掃描電鏡粉末樣品制樣方法

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域，特別是材料領(lǐng)域需要精確了解各材料的微觀形貌和組織結(jié)構(gòu)，采用掃描電鏡對其進行表征具有重要意義。采用掃描電鏡觀測樣品涉及3方面的因素：

粉末的顆粒形狀、顆粒大小及組成、顆粒表面的微觀形貌組織、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等粉末特性是重要的物理性能。在生產(chǎn)中，一般只測定粉末顆粒的大小及百分比組成，最常用的方法有篩分法、顯微鏡法、氣體透過法、氣體吸附法、X射線衍射法和掃描電鏡法等，其中掃描電鏡法對研究粉末的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)與性能具有獨特的優(yōu)勢和特點，尤其是在觀測樣品的顆粒形狀、顆粒大小和顆粒表面的微觀形貌時，既方便又直觀。

但是，粉末所具有的特性有時嚴重影響顆粒的觀察和測量。對于超細粒子的材料來說，由于其具有較大的吉布斯自由能，粒子之間有較強的自發(fā)聚集趨勢，很容易形成團聚，嚴重影響顆粒的觀測。因此，利用掃描電鏡研究粉末的很重要一步在于制備出既沒有顆粒團聚、又有一定密度，圖像清晰的樣品。本研究就制備掃描電鏡粉末樣品的方法進行一些探討。

2   實   驗

2.1   實驗儀器

日本電子JSM-6460鎢燈絲掃描電鏡，JSM-6700F冷場發(fā)射掃描電鏡，KQ-250型超聲波清洗機（浙江昆山儀器廠），XQ-2金相試樣鑲嵌機，P-2型金相拋光機。

2.2   實驗材料

采用西北有色金屬研究院自制Ti粉、TiO₂粉、Al-V粉、W粉、SO₂粉、SiO₂粉。

3   制備方法及實例分析

目前，從西北有色金屬研究院各研究所和公司接收的粉末樣品有鈦及鈦合金粉、難熔金屬粉、貴金屬粉等，通過掃描電鏡對這些形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)多變的粉末樣品進行觀測時，必須將其以適當?shù)姆绞焦潭ㄔ跇悠放_上，基本要求就是盡可能在同一平面內(nèi)獲得分布均勻、密度適當?shù)姆勰?/strong>。制備掃描電鏡樣品一般需經(jīng)過分散、鋪放、鍍導(dǎo)電膜3個步驟。常用的方法是：直接在樣品臺上撒少許粉末，滴幾滴分散劑，用玻璃棒揉研，使顆粒分散，待分散劑完全揮發(fā)后放入電鏡觀測。這種常規(guī)的制樣方法存在許多缺點：

針對以上情況，在實際工作中總結(jié)了幾種方法，可以得到清晰的圖像和準確的觀測結(jié)果。

3.1   導(dǎo)電膠粘結(jié)法

用一薄層的導(dǎo)電膠帶將粉末粘在樣品臺上，基本做法是：先在樣品臺上均勻粘一小條導(dǎo)電膠帶（Ag膠帶、C膠帶等），然后在粘好的膠帶上撒少許粉末，把樣品臺朝下使未與膠帶接觸的顆粒脫落，再用洗耳球輕吹，吹掉粘結(jié)不牢固的粉末，這樣膠帶表面就留下均勻的一層粉末。用該方法制備粉末的關(guān)鍵在于所撒上的粉末不能太多，不要用玻璃板等壓平粉末表面，否則會造成顆粒下陷于膠帶內(nèi)，導(dǎo)致圖像失真。

圖1分別是Ti粉和Al-V粉樣品的SEM照片。由圖1可知，由于粉末顆粒本身較大、沒有團聚現(xiàn)象，采用導(dǎo)電膠帶粘結(jié)法制備就能得到均勻分布的粉末，得到比較好的效果。

圖1   導(dǎo)電膠帶粘結(jié)法制備的Ti粉 (a)及Al-V粉的SEM照片(b)

3.2   直接撒粉法

將粉末直接撒落在樣品臺上，適當?shù)螏椎?span style="margin:0px;padding:0px;max-width:100%;box-sizing:border-box !important;overflow-wrap:break-word !important;color:#1E9BE8;">分散劑（乙醇或其他分散介質(zhì)），輕晃樣品臺使粉末分布平整均勻，分散劑揮發(fā)后用洗耳球輕吹掉吸附不牢固的粉末，就可直接放入電鏡觀測。該方法制樣簡單，但分散性較差，分散劑揮發(fā)過程中顆粒容易團聚，適用于較粗的粉末。這種方法方便快捷，適用于本身分散性較好的固體粉末，但難以得到單層分布的顆粒。

圖2是TiO₂粉的SEM照片，采用直接撒粉法制備。由圖2可知，由于顆粒尺寸只有幾微米甚至到了納米尺度，所以顆粒分散不均勻，有團聚現(xiàn)象，因此采用直接撒粉法制備小顆粒樣品是不適合的。

圖2   直接撒粉法制備的TiO₂粉的SEM照片   

3.3   超聲波法

將少量的粉末置于小燒杯中，加適量的乙醇或蒸餾水，超聲處理幾分鐘即可，然后盡快用滴管將分散均勻的含粉末溶液滴到樣品臺或錫紙上，用電熱風(fēng)輕輕吹干就可放入電鏡觀測。若用錫紙就將其粘在樣品臺的導(dǎo)電膠帶上放入電鏡。此方法分散效果較好，特別適合極易團聚的超細粉和納米粉。

圖3是超聲波法及噴金處理制備的SO₂粉末樣品的SEM照片。由圖3可知，由于顆粒尺寸很小，只有幾百納米左右，用其他方法制備就會產(chǎn)生如圖2的團聚效果，只有采用超聲波才能得到較好的分散效果，以便精確的測量顆粒的大小。

圖3   超聲波法制備的SO₂粉末SEM照片

3.4   粉末的斷面觀察法

試驗中有時要對粉末顆粒的斷面進行觀察。方法是：先將粉末和環(huán)氧樹脂均勻混合、鑲樣、金相拋光后放入電鏡觀察。此外，制備粉末樣品的方法還有固體膜包埋法、超薄切片法、噴霧法等。

3.4.1   固體膜包埋法

固體膜包埋法，如在制備固體膜火棉膠的過程中，將適量微粒子直接混合在1.5%的火棉膠溶液中，充分攪拌使微粒分散，然后按制備火棉膠膜的辦法，滴于蒸餾水面上成膜，顆粒就被包埋在支持膜內(nèi)，再用銅網(wǎng)撈起即可。

圖4是采用Cu包W粉與環(huán)氧樹脂混合、鑲樣、拋光后的粉末斷面的SEM照片。與環(huán)氧樹脂混合是為了將粉末固定，進行金相制樣。此法是為了觀察顆粒的截面，以便觀察Cu膜，由圖4可以觀測到W粉表面包覆的Cu膜。

圖4   Cu包W粉與環(huán)氧樹脂混合拋光后樣品的斷面SEM 照片

圖5為SiO₂粉末鍍金膜前后的SEM照片。由圖5可知，未鍍金膜顆粒無立體感，明顯成片狀（圖5a），而鍍金膜后顆粒立體感強，成球狀（圖5b）。因此對于導(dǎo)電差的粉末樣品鍍上導(dǎo)電膜更有利于準確觀測顆粒的形貌。

圖5   SiO₂粉末鍍金膜前(a)及后(b)的SEM照片

3.4.2   噴霧法

將超聲波分散后的微粒懸浮液用噴霧裝置加以分離，過濾，以去除未溶解的團粒，然后再噴霧到掃描電鏡的試樣臺上，即可獲得良好的效果。這種方法實際是將微粒進行了2次分散，因此，效果很好。但是由于該方法過程比較復(fù)雜，對于有些樣品效果又不明顯，因此應(yīng)用比較少。若要測定粉末的粒度，需要用超聲波法制備樣品，為使測量的結(jié)果具有統(tǒng)計準確性，避免較大的誤差，測量粉末顆粒的數(shù)量要大于500顆。對于導(dǎo)電性較差的粉末樣品，觀測前需要對其進行噴金處理。

4   結(jié)   論

以上4種制樣方法彌補了常規(guī)方法的缺點，制備掃描電鏡粉末樣品的方法有很多，要根據(jù)顆粒的性質(zhì)和觀測需要來選擇合適的制樣方法。一般來說微米級的顆粒制樣相對簡單，可以采用最簡單的導(dǎo)電膠帶粘結(jié)法和直接鋪放法。但對于易團聚的超細和納米顆粒，需要采用超聲波法才能得到真實準確的觀測結(jié)果。此外，以上4種方法制備的粉末樣品可以長期保存，以便日后再次觀測。

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