一種提高無(wú)機(jī)非金屬材料樣品能譜面分布圖像質(zhì)量的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種提高無(wú)機(jī)非金屬材料樣品能譜面分布圖像質(zhì)量的方法，該方法包括以下步驟：(1)樣品安裝；(2)粘貼導(dǎo)電膠；(3)用硅漂移電制冷X射線能譜探測(cè)器采集元素的能譜面分布圖像。本發(fā)明所述的圖像采集方法，能夠增大元素能譜圖像中化學(xué)組成相近物相的灰度差異，緩解顆粒內(nèi)部像素缺失、顆粒邊緣虛化、圖像整體漂移等現(xiàn)象，縮短圖像采集時(shí)間。該方法有助于降低制樣難度，縮短電鏡觀測(cè)條件優(yōu)化試驗(yàn)所需的時(shí)間，且拍攝過(guò)程無(wú)需液氮冷卻。
【專利說(shuō)明】一種提高無(wú)機(jī)非金屬材料樣品能譜面分布圖像質(zhì)量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料分析領(lǐng)域，尤其涉及一種提高無(wú)機(jī)非金屬材料樣品能譜面分布圖像質(zhì)量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在無(wú)機(jī)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(jié)合的方法是一種非常有效的微觀測(cè)試手段。如果再輔以數(shù)字圖像處理，還可以獲得各種物相的面積分?jǐn)?shù)、周長(zhǎng)分?jǐn)?shù)和相關(guān)函數(shù)。尤其對(duì)于水泥等物相組成復(fù)雜而且分布不均勻的材料，準(zhǔn)確掌握上述信息，對(duì)了解材料的反應(yīng)過(guò)程尤為重要。如果采用該方法，決定分析結(jié)果的關(guān)鍵因素是能譜圖像的質(zhì)量。
[0003]由于無(wú)機(jī)非金屬材料多數(shù)不導(dǎo)電，此類樣品要用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行鑲嵌，待其固化后，經(jīng)過(guò)打磨、拋光，獲得平整、光滑的觀測(cè)面，然后再噴鍍導(dǎo)電層，通過(guò)鋰漂移硅X射線能譜探測(cè)器采集元素的能譜面分布圖像。采用上述傳統(tǒng)的圖像采集方法時(shí)，能譜圖像的質(zhì)量取決于兩個(gè)因素，一是樣品的制備效果，二是掃描電鏡的參數(shù)設(shè)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(fù)調(diào)整環(huán)氧樹(shù)脂與被測(cè)樣品的混合比例、固化溫度、磨拋機(jī)的壓力、轉(zhuǎn)速、操作時(shí)間以及研磨拋光介質(zhì)的細(xì)度等一系列參數(shù)。但是，由于水泥等材料往往是多相、非均質(zhì)的，一個(gè)顆粒內(nèi)部可能會(huì)同時(shí)包含幾種硬度不等的物相，因此，將此類樣品的觀測(cè)面磨制平整光滑難度很大，而且非常耗時(shí)。
[0005]在電鏡觀測(cè)環(huán)節(jié)，加速電壓、電子束掃描方式、圖像采集時(shí)間、圖像放大倍數(shù)等諸多參數(shù)都會(huì)影響成像質(zhì)量，同時(shí)，各個(gè)因素對(duì)成像的作用，只有等圖像全部采集完畢之后才得以顯現(xiàn)。目前，用傳統(tǒng)的能譜探測(cè)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(jīng)受電子束長(zhǎng)時(shí)間轟擊之后，極易出現(xiàn)放電、圖像漂移、顆粒邊緣虛化等現(xiàn)象。因此，若要通過(guò)優(yōu)化電鏡工作條件來(lái)提高能譜圖像的質(zhì)量，不僅耗時(shí)、難度大,而且測(cè)試費(fèi)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(xué)組成十分接近，這種電鏡觀測(cè)條件的優(yōu)化對(duì)于增強(qiáng)上述物相在能譜圖像中的灰度差異效果并不明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種提高無(wú)機(jī)非金屬材料樣品能譜面分布圖像質(zhì)量的方法，它能夠增大化學(xué)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(nèi)部像素缺失、邊緣虛化、圖像整體漂移等現(xiàn)象，縮短圖像采集時(shí)間。此外，該方法有助于降低制樣難度，縮短優(yōu)化電鏡觀測(cè)條件的測(cè)試時(shí)間，而且拍攝過(guò)程無(wú)需液氮冷卻。
[0007]本發(fā)明提出的提高無(wú)機(jī)非金屬材料粉末樣品能譜面分布圖像質(zhì)量的方法，具體步驟如下:
(I)樣品安裝:將樣品放入無(wú)磁不銹鋼支架內(nèi)，觀測(cè)面向上，安裝牢固，然后，通過(guò)無(wú)磁不銹鋼支架底部的螺栓將樣品與無(wú)磁不銹鋼支架整體固定在掃描電鏡的觀測(cè)臺(tái)上； (2)粘貼導(dǎo)電膠:將樣品觀測(cè)面與支架側(cè)壁間用3-4根導(dǎo)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(cè)器采集被測(cè)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(cè)試時(shí)間為l_2h，圖像采集過(guò)程中無(wú)需液氮冷卻；
其中:所述樣品為無(wú)機(jī)非金屬材料粉末或塊體與環(huán)氧樹(shù)脂組成的混合物。
[0008]本發(fā)明中，步驟(I)中所述樣品為蒸鍍了碳導(dǎo)電層的樣品。
[0009]本發(fā)明中，無(wú)機(jī)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(tǒng)的圖像采集方法相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn):
(1)樣品安裝方法:不采用導(dǎo)電膠直接將樣品粘接于電鏡觀測(cè)臺(tái)上的常規(guī)做法，而采用專用支架固定樣品，然后通過(guò)支架底部的螺栓連接支架與電鏡觀測(cè)臺(tái)的安裝方法。這不僅會(huì)使樣品安裝更牢固，避免了觀測(cè)過(guò)程中因?qū)щ娔z受熱變形而產(chǎn)生的圖像漂移，而且也使得試驗(yàn)結(jié)束后樣品拆卸更便捷；
(2)樣品觀測(cè)面粘貼導(dǎo)電膠的方法:通過(guò)增加導(dǎo)電膠的數(shù)量來(lái)增強(qiáng)導(dǎo)電能力，減少觀測(cè)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(cè)器替代傳統(tǒng)的鋰漂移探測(cè)器。由于能譜信號(hào)的計(jì)數(shù)率顯著提高，因此，圖像采集時(shí)間縮短，樣品觀測(cè)面的磨拋質(zhì)量、電鏡觀測(cè)條件等因素對(duì)圖像質(zhì)量的影響減弱，能譜圖像中化學(xué)組成相近物相的灰度差異增大，顆粒內(nèi)部像素缺失、邊緣虛化、圖像整體漂移等現(xiàn)象得以緩解。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是實(shí)施例1由硅漂移電制冷X射線能譜探測(cè)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(shù)為500倍。
[0012]圖2是實(shí)施例1由鋰漂移硅X射線能譜探測(cè)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(shù)為500倍。
[0013]圖3是實(shí)施例2由硅漂移電制冷X射線能譜探測(cè)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(shù)為1000倍。
[0014]圖4是實(shí)施例2由硅漂移電制冷X射線能譜探測(cè)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(shù)為1000倍。
[0015]圖5是實(shí)施例3由硅漂移電制冷X射線能譜探測(cè)器采集的粉煤灰的Al元素能譜面分布圖像，圖像放大倍數(shù)為500倍。
[0016]圖6是實(shí)施例3由硅漂移電制冷X射線能譜探測(cè)器采集的粉煤灰的Si元素能譜面分布圖像，圖像放大倍數(shù)為500倍。
[0017]圖7是實(shí)施例4由硅漂移電制冷X射線能譜探測(cè)器采集的礦渣的Ca元素能譜面分布圖像，圖像放大倍數(shù)為500倍。
[0018]圖8是實(shí)施例4由硅漂移電制冷X射線能譜探測(cè)器采集的礦渣的Si元素能譜面分布圖像，圖像放大倍數(shù)為500倍。
[0019]圖9是實(shí)施例4由硅漂移電制冷X射線能譜探測(cè)器采集的礦渣的Al元素能譜面分布圖像，圖像放大倍數(shù)為500倍。
[0020]圖10是實(shí)施例4由硅漂移電制冷X射線能譜探測(cè)器采集的礦渣的Mg元素能譜面分布圖像，圖像放大倍數(shù)為500倍。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ] 下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
[0022]實(shí)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(jìn)行圖像采集:
(1)樣品安裝:將已完成打磨、拋光，并蒸鍍了碳導(dǎo)電層的水泥熟料-石膏-環(huán)氧樹(shù)脂樣品放入無(wú)磁不銹鋼支架內(nèi)，觀測(cè)面向上，安裝牢固，然后，通過(guò)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(cè)臺(tái)上；
(2)粘貼導(dǎo)電膠:用3根導(dǎo)電膠連接樣品觀測(cè)面與支架側(cè)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(cè)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(shù)為500倍，測(cè)試時(shí)間為2h。
[0023]實(shí)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(jìn)行圖像采集:
(1)樣品安裝:將已完成打磨、拋光，并蒸鍍了碳導(dǎo)電層的硅酸鹽水泥-環(huán)氧樹(shù)脂樣品放入無(wú)磁不銹鋼支架內(nèi)，觀測(cè)面向上，安裝牢固，然后，通過(guò)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(cè)臺(tái)上；
(2)粘貼導(dǎo)電膠:用3根導(dǎo)電膠連接樣品觀測(cè)面與支架側(cè)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(cè)器同時(shí)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(shù)為1000倍，測(cè)試時(shí)間為2h。
[0024]實(shí)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(jìn)行圖像采集:
(1)樣品安裝:將已完成打磨、拋光，并蒸鍍了碳導(dǎo)電層的粉煤灰-環(huán)氧樹(shù)脂樣品放入無(wú)磁不銹鋼支架內(nèi)，觀測(cè)面向上，安裝牢固，然后，通過(guò)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(cè)臺(tái)上；
(2)粘貼導(dǎo)電膠:用4根導(dǎo)電膠連接樣品觀測(cè)面與支架側(cè)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(cè)器同時(shí)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(shù)為500倍，測(cè)試時(shí)間為2h。
[0025]實(shí)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(jìn)行圖像米集:
(1)樣品安裝:將已完成打磨、拋光，并蒸鍍了碳導(dǎo)電層的礦渣-環(huán)氧樹(shù)脂樣品放入無(wú)磁不銹鋼支架內(nèi)，觀測(cè)面向上，安裝牢固，然后，通過(guò)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(cè)臺(tái)上；
(2)粘貼導(dǎo)電膠:用4根導(dǎo)電膠連接樣品觀測(cè)面與支架側(cè)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(cè)器同時(shí)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(shù)為500倍，測(cè)試時(shí)間為2h。
[0026]圖1是用本發(fā)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(nèi)部各像素之間的灰度差異小。這一現(xiàn)象在水泥熟料中含量最高的C3S物相中體現(xiàn)得非常明顯。若用這種原始圖像進(jìn)行數(shù)字圖像處理，將使物相組成不同的顆粒更易區(qū)分，而且，還能減少顆粒內(nèi)部的噪聲。相比之下，改用傳統(tǒng)的鋰漂移硅X射線能譜探測(cè)器采集同一樣品的能譜圖像則發(fā)現(xiàn)，物相組成不同的顆粒之間灰度差異減小，同一顆粒內(nèi)部各像素之間的灰度差異反而増大，部分顆粒內(nèi)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(cè)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(jié)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(nèi)部各種物相之間界限清晰，無(wú)虛化、漂移現(xiàn)象，尤其值得關(guān)注的是，C3S和C2S反差明顯。
[0028]此外，在本發(fā)明所進(jìn)行的試驗(yàn)中，無(wú)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(cè)器的測(cè)試時(shí)間均為2h，而用鋰漂移硅X射線探測(cè)器則要2.5h，且
圖像效果略遜ー籌。
[0029]上述應(yīng)用實(shí)例表明本發(fā)明所述的物相分析方法對(duì)于熟料、水泥等物相組成以晶態(tài)為主的材料是適用的。除此之外，在分析玻璃態(tài)物相含量豐富的無(wú)機(jī)非金屬材料(如粉煤灰、礦渣等)時(shí)，本發(fā)明也具有明顯優(yōu)勢(shì)。它解決了以往X射線衍射等傳統(tǒng)測(cè)試方法只能籠統(tǒng)判斷非晶態(tài)物質(zhì)存在與否但卻無(wú)法檢測(cè)出具體物相種類及其分布的問(wèn)題，將非晶態(tài)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(gè)顆粒內(nèi)部，物相組成不均勻的現(xiàn)象也較為普遍。相比之下，從礦渣主要構(gòu)成元素Ca、S1、Al和Mg的能譜圖像來(lái)看，礦渣中不同顆粒之間以及同一顆粒內(nèi)部的物相組成差異遠(yuǎn)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(xiàn)放電、圖像漂移等現(xiàn)象，而且顆粒邊緣棱角分明，顆粒內(nèi)部物相組成一致的區(qū)域像素之間灰度差異很小。由此可見(jiàn)，本發(fā)明所述的方法能夠縮短圖像采集時(shí)間，増大能譜圖像中化學(xué)組成相近物相的灰度差異，緩解顆粒內(nèi)部像素缺失、顆粒邊緣虛化、圖像整體漂移等現(xiàn)象。此外，還能弱化樣品磨拋質(zhì)量、電鏡觀測(cè)條件等因素對(duì)圖像質(zhì)量的影響，因此，可以降低摸索樣品制備エ藝以及優(yōu)化電鏡觀測(cè)條件的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本。而且，本發(fā)明所述的方法對(duì)于材料中的晶態(tài)物相和非晶態(tài)物相均有效。
【權(quán)利要求】
1.一種提高無(wú)機(jī)非金屬材料樣品能譜面分布圖像質(zhì)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(wú)磁不銹鋼支架內(nèi)，觀測(cè)面向上，安裝牢固，然后，通過(guò)無(wú)磁不銹鋼支架底部的螺栓將樣品與無(wú)磁不銹鋼支架整體固定在掃描電鏡的觀測(cè)臺(tái)上； (2)粘貼導(dǎo)電膠:將無(wú)機(jī)非金屬材料粉末樣品觀測(cè)面與支架側(cè)壁間用3-4根導(dǎo)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(cè)器采集被測(cè)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(cè)試時(shí)間為l_2h，圖像采集過(guò)程中無(wú)需液氮冷卻； 其中:所述樣品為無(wú)機(jī)非金屬材料粉末或塊體與環(huán)氧樹(shù)脂組成的混合物。
2.根據(jù)權(quán)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(dǎo)電層的樣品。
【文檔編號(hào)】G01N1/36GK103454296SQ201310377288
【公開(kāi)日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月27日
【發(fā)明者】吳丹琳, 王培銘, 劉賢萍 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)