掃描電子顯微鏡在粒度分析中的應(yīng)用

熊麗媛

(航空工業(yè)過濾產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心，河南 新鄉(xiāng) 453019)

0 引言

隨著人類的進步和科學(xué)技術(shù)的日新月異，固體顆粒的粒度測量技術(shù)也得到持續(xù)的發(fā)展。國內(nèi)外各行各業(yè)對固體顆粒問題日益關(guān)注，粒度的大小和分布廣泛影響著工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、電力、國防和民用部門的安全生產(chǎn)和保障、生存環(huán)境的保護以及人類身心的健康等各個方面。目前，廣泛應(yīng)用的各種顆粒粒度測量儀器種類繁多，相應(yīng)的顆粒粒度分析方法也不盡相同，例如自動顆粒計數(shù)法、對比顯微鏡法、電子顯微鏡法等等。其中，電子顯微鏡法采用的儀器主要是掃描電子顯微鏡，它具有放大倍數(shù)大(從10倍到10萬倍或更大)，焦距深(為普通光學(xué)顯微鏡的300倍)，以及功能多等優(yōu)點。其測量方法與光學(xué)顯微鏡有所差別，采用微孔濾膜將試樣中的顆粒過濾并全部收集制成膜片后，放入掃描電子顯微鏡的真空樣品倉中，通過接收、放大、轉(zhuǎn)換并顯示電子槍發(fā)出的各種物理信息，完成試樣的粒度分析，這一過程中，人為因素的影響小，測量準(zhǔn)確度高。文中從掃描電子顯微鏡的原理和功能、膜片制備、圖像采集及處理、數(shù)據(jù)分析等方面，詳細闡述了掃描電子顯微鏡在粒度分析領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1 原理與功能

掃描電鏡的成像原理與閉路電視相似，顯像管上圖像的形成是靠信息的傳遞完成的。根據(jù)掃描電鏡操作方法KB-27-2005［1］，電子束在樣品表面逐行掃描，依次記錄每個點的二次電子、背散射電子或X射線等信號強度，經(jīng)放大后調(diào)制顯像管上對應(yīng)的光點亮度。掃描發(fā)生器所產(chǎn)生的同一信號又被用于驅(qū)動顯像管電子束實現(xiàn)同步掃描，樣品表面與顯像管上圖像保持逐點逐行一一對應(yīng)的幾何關(guān)系，因此，掃描電子圖像所包含的信息能很好地反映樣品的表面形貌。

利用掃描電鏡可以觀察各種材料樣品的微觀形貌，各種陶瓷、巖石、土壤等樣品的粒徑、晶界、空隙及其相互關(guān)系，確定金屬材料的斷裂性質(zhì)、顆粒樣品的粒徑及粒徑分類等。另外，掃描電鏡可以通過真空系統(tǒng)馬達驅(qū)動臺能譜分析接口與能譜儀聯(lián)合使用(如圖1所示)，采用圖像分析軟件對所采集的圖像進行顆粒粒徑及數(shù)量的測量與統(tǒng)計。

2 膜片制備方法

2.1 顆粒載片的選擇

顆粒膜片在采用掃描電鏡分析時，必須放在載片上固定。同時為了在樣品、載片和金屬底座之間形成連續(xù)金屬膜，以增強采集圖像的清晰度，載片必須是金屬導(dǎo)體，因此根據(jù)濾膜尺寸，選擇載片規(guī)格為尺寸略小于金屬底座(φ42 mm)的不銹鋼片。

2.2 微孔濾膜的選擇

在粒度分析過程中，顆粒必須通過過濾收集在微孔濾膜上。微孔濾膜過濾是固液分離技術(shù)中的一種方式，微孔過濾時介質(zhì)不會脫落，沒有雜質(zhì)溶出，使用更換方便，濾孔分布均勻，可將大于孔徑的微粒截留在濾膜表面而不發(fā)生化學(xué)變化。通過試驗比對分析，選擇孔徑0.22 μm的濾膜，其孔徑細小，表面光滑平坦，可以為掃描電鏡圖像分析提供一個清晰背景，其直徑尺寸根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計原則選擇為φ30 mm。

2.3 膜片制備

根據(jù)膜片制備方法KB-29-2005［2］，制膜裝置如圖2所示。首先利用空白試驗對其中所有清洗器具進行潔凈度檢驗，直至合格。然后參照GJB380.4A-2004對待分析樣品進行處理，并精確稱量30 mL樣品體積用于制膜。采用制膜裝置將樣品中的顆粒進行收集到膜片上，利用移液管加入適量香柏油使其浸透膜片，再將經(jīng)過香柏油浸透、平展吸附于載片上的膜片置于無鼓風(fēng)的烘箱內(nèi)進行徹底烘干處理(如圖3所示)，溫度為60℃，時間為3 h。

2.4 膜片鍍金

在烘干的膜片邊緣處用碳膠牢固粘在載片上，將載片置于鉑金噴鍍儀的鍍金室平臺上進行鍍金操作，噴鍍電流20～30 mA，噴鍍時間20～30 s。在樣品上表面噴鍍完成后，再使膜片與平面成15°傾角，依次在其前、后、左、右4個方位進行噴鍍，以保證樣品上的顆粒完全被金屬鉑金包圍固定，而且其表面也不至太厚而影響尺寸測量的準(zhǔn)確性(如圖4所示)。

3 圖像采集方法

3.1 儀器狀態(tài)的調(diào)整

采集顆粒圖像時，將制備好的膜片放入掃描電子顯微鏡的樣品倉中，按規(guī)定的掃描路徑，根據(jù)不同的放大倍數(shù)選取不同的坐標(biāo)，精確控制掃描電子顯微鏡移動，采集顆粒的特征圖像。因此，首先要按照表1所示的通用工作條件調(diào)整SEM達到最佳工作狀態(tài)。

表1 SEM的工作條件

3.2 采集并保存清晰的圖像

在采集圖像過程中，要根據(jù)膜片和放大倍率來調(diào)整掃描電子顯微鏡的掃描條件，以確保在膜片上的顆粒具有盡可能高的對比度，力求將膜片和顆粒的所有特征都包含在內(nèi)。用于觀測的放大倍率一般包括:100×、300×、500×、800×，可以涵蓋的顆粒尺寸范圍達到4～50 μm。

具體操作時，須手動調(diào)節(jié)SEM樣品臺上的Z軸旋鈕，使膜片在合適的工作距離WD=8～15 mm，選擇低真空掃描方式，真空度為30～50 Pa，調(diào)節(jié)束斑直徑Spot size=55～60，加速電壓一般調(diào)至15～20 kV。這些參數(shù)均可以根據(jù)實際所使用的放大倍數(shù)進行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以達到最佳值來提高拍照時的清晰度。選定所需的放大倍數(shù)后，反復(fù)調(diào)節(jié)聚焦、對比度和亮度，使顆粒圖像清晰。在此同等條件和狀態(tài)下，按照特定的掃描路線坐標(biāo)進行圖像掃描，并可根據(jù)需要選擇“Scan3”快速掃描或“Scan4”高清掃描，然后保存在相應(yīng)的文件夾中。

4 粒度分析

4.1 顆粒圖像處理

根據(jù)前面的程序獲得符合要求的顆粒圖像后，就可以進行粒度分析，具體包括顆粒圖像處理和顆粒數(shù)據(jù)處理。而顆粒的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析必須借助圖像處理的手段，將有用信息收集起來以供分析之用。根據(jù)不規(guī)則油液顆粒定值方法KB-30-2005［3］，采用DT2000型圖像處理軟件，其處理圖像功能比較全面，如圖5所示。

具體操作時，由于濾膜灰度值(背景峰值)介于20～30之間，而顆粒灰度值則大于40，可將灰度值設(shè)為30，根據(jù)圖像的具體情況進行微調(diào)，從而將顆粒從背景圖像中區(qū)分出來。同時，若要統(tǒng)計4～50 μm尺寸范圍的顆粒，可將閾值參數(shù)設(shè)定在3～15之間，這樣像素面積小于該閾值的顆粒不予考慮。這樣能夠較好地滿足需要。如圖6所示就是未經(jīng)處理的掃描電子顯微鏡圖像(a)和閾值化的圖像(b)的例子。在圖6(b)中某些顆粒(帶彩色標(biāo)記)被計入統(tǒng)計數(shù)據(jù)，因為它們的總像素面積超過了設(shè)定的閾值，而其他顆粒就不進行計數(shù)。

閾值設(shè)定完成后，要對每個顆粒的總像素面積、弦長和顆粒周長等參數(shù)進行計算。通過統(tǒng)計超過設(shè)定閾值對象的數(shù)目，就從圖像上確定了在特定放大倍數(shù)下視場區(qū)域中的顆粒數(shù)。同時，剔除圖像邊緣處的顆粒，不計入總數(shù)。最后通過圖像處理軟件可以把最終測得的結(jié)果，包括被測顆粒序號、等效圓直徑、最大顆粒尺寸(弦長)、最小顆粒尺寸(弦長)、顆粒面積等，導(dǎo)入EXECL匯總，這樣就完成了顆粒圖像的處理和數(shù)據(jù)的初步統(tǒng)計。

4.2 顆粒數(shù)據(jù)處理

根據(jù)測量單幅采集圖像所覆蓋的面積、顆粒均勻覆蓋的有效面積和制備膜片所需樣品的體積，就可利用下面的計算程序得到某放大倍數(shù)下對應(yīng)顆粒尺寸段的顆粒分布。若需要不同放大倍數(shù)下的顆粒分布，則可以對各顆粒分布段進行數(shù)據(jù)擬合，得出顆?？偟牧６确植?。

4.2.1 顆粒統(tǒng)計的計算程序

(1)利用公式(1)可計算該樣品膜片上，采集的M幅圖像上所有大于某顆粒尺寸的每毫升的顆?？倲?shù)量n:

式中:N為膜片上所有采集M幅圖像統(tǒng)計出來的大于某顆粒尺寸的顆?？倲?shù)量;

ni為膜片上采集M幅圖像中的第i幅圖像統(tǒng)計出來的大于某顆粒尺寸的顆粒數(shù)量;

V為制備膜片所需標(biāo)準(zhǔn)油液的體積，mL;

M為某放大倍數(shù)下采集的圖像總數(shù)量。

(2)利用公式(2)計算該膜片單位面積上所有大于某顆粒尺寸的每毫升的顆?？倲?shù)量N1:

式中:N1為膜片單位面積上所有大于某顆粒尺寸的每毫升的顆?？倲?shù)量;

n為膜片上所有采集M幅圖像統(tǒng)計出來的大于某顆粒尺寸的顆?？倲?shù)量;

M為某放大倍數(shù)下采集的圖像總數(shù)量;

a為某放大倍數(shù)下的單幅圖像面積。

(3)利用公式(3)計算該膜片上所有大于某顆粒尺寸的每毫升顆粒總數(shù)量N:

式中:N為膜片上所有大于某顆粒尺寸的每毫升顆?？倲?shù)量;

N1為膜片單位面積上所有大于某顆粒尺寸的每毫升的顆粒總數(shù)量;

S為膜片上顆粒均勻覆蓋的有效面積。

4.2.2 顆粒在不同放大倍數(shù)下的數(shù)據(jù)擬合

顆粒的數(shù)據(jù)擬合是將不同放大倍數(shù)下得到的顆粒分布數(shù)據(jù)進行整合，以得到總的顆粒尺寸分布。顆粒在不同放大倍數(shù)下，其總的顆粒尺寸分布是通過連接各分段數(shù)據(jù)完成的。而對于各個不同的放大倍數(shù)(例如800×和500×)下的累積分布不能平滑相接，這是因為在同一樣品上，不同放大倍數(shù)下都會有微小差別的增益設(shè)置和圖像灰度變化，從而使每一個圖像集都具有微小的區(qū)別特征。隨著放大倍數(shù)的增加，得到的某一顆粒尺寸對應(yīng)的顆粒統(tǒng)計數(shù)值不斷變化，符合一定的統(tǒng)計規(guī)律，在此不作詳述。在實際顆粒統(tǒng)計過程中，可以通過對不同放大倍數(shù)下得出的大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析，按照上述的統(tǒng)計規(guī)律得出相應(yīng)的統(tǒng)計值，以這些統(tǒng)計值為基礎(chǔ)，繪制出一條“平滑”的顆粒分布曲線。這一過程就是顆粒分布“擬合”，實際就是對顆粒分布進行優(yōu)化處理的過程。如圖7所示為顆粒分布擬合原理圖。

采用數(shù)據(jù)擬合技術(shù)，將不同放大倍率下獲取的各個顆粒分布段“平滑”疊加在一起，形成某個尺寸范圍內(nèi)總的顆粒尺寸分布，去掉了干擾數(shù)據(jù)，是各段數(shù)據(jù)的最優(yōu)化組合。

5 結(jié)論

文中側(cè)重理論方面對掃描電鏡的應(yīng)用進行了闡述，其中某些具體操作步驟在《掃描電子顯微鏡圖像采集方法研究》中已有詳述，在此因條件篇幅限制不作贅述。通過上述分析過程可知，固體顆粒尺寸和數(shù)量的定值是一項精密細致的工作，而掃描電子顯微鏡放大倍數(shù)高，觀察圖像清晰，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化操作而不受人為因素的影響，測試準(zhǔn)確度高，并可與眾多硬件及軟件配合使用，功能強大。因此，相比光學(xué)顯微鏡或其他工具顯微鏡，使用掃描電子顯微鏡對粒度進行分析更具有明顯的優(yōu)勢。

【1】掃描電子顯微鏡操作方法(KB－27－2005)［M］．航空工業(yè)過濾與分離機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心．

【2】掃描電子顯微鏡使用的膜片制備方法(KB－29－2005)［M］．航空工業(yè)過濾與分離機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心．

【3】不規(guī)則形狀顆粒油樣的定值方法(KB－30－2005)［M］．航空工業(yè)過濾與分離機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心．