结莫来石晶间由莫来石胶结 玻璃材料显微结构分析的主要研究对象是玻璃体内各种缺陷：如气孔、结石、玻璃分相、玻璃微晶化等。在传统的玻璃工艺中视气孔为一种缺陷，随着科技的发展，多孔玻璃因其具有孔隙率高、孔径可调、化学稳定性好、隔音、隔热、吸附性能好等优点，被广泛应用于建材、环保、化工、生物学等领城。多孔玻璃的使用性能受到气孔的形状，孔径及分布的影响。利用电镜观察孔径100纳米以上的多孔玻璃能直观地呈现孔的结构和对比度。图4是以玻璃粉末与成孔剂共同烧结为基础，通过选择成孔剂的大小来控制多孔玻璃孔径的一组对比实验照片。从图中大致看出孔径大小rl、r2、r3分别为140um、110um、90um， 而三样品采用成孔剂的粒径是依次变小的。这定量说明了孔径是由成孔剂颗粒大小所决定的。 980443 15KY **：3omm980439 15KV980446 15KV 图4-1r1=140um 图4-2r2=110um 图4-3 r3=90um 2.4电镜在水材材料显微结构分析中的应用 水泥材料是一种多相、多组分、多孔隙的非均质材料，熟料及水化产物的显微结构不仅复杂，而且容易受矿物颗粒大小、环境条件、水灰比、养护制度和外加剂等因素的影响。同时，水化产物的种类、数量、形貌以及晶体生长情况又影响着水泥的强度等特性。例如，由交织附生的纤维状、针状、棱柱状以及六方板状等水化产物构成的硬化水泥将强度较高，而由立方体或似球状多面体水化物构成的则强度低。粉煤灰水泥是由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰，适量石膏磨细制成的。其凝结过程是水泥熟料先水化，然后粉煤灰中的活性 SiO，和AL0，与熟料矿物水化释放出的 Ca(OH)相反应。由于粉煤灰的球形玻璃体较稳定，表面又相当致密，不易水化，在水化7天后的粉煤灰颗粒表面，几乎没有变化(图5-1)，直至28天，刚能见到表面开始初步水化，略有凝胶状水化物出现(图5-2)，在水化90 天后，粉煤灰颗粒表面开始生成大量的水化硅酸钙凝胶体，它们相互交叉连接，形成很好的粘接强度(图5-3)。这就是 粉煤灰水泥早期强度较低，而后期强度较高的原因。 3结束语 近年来，光电子能谱仪、图像处理系统与扫描电镜联机使用，使得电镜的功能得到进一步开发与完善。这样可以在分析样品表面形貌或内部结构的同时，探测某一微区的化学成分组成，进行定量分析，并具有实时采集图像，进行伪色彩处理，储存图像等功能。扫描电子显微测试技术的发展，使得电镜在无机材料学科领域中的应用日益广泛，带来的社会和经济效益也更加显著。 ( 参考文献 ) ( 1周志期·无机材料显微结构分析·浙江大学出版 社，1993。 ) ( 2诸培南，翁臻培，王天迪·无机非金属材料显微结构图册·武汉工业大学出版社，1994 ) ( 3沈威，黄文熙，闵盘荣·水泥工艺学·武汉工业大学 出版社，1995 ) China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http：//www.cnki.net