一種提高無機非金屬材料樣品能譜面分布圖像質量的方法
【專利摘要】本發明涉及一種提高無機非金屬材料樣品能譜面分布圖像質量的方法，該方法包括以下步驟：(1)樣品安裝；(2)粘貼導電膠；(3)用硅漂移電制冷X射線能譜探測器采集元素的能譜面分布圖像。本發明所述的圖像采集方法，能夠增大元素能譜圖像中化學組成相近物相的灰度差異，緩解顆粒內部像素缺失、顆粒邊緣虛化、圖像整體漂移等現象，縮短圖像采集時間。該方法有助于降低制樣難度，縮短電鏡觀測條件優化試驗所需的時間，且拍攝過程無需液氮冷卻。
【專利說明】一種提高無機非金屬材料樣品能譜面分布圖像質量的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及材料分析領域，尤其涉及一種提高無機非金屬材料樣品能譜面分布圖像質量的方法。
【背景技術】
[0002]在無機非金屬材料的物相組成及分布研究中，采用背散射電子圖像與元素能譜面分布圖像相結合的方法是一種非常有效的微觀測試手段。如果再輔以數字圖像處理，還可以獲得各種物相的面積分數、周長分數和相關函數。尤其對于水泥等物相組成復雜而且分布不均勻的材料，準確掌握上述信息，對了解材料的反應過程尤為重要。如果采用該方法，決定分析結果的關鍵因素是能譜圖像的質量。
[0003]由于無機非金屬材料多數不導電，此類樣品要用環氧樹脂進行鑲嵌，待其固化后，經過打磨、拋光，獲得平整、光滑的觀測面，然后再噴鍍導電層，通過鋰漂移硅X射線能譜探測器采集元素的能譜面分布圖像。采用上述傳統的圖像采集方法時，能譜圖像的質量取決于兩個因素，一是樣品的制備效果，二是掃描電鏡的參數設置。
[0004]為了改善樣品的制備效果，通常采取的措施主要是反復調整環氧樹脂與被測樣品的混合比例、固化溫度、磨拋機的壓力、轉速、操作時間以及研磨拋光介質的細度等一系列參數。但是，由于水泥等材料往往是多相、非均質的，一個顆粒內部可能會同時包含幾種硬度不等的物相，因此，將此類樣品的觀測面磨制平整光滑難度很大，而且非常耗時。
[0005]在電鏡觀測環節，加速電壓、電子束掃描方式、圖像采集時間、圖像放大倍數等諸多參數都會影響成像質量，同時，各個因素對成像的作用，只有等圖像全部采集完畢之后才得以顯現。目前，用傳統的能譜探測器在500倍或1000倍下采集樣品某一視域的元素能譜面分布圖至少需要2.5h。樣品經受電子束長時間轟擊之后，極易出現放電、圖像漂移、顆粒邊緣虛化等現象。因此，若要通過優化電鏡工作條件來提高能譜圖像的質量，不僅耗時、難度大,而且測試費用昂貴。此外,水泥中含量最高的C3S和C2S兩種物相、水泥混合材(如粉煤灰)中各種富含Al和Si元素的物相化學組成十分接近，這種電鏡觀測條件的優化對于增強上述物相在能譜圖像中的灰度差異效果并不明顯。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供一種提高無機非金屬材料樣品能譜面分布圖像質量的方法，它能夠增大化學組成相近的物相在能譜面分布圖中的灰度差異，緩解顆粒內部像素缺失、邊緣虛化、圖像整體漂移等現象，縮短圖像采集時間。此外，該方法有助于降低制樣難度，縮短優化電鏡觀測條件的測試時間，而且拍攝過程無需液氮冷卻。
[0007]本發明提出的提高無機非金屬材料粉末樣品能譜面分布圖像質量的方法，具體步驟如下:
(I)樣品安裝:將樣品放入無磁不銹鋼支架內，觀測面向上，安裝牢固，然后，通過無磁不銹鋼支架底部的螺栓將樣品與無磁不銹鋼支架整體固定在掃描電鏡的觀測臺上； (2)粘貼導電膠:將樣品觀測面與支架側壁間用3-4根導電膠連接；
(3)能譜面分布圖像采集:用硅漂移電制冷X射線能譜探測器采集被測樣品中主要元素的能譜面分布圖像，所用的加速電壓為15-30kV，測試時間為l_2h，圖像采集過程中無需液氮冷卻；
其中:所述樣品為無機非金屬材料粉末或塊體與環氧樹脂組成的混合物。
[0008]本發明中，步驟(I)中所述樣品為蒸鍍了碳導電層的樣品。
[0009]本發明中，無機非金屬材料為水泥、粉煤灰或礦渣等材料中任一種。
[0010]與傳統的圖像采集方法相比，本發明具有以下特點:
(1)樣品安裝方法:不采用導電膠直接將樣品粘接于電鏡觀測臺上的常規做法，而采用專用支架固定樣品，然后通過支架底部的螺栓連接支架與電鏡觀測臺的安裝方法。這不僅會使樣品安裝更牢固，避免了觀測過程中因導電膠受熱變形而產生的圖像漂移，而且也使得試驗結束后樣品拆卸更便捷；
(2)樣品觀測面粘貼導電膠的方法:通過增加導電膠的數量來增強導電能力，減少觀測面上的電荷積累；
(3)能譜圖像采集方法:用硅漂移電制冷X射線能譜探測器替代傳統的鋰漂移探測器。由于能譜信號的計數率顯著提高，因此，圖像采集時間縮短，樣品觀測面的磨拋質量、電鏡觀測條件等因素對圖像質量的影響減弱，能譜圖像中化學組成相近物相的灰度差異增大，顆粒內部像素缺失、邊緣虛化、圖像整體漂移等現象得以緩解。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1是實施例1由硅漂移電制冷X射線能譜探測器采集的水泥熟料-石膏混合物的Ca元素能譜面分布圖像，圖像放大倍數為500倍。
[0012]圖2是實施例1由鋰漂移硅X射線能譜探測器采集的水泥熟料-石膏混合物的Ca元素能譜面分布圖像，圖像放大倍數為500倍。
[0013]圖3是實施例2由硅漂移電制冷X射線能譜探測器采集的I型硅酸鹽水泥的Ca元素能譜面分布圖像，圖像放大倍數為1000倍。
[0014]圖4是實施例2由硅漂移電制冷X射線能譜探測器采集的I型硅酸鹽水泥的Si元素能譜面分布圖像，圖像放大倍數為1000倍。
[0015]圖5是實施例3由硅漂移電制冷X射線能譜探測器采集的粉煤灰的Al元素能譜面分布圖像，圖像放大倍數為500倍。
[0016]圖6是實施例3由硅漂移電制冷X射線能譜探測器采集的粉煤灰的Si元素能譜面分布圖像，圖像放大倍數為500倍。
[0017]圖7是實施例4由硅漂移電制冷X射線能譜探測器采集的礦渣的Ca元素能譜面分布圖像，圖像放大倍數為500倍。
[0018]圖8是實施例4由硅漂移電制冷X射線能譜探測器采集的礦渣的Si元素能譜面分布圖像，圖像放大倍數為500倍。
[0019]圖9是實施例4由硅漂移電制冷X射線能譜探測器采集的礦渣的Al元素能譜面分布圖像，圖像放大倍數為500倍。
[0020]圖10是實施例4由硅漂移電制冷X射線能譜探測器采集的礦渣的Mg元素能譜面分布圖像，圖像放大倍數為500倍。
【具體實施方式】
[0021 ] 下面通過實施例進一步說明本發明。
[0022]實施例1，用能譜面分布圖觀察一種水泥熟料-石膏混合物的物相組成及分布，按照以下步驟進行圖像采集:
(1)樣品安裝:將已完成打磨、拋光，并蒸鍍了碳導電層的水泥熟料-石膏-環氧樹脂樣品放入無磁不銹鋼支架內，觀測面向上，安裝牢固，然后，通過支架底部的螺栓將樣品與支架整體固定在掃描電鏡的觀測臺上；
(2)粘貼導電膠:用3根導電膠連接樣品觀測面與支架側壁；
(3)能譜面分布圖像采集:用硅漂移電制冷X射線能譜探測器采集Ca元素的能譜面分布圖像。所用的加速電壓為20kV，圖像放大倍數為500倍，測試時間為2h。
[0023]實施例2，用能譜面分布圖觀察一種I型硅酸鹽水泥的物相組成及分布，按照以下步驟進行圖像采集:
(1)樣品安裝:將已完成打磨、拋光，并蒸鍍了碳導電層的硅酸鹽水泥-環氧樹脂樣品放入無磁不銹鋼支架內，觀測面向上，安裝牢固，然后，通過支架底部的螺栓將樣品與支架整體固定在掃描電鏡的觀測臺上；
(2)粘貼導電膠:用3根導電膠連接樣品觀測面與支架側壁；
(3)能譜面分布圖像采集:用硅漂移電制冷X射線能譜探測器同時采集Ca和Si元素的能譜面分布圖像。所用的加速電壓為20kV，圖像放大倍數為1000倍，測試時間為2h。
[0024]實施例3，用能譜面分布圖觀察一種粉煤灰的物相組成及分布，按照以下步驟進行圖像采集:
(1)樣品安裝:將已完成打磨、拋光，并蒸鍍了碳導電層的粉煤灰-環氧樹脂樣品放入無磁不銹鋼支架內，觀測面向上，安裝牢固，然后，通過支架底部的螺栓將樣品與支架整體固定在掃描電鏡的觀測臺上；
(2)粘貼導電膠:用4根導電膠連接樣品觀測面與支架側壁；
(3)能譜面分布圖像采集:用硅漂移電制冷X射線能譜探測器同時采集Al和Si元素的能譜面分布圖像。所用的加速電壓為20kV，圖像放大倍數為500倍，測試時間為2h。
[0025]實施例4，用能譜面分布圖觀察一種礦渣的物相組成及分布，按照以下步驟進行圖像米集:
(1)樣品安裝:將已完成打磨、拋光，并蒸鍍了碳導電層的礦渣-環氧樹脂樣品放入無磁不銹鋼支架內，觀測面向上，安裝牢固，然后，通過支架底部的螺栓將樣品與支架整體固定在掃描電鏡的觀測臺上；
(2)粘貼導電膠:用4根導電膠連接樣品觀測面與支架側壁；
(3)能譜面分布圖像采集:用硅漂移電制冷X射線能譜探測器同時采集Ca、S1、Al和Mg元素的能譜面分布圖像。所用的加速電壓為20kV，圖像放大倍數為500倍，測試時間為2h。
[0026]圖1是用本發明所述的方法采集的水泥熟料-石膏混合物的Ca元素能譜圖像。圖中物相組成不同的顆粒之間灰度差異大，而同一顆粒內部各像素之間的灰度差異小。這一現象在水泥熟料中含量最高的C3S物相中體現得非常明顯。若用這種原始圖像進行數字圖像處理，將使物相組成不同的顆粒更易區分，而且，還能減少顆粒內部的噪聲。相比之下，改用傳統的鋰漂移硅X射線能譜探測器采集同一樣品的能譜圖像則發現，物相組成不同的顆粒之間灰度差異減小，同一顆粒內部各像素之間的灰度差異反而増大，部分顆粒內部還存在不同程度的像素缺失(圖2)。
[0027]采用硅漂移電制冷X射線能譜探測器采集I型硅酸鹽水泥中主要元素Ca和Si的能譜面分布圖像，結果如圖3和圖4所示。從中可以看出，圖像中顆粒邊緣棱角分明，同一顆粒內部各種物相之間界限清晰，無虛化、漂移現象，尤其值得關注的是，C3S和C2S反差明顯。
[0028]此外，在本發明所進行的試驗中，無論是在500倍還是在1000倍下拍攝圖像，采用硅漂移電制冷X射線探測器的測試時間均為2h，而用鋰漂移硅X射線探測器則要2.5h，且
圖像效果略遜ー籌。
[0029]上述應用實例表明本發明所述的物相分析方法對于熟料、水泥等物相組成以晶態為主的材料是適用的。除此之外，在分析玻璃態物相含量豐富的無機非金屬材料(如粉煤灰、礦渣等)時，本發明也具有明顯優勢。它解決了以往X射線衍射等傳統測試方法只能籠統判斷非晶態物質存在與否但卻無法檢測出具體物相種類及其分布的問題，將非晶態物相分析大大向前推迸。
[0030]例如，圖5和圖6是粉煤灰中兩種主要元素Al和Si的能譜面分布圖像。從中可以看出，粉煤灰中大部分顆粒都含有豐富的Al和Si元素，但其含量不盡相同，而且，即便是同一個顆粒內部，物相組成不均勻的現象也較為普遍。相比之下，從礦渣主要構成元素Ca、S1、Al和Mg的能譜圖像來看，礦渣中不同顆粒之間以及同一顆粒內部的物相組成差異遠小于粉煤灰(圖7-圖10)。在這兩種材料的能譜圖像中，均未出現放電、圖像漂移等現象，而且顆粒邊緣棱角分明，顆粒內部物相組成一致的區域像素之間灰度差異很小。由此可見，本發明所述的方法能夠縮短圖像采集時間，増大能譜圖像中化學組成相近物相的灰度差異，緩解顆粒內部像素缺失、顆粒邊緣虛化、圖像整體漂移等現象。此外，還能弱化樣品磨拋質量、電鏡觀測條件等因素對圖像質量的影響，因此，可以降低摸索樣品制備エ藝以及優化電鏡觀測條件的時間成本和經濟成本。而且，本發明所述的方法對于材料中的晶態物相和非晶態物相均有效。
【權利要求】
1.一種提高無機非金屬材料樣品能譜面分布圖像質量的方法，其特征在于具體步驟如下: (1)樣品安裝:將樣品放入無磁不銹鋼支架內，觀測面向上，安裝牢固，然后，通過無磁不銹鋼支架底部的螺栓將樣品與無磁不銹鋼支架整體固定在掃描電鏡的觀測臺上； (2)粘貼導電膠:將無機非金屬材料粉末樣品觀測面與支架側壁間用3-4根導電膠連接; (3)能譜面分布圖像采集:用硅漂移電制冷X射線能譜探測器采集被測樣品中主要元素的能譜面分布圖像，所用的加速電壓為15-30kV，測試時間為l_2h，圖像采集過程中無需液氮冷卻； 其中:所述樣品為無機非金屬材料粉末或塊體與環氧樹脂組成的混合物。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于步驟(I)中所述樣品為蒸鍍了碳導電層的樣品。
【文檔編號】G01N1/36GK103454296SQ201310377288
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月27日 優先權日:2013年8月27日
【發明者】吳丹琳, 王培銘, 劉賢萍 申請人:同濟大學