一种提高无机非金属材料样品能谱面分布图像质量的方法
【专利摘要】本发明涉及一种提高无机非金属材料样品能谱面分布图像质量的方法，该方法包括以下步骤：(1)样品安装；(2)粘贴导电胶；(3)用硅漂移电制冷X射线能谱探测器采集元素的能谱面分布图像。本发明所述的图像采集方法，能够增大元素能谱图像中化学组成相近物相的灰度差异，缓解颗粒内部像素缺失、颗粒边缘虚化、图像整体漂移等现象，缩短图像采集时间。该方法有助于降低制样难度，缩短电镜观测条件优化试验所需的时间，且拍摄过程无需液氮冷却。
【专利说明】一种提高无机非金属材料样品能谱面分布图像质量的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料分析领域，尤其涉及一种提高无机非金属材料样品能谱面分布图像质量的方法。
【背景技术】
[0002]在无机非金属材料的物相组成及分布研究中，采用背散射电子图像与元素能谱面分布图像相结合的方法是一种非常有效的微观测试手段。如果再辅以数字图像处理，还可以获得各种物相的面积分数、周长分数和相关函数。尤其对于水泥等物相组成复杂而且分布不均匀的材料，准确掌握上述信息，对了解材料的反应过程尤为重要。如果采用该方法，决定分析结果的关键因素是能谱图像的质量。
[0003]由于无机非金属材料多数不导电，此类样品要用环氧树脂进行镶嵌，待其固化后，经过打磨、抛光，获得平整、光滑的观测面，然后再喷镀导电层，通过锂漂移硅X射线能谱探测器采集元素的能谱面分布图像。采用上述传统的图像采集方法时，能谱图像的质量取决于两个因素，一是样品的制备效果，二是扫描电镜的参数设置。
[0004]为了改善样品的制备效果，通常采取的措施主要是反复调整环氧树脂与被测样品的混合比例、固化温度、磨抛机的压力、转速、操作时间以及研磨抛光介质的细度等一系列参数。但是，由于水泥等材料往往是多相、非均质的，一个颗粒内部可能会同时包含几种硬度不等的物相，因此，将此类样品的观测面磨制平整光滑难度很大，而且非常耗时。
[0005]在电镜观测环节，加速电压、电子束扫描方式、图像采集时间、图像放大倍数等诸多参数都会影响成像质量，同时，各个因素对成像的作用，只有等图像全部采集完毕之后才得以显现。目前，用传统的能谱探测器在500倍或1000倍下采集样品某一视域的元素能谱面分布图至少需要2.5h。样品经受电子束长时间轰击之后，极易出现放电、图像漂移、颗粒边缘虚化等现象。因此，若要通过优化电镜工作条件来提高能谱图像的质量，不仅耗时、难度大,而且测试费用昂贵。此外,水泥中含量最高的C3S和C2S两种物相、水泥混合材(如粉煤灰)中各种富含Al和Si元素的物相化学组成十分接近，这种电镜观测条件的优化对于增强上述物相在能谱图像中的灰度差异效果并不明显。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种提高无机非金属材料样品能谱面分布图像质量的方法，它能够增大化学组成相近的物相在能谱面分布图中的灰度差异，缓解颗粒内部像素缺失、边缘虚化、图像整体漂移等现象，缩短图像采集时间。此外，该方法有助于降低制样难度，缩短优化电镜观测条件的测试时间，而且拍摄过程无需液氮冷却。
[0007]本发明提出的提高无机非金属材料粉末样品能谱面分布图像质量的方法，具体步骤如下:
(I)样品安装:将样品放入无磁不锈钢支架内，观测面向上，安装牢固，然后，通过无磁不锈钢支架底部的螺栓将样品与无磁不锈钢支架整体固定在扫描电镜的观测台上； (2)粘贴导电胶:将样品观测面与支架侧壁间用3-4根导电胶连接；
(3)能谱面分布图像采集:用硅漂移电制冷X射线能谱探测器采集被测样品中主要元素的能谱面分布图像，所用的加速电压为15-30kV，测试时间为l_2h，图像采集过程中无需液氮冷却；
其中:所述样品为无机非金属材料粉末或块体与环氧树脂组成的混合物。
[0008]本发明中，步骤(I)中所述样品为蒸镀了碳导电层的样品。
[0009]本发明中，无机非金属材料为水泥、粉煤灰或矿渣等材料中任一种。
[0010]与传统的图像采集方法相比，本发明具有以下特点:
(1)样品安装方法:不采用导电胶直接将样品粘接于电镜观测台上的常规做法，而采用专用支架固定样品，然后通过支架底部的螺栓连接支架与电镜观测台的安装方法。这不仅会使样品安装更牢固，避免了观测过程中因导电胶受热变形而产生的图像漂移，而且也使得试验结束后样品拆卸更便捷；
(2)样品观测面粘贴导电胶的方法:通过增加导电胶的数量来增强导电能力，减少观测面上的电荷积累；
(3)能谱图像采集方法:用硅漂移电制冷X射线能谱探测器替代传统的锂漂移探测器。由于能谱信号的计数率显著提高，因此，图像采集时间缩短，样品观测面的磨抛质量、电镜观测条件等因素对图像质量的影响减弱，能谱图像中化学组成相近物相的灰度差异增大，颗粒内部像素缺失、边缘虚化、图像整体漂移等现象得以缓解。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是实施例1由硅漂移电制冷X射线能谱探测器采集的水泥熟料-石膏混合物的Ca元素能谱面分布图像，图像放大倍数为500倍。
[0012]图2是实施例1由锂漂移硅X射线能谱探测器采集的水泥熟料-石膏混合物的Ca元素能谱面分布图像，图像放大倍数为500倍。
[0013]图3是实施例2由硅漂移电制冷X射线能谱探测器采集的I型硅酸盐水泥的Ca元素能谱面分布图像，图像放大倍数为1000倍。
[0014]图4是实施例2由硅漂移电制冷X射线能谱探测器采集的I型硅酸盐水泥的Si元素能谱面分布图像，图像放大倍数为1000倍。
[0015]图5是实施例3由硅漂移电制冷X射线能谱探测器采集的粉煤灰的Al元素能谱面分布图像，图像放大倍数为500倍。
[0016]图6是实施例3由硅漂移电制冷X射线能谱探测器采集的粉煤灰的Si元素能谱面分布图像，图像放大倍数为500倍。
[0017]图7是实施例4由硅漂移电制冷X射线能谱探测器采集的矿渣的Ca元素能谱面分布图像，图像放大倍数为500倍。
[0018]图8是实施例4由硅漂移电制冷X射线能谱探测器采集的矿渣的Si元素能谱面分布图像，图像放大倍数为500倍。
[0019]图9是实施例4由硅漂移电制冷X射线能谱探测器采集的矿渣的Al元素能谱面分布图像，图像放大倍数为500倍。
[0020]图10是实施例4由硅漂移电制冷X射线能谱探测器采集的矿渣的Mg元素能谱面分布图像，图像放大倍数为500倍。
【具体实施方式】
[0021 ] 下面通过实施例进一步说明本发明。
[0022]实施例1，用能谱面分布图观察一种水泥熟料-石膏混合物的物相组成及分布，按照以下步骤进行图像采集:
(1)样品安装:将已完成打磨、抛光，并蒸镀了碳导电层的水泥熟料-石膏-环氧树脂样品放入无磁不锈钢支架内，观测面向上，安装牢固，然后，通过支架底部的螺栓将样品与支架整体固定在扫描电镜的观测台上；
(2)粘贴导电胶:用3根导电胶连接样品观测面与支架侧壁；
(3)能谱面分布图像采集:用硅漂移电制冷X射线能谱探测器采集Ca元素的能谱面分布图像。所用的加速电压为20kV，图像放大倍数为500倍，测试时间为2h。
[0023]实施例2，用能谱面分布图观察一种I型硅酸盐水泥的物相组成及分布，按照以下步骤进行图像采集:
(1)样品安装:将已完成打磨、抛光，并蒸镀了碳导电层的硅酸盐水泥-环氧树脂样品放入无磁不锈钢支架内，观测面向上，安装牢固，然后，通过支架底部的螺栓将样品与支架整体固定在扫描电镜的观测台上；
(2)粘贴导电胶:用3根导电胶连接样品观测面与支架侧壁；
(3)能谱面分布图像采集:用硅漂移电制冷X射线能谱探测器同时采集Ca和Si元素的能谱面分布图像。所用的加速电压为20kV，图像放大倍数为1000倍，测试时间为2h。
[0024]实施例3，用能谱面分布图观察一种粉煤灰的物相组成及分布，按照以下步骤进行图像采集:
(1)样品安装:将已完成打磨、抛光，并蒸镀了碳导电层的粉煤灰-环氧树脂样品放入无磁不锈钢支架内，观测面向上，安装牢固，然后，通过支架底部的螺栓将样品与支架整体固定在扫描电镜的观测台上；
(2)粘贴导电胶:用4根导电胶连接样品观测面与支架侧壁；
(3)能谱面分布图像采集:用硅漂移电制冷X射线能谱探测器同时采集Al和Si元素的能谱面分布图像。所用的加速电压为20kV，图像放大倍数为500倍，测试时间为2h。
[0025]实施例4，用能谱面分布图观察一种矿渣的物相组成及分布，按照以下步骤进行图像米集:
(1)样品安装:将已完成打磨、抛光，并蒸镀了碳导电层的矿渣-环氧树脂样品放入无磁不锈钢支架内，观测面向上，安装牢固，然后，通过支架底部的螺栓将样品与支架整体固定在扫描电镜的观测台上；
(2)粘贴导电胶:用4根导电胶连接样品观测面与支架侧壁；
(3)能谱面分布图像采集:用硅漂移电制冷X射线能谱探测器同时采集Ca、S1、Al和Mg元素的能谱面分布图像。所用的加速电压为20kV，图像放大倍数为500倍，测试时间为2h。
[0026]图1是用本发明所述的方法采集的水泥熟料-石膏混合物的Ca元素能谱图像。图中物相组成不同的颗粒之间灰度差异大，而同一颗粒内部各像素之间的灰度差异小。这一现象在水泥熟料中含量最高的C3S物相中体现得非常明显。若用这种原始图像进行数字图像处理，将使物相组成不同的颗粒更易区分，而且，还能减少颗粒内部的噪声。相比之下，改用传统的锂漂移硅X射线能谱探测器采集同一样品的能谱图像则发现，物相组成不同的颗粒之间灰度差异减小，同一颗粒内部各像素之间的灰度差异反而増大，部分颗粒内部还存在不同程度的像素缺失(图2)。
[0027]采用硅漂移电制冷X射线能谱探测器采集I型硅酸盐水泥中主要元素Ca和Si的能谱面分布图像，结果如图3和图4所示。从中可以看出，图像中颗粒边缘棱角分明，同一颗粒内部各种物相之间界限清晰，无虚化、漂移现象，尤其值得关注的是，C3S和C2S反差明显。
[0028]此外，在本发明所进行的试验中，无论是在500倍还是在1000倍下拍摄图像，采用硅漂移电制冷X射线探测器的测试时间均为2h，而用锂漂移硅X射线探测器则要2.5h，且
图像效果略逊ー筹。
[0029]上述应用实例表明本发明所述的物相分析方法对于熟料、水泥等物相组成以晶态为主的材料是适用的。除此之外，在分析玻璃态物相含量丰富的无机非金属材料(如粉煤灰、矿渣等)时，本发明也具有明显优势。它解决了以往X射线衍射等传统测试方法只能笼统判断非晶态物质存在与否但却无法检测出具体物相种类及其分布的问题，将非晶态物相分析大大向前推迸。
[0030]例如，图5和图6是粉煤灰中两种主要元素Al和Si的能谱面分布图像。从中可以看出，粉煤灰中大部分颗粒都含有丰富的Al和Si元素，但其含量不尽相同，而且，即便是同一个颗粒内部，物相组成不均匀的现象也较为普遍。相比之下，从矿渣主要构成元素Ca、S1、Al和Mg的能谱图像来看，矿渣中不同颗粒之间以及同一颗粒内部的物相组成差异远小于粉煤灰(图7-图10)。在这两种材料的能谱图像中，均未出现放电、图像漂移等现象，而且颗粒边缘棱角分明，颗粒内部物相组成一致的区域像素之间灰度差异很小。由此可见，本发明所述的方法能够缩短图像采集时间，増大能谱图像中化学组成相近物相的灰度差异，缓解颗粒内部像素缺失、颗粒边缘虚化、图像整体漂移等现象。此外，还能弱化样品磨抛质量、电镜观测条件等因素对图像质量的影响，因此，可以降低摸索样品制备エ艺以及优化电镜观测条件的时间成本和经济成本。而且，本发明所述的方法对于材料中的晶态物相和非晶态物相均有效。
【权利要求】
1.一种提高无机非金属材料样品能谱面分布图像质量的方法，其特征在于具体步骤如下: (1)样品安装:将样品放入无磁不锈钢支架内，观测面向上，安装牢固，然后，通过无磁不锈钢支架底部的螺栓将样品与无磁不锈钢支架整体固定在扫描电镜的观测台上； (2)粘贴导电胶:将无机非金属材料粉末样品观测面与支架侧壁间用3-4根导电胶连接; (3)能谱面分布图像采集:用硅漂移电制冷X射线能谱探测器采集被测样品中主要元素的能谱面分布图像，所用的加速电压为15-30kV，测试时间为l_2h，图像采集过程中无需液氮冷却； 其中:所述样品为无机非金属材料粉末或块体与环氧树脂组成的混合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(I)中所述样品为蒸镀了碳导电层的样品。
【文档编号】G01N1/36GK103454296SQ201310377288
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月27日 优先权日:2013年8月27日
【发明者】吴丹琳, 王培铭, 刘贤萍 申请人:同济大学