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氬離子拋光制樣,讓你的材料樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)真實(shí)展現(xiàn)(

氬離子拋光技術(shù)是對樣品表面進(jìn)行拋光,去除損傷層,從而得到高質(zhì)量樣品,用于在 sem,光鏡或者掃描探針顯微鏡上進(jìn)行成像、eds、ebsd、cl、ebic 或其它分析。針對不同的樣品的硬度,設(shè)置不同的電壓、電流、離子槍的角度、離子束窗口,控制氬離子作用的深度、強(qiáng)度、角度、這樣的參數(shù),有利于制備成研究者理想的材料樣品,這樣的樣品不僅表面光滑無損傷,而且還原材料內(nèi)部的真實(shí)結(jié)構(gòu),正如頁巖內(nèi)部的細(xì)微孔隙在sem下放大到10k時(shí)也能看得清清楚楚,以及材料內(nèi)部的不同物質(zhì)分層都能看的分界線明顯。
氬離子拋光機(jī)具備樣品切割和拋光兩項(xiàng)功能;
氬離子拋光在材料制樣的特出優(yōu)點(diǎn):
(1)對由硬材料和軟材料組成的復(fù)合材料樣品, 能夠很精細(xì)地制作軟硬接合部的截面, 而使用傳統(tǒng)方法制樣是很困難的。
(2)比fib方法的拋光面積更大(~1mm以上)。
氬離子拋光機(jī)可以用于各種材料樣品(除了液態(tài))的制備,適應(yīng)大多數(shù)材料類型,對大面積、表面或輻照及能量敏感樣品尤佳:鋼鐵、地質(zhì)、油頁巖、 鋰離子電池、光伏材料、 薄膜、半導(dǎo)體、ebsd、生物材料等包括平面拋光與截面拋光。
氬離子束拋光:適合各類樣品 o軟硬金屬材料皆可 o同一樣品含軟硬不同材料
o多孔材料 o濕或油性樣品:油頁巖 o有機(jī)物
氬離子束拋光:具體應(yīng)用領(lǐng)域有: ebsd 樣品、光伏、半導(dǎo)體、金屬(氧化物, 合金)、陶瓷
地質(zhì)樣品,油頁巖、cl
以用氬離子拋光制樣,觀察頁巖樣品內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)為例:
近年來隨著非常規(guī)油氣資源勘探和開發(fā)的不斷發(fā)展,頁巖氣已逐漸成為未來能源的主要形式之一。掃描電鏡一直是油氣地質(zhì)微觀研究中的重要手段結(jié)合。zui近興起的氬離子拋光技術(shù),能夠進(jìn)一步揭示頁巖內(nèi)部納米級孔隙的真實(shí)形貌,
但是作為石油地質(zhì)行業(yè)新興的實(shí)驗(yàn)技術(shù),氬離子拋光—掃描電鏡制樣方面依然是更多地借鑒材料等其他行業(yè)的方法。由于頁巖結(jié)構(gòu)的特殊性,其內(nèi)部存在大量納米級的微孔隙,從原子力顯微鏡(afm)圖像來看,其深度多在數(shù)納米至數(shù)十納米之間(圖1),因此對于樣品平整度的要求*。
目前的制樣方法是否適用于頁巖結(jié)構(gòu)的分析,還值得深入研究。本文從拋光過程入手,通過對照掃描電鏡分析結(jié)果,對制樣過程中的各類因素進(jìn)行分析,以期找到更為適合的頁巖拋光制樣方法。
1 實(shí)驗(yàn)部分
實(shí)驗(yàn)用儀器:熱場發(fā)射掃描電鏡、氬離子拋光儀、精密切片機(jī)。
氬離子拋光是利用高壓電場使氬氣電離產(chǎn)生離子態(tài),產(chǎn)生的氬離子在加速電壓的作用下,高速轟擊樣品表面,對樣品進(jìn)行逐層剝蝕而達(dá)到拋光的效果(圖2)。
首先需要將頁巖樣品切割成合適的小塊( 約10 mm × 10 mm × 3 mm),選定需要拋光的截面(一般為垂直于頁巖層理,以獲取頁巖不同層理間的信息) ,用不同粒度的砂紙( 從粗到細(xì)) 對其進(jìn)行打磨。然后將樣品固定在拋光儀上,抽真空,設(shè)置好加速電壓等工作參數(shù),利用高能氬離子束進(jìn)行拋光處理。
另外值得注意的是,雖然頁巖樣品拋光前采用砂紙打磨,但在電鏡下依然可見大量微米級的假孔隙存在(圖2)。這些孔隙主要來源于機(jī)械切割,孔徑多在50 μm 以下。因此在將頁巖樣品固定時(shí),保證樣品高出擋板100 μm 左右,以避免假孔隙影響,才能獲得頁巖內(nèi)部真實(shí)的孔隙截面形貌。拋光處理后,本文采用場發(fā)射掃描電鏡(二次電子se2 檢測器)對頁巖拋光表面進(jìn)行分析對比。
2 結(jié)果和討論
由于頁巖較強(qiáng)的非均質(zhì)性,本實(shí)驗(yàn)中選取拋光對象均為同一頁巖樣本。拋光過程涉及到眾多因素,主要包括加速電壓、拋光時(shí)間、拋光角度、樣品臺轉(zhuǎn)速及氬氣流速等。由于儀器的特性,氬氣流速可調(diào)范圍較小,本文主要針對前四者進(jìn)行分析。具體的對比實(shí)驗(yàn)條件見表1。
2. 1影響因素一:加速電壓
加速電壓決定了氬離子束的能量,直接關(guān)系到拋光過程能否完成及拋光的質(zhì)量,是拋光制樣中zui為重要的因素。本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)加速電壓低于3. 5 kv時(shí)幾乎無法對頁巖樣品進(jìn)行拋光。主要原因在于頁巖中含有大量的石英等礦物,其硬度較高,需要較高的能量對其進(jìn)行切割拋光,即采用相對較高的加速電壓。但是,隨著加速電壓的增大,拋光區(qū)域會(huì)略有增大,而拋光面的平整度卻隨之降低(圖3)。4 ~ 5 kv 加速電壓下,頁巖拋光面平整度較好,幾乎未見條帶狀劃痕(圖3a,b);高放大倍數(shù)下
(圖3d,e),4 kv加速電壓的拋光效果略優(yōu)于5 kv。
圖3 不同加速電壓下頁巖拋光面二次電子像
當(dāng)加速電壓增大至6 kv 時(shí),拋光面的劃痕明顯增加(圖3c,f)。顯然,加速電壓越高,氬離子束所攜帶的能量也就越高,其轟擊樣品時(shí)所產(chǎn)生的破壞性也就越大。而較低的加速電壓下,氬離子束的轟擊更加“溫和”,更容易獲得平整的拋光截面。
另外,我們發(fā)現(xiàn)頁巖拋光后,部分微孔隙背對離子束的一側(cè)會(huì)出現(xiàn)較短的凹槽,方向與離子束方向一致(圖3f 左側(cè))。其原因可能在于:頁巖拋光過程中會(huì)產(chǎn)生大量的直徑為納米級的細(xì)小顆粒,這些顆粒具有被高能氬離子轟擊后獲得向前的速度,同時(shí)由于重力的作用而下落,而孔隙的存在正好能為這些顆粒提供一個(gè)向下的空間。因此這些高能顆粒就會(huì)以一定的角度對孔隙另一側(cè)進(jìn)行“二次拋光”,直至其能量耗盡。這也表現(xiàn)在孔隙背后的凹槽隨著距離的增大而變淺,直至消失。同樣,凹槽的出現(xiàn)也與加速電壓的大小息息相關(guān),較低的加速電壓能夠明顯降低凹槽出現(xiàn)的幾率。因此在實(shí)際工作中,在滿足完成拋光所需能量
的同時(shí),盡可能選擇相對較低的加速電壓進(jìn)行拋光制樣。
2. 2影響因素二:拋光時(shí)間
不同的拋光時(shí)間,除了影響拋光區(qū)域的大小,也會(huì)影響拋光樣品的平整度。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖4)可以看出:經(jīng)過2 h 拋光后,頁巖拋光面積較小,表面劃痕明顯;3 h 獲得的拋光效果*,4 h 次之;當(dāng)時(shí)間進(jìn)一步延長達(dá)到8 h 以后,拋光面積明顯增大,但樣品表面的劃痕明顯增多,平整度甚至遜于拋光2 h 獲得的結(jié)果。因此拋光時(shí)間并非越長越好,過長的拋光時(shí)間反而會(huì)導(dǎo)致拋光質(zhì)量降低。
2. 3影響因素三:拋光角度
拋光角度與氬離子束的入射角,即離子束與樣品間的夾角緊密相關(guān)。本組實(shí)驗(yàn)中,研究了離子束入射角為15°、30°、40°三種情況下頁巖的拋光效果(圖5)。由于拋光過程中,樣品是隨著樣品臺不停地左右轉(zhuǎn)動(dòng)的,因此實(shí)際上樣品的拋光角度可以分別達(dá)到30°、60°和80°。
從圖5 可以看出,離子束入射角為15° 時(shí),頁巖截面的條帶狀拋光痕跡非常明顯,平整度較差。而入射角為30°和40°時(shí),這一情況得到明顯改善。低放大倍數(shù)下,后者略優(yōu)于前者;高放大倍數(shù)下,入射角為40° 條件下幾乎未見拋光劃痕,平整度極
好。另外,拋光的區(qū)域會(huì)隨著拋光角度的增大而增大,如果需要較大的觀測區(qū)域,那么可以在此范圍內(nèi)適當(dāng)增大入射角度。但當(dāng)入射角進(jìn)一步增大時(shí),拋光的深度會(huì)顯著減少,導(dǎo)致拋光區(qū)域呈長條狀,不利于后期的分析觀察。
2. 4影響因素四:樣品臺轉(zhuǎn)速
前文中提到,拋光過程中樣品是隨著樣品臺不停地左右轉(zhuǎn)動(dòng)的,即離子束拋光區(qū)域不停地左右變換,這里的轉(zhuǎn)速就是指樣品臺左右變換的頻率。實(shí)驗(yàn)選取了2 種不同的樣品臺轉(zhuǎn)速:3 次/min 及30 次/min,結(jié)果如圖6 所示。顯然較低樣品臺轉(zhuǎn)速條件下,頁巖拋光的效果更佳,拋光面的劃痕遠(yuǎn)少于高樣品臺轉(zhuǎn)速條件下的。樣品臺的轉(zhuǎn)速越快,則相當(dāng)于在單位時(shí)間內(nèi)拋光的次數(shù)越多,其實(shí)際效果等同于同轉(zhuǎn)速下拋光時(shí)間的延長[21]。因此,在實(shí)驗(yàn)條件下,3 次/min 的轉(zhuǎn)速更有利于降低樣品表面的粗糙度,獲得更為平整的頁巖拋光截面。
3 結(jié)論
較低的加速電壓(4 ~ 5 kv) 有利于獲得較好的拋光質(zhì)量;頁巖拋光區(qū)域的平整度會(huì)隨拋光時(shí)間的延長而變好,但到達(dá)一定的時(shí)間(4 h 以后),其平整度會(huì)逐漸降低;較大的離子束入射角(15° ~40°范圍內(nèi))更易獲得較平整的拋光面;較低的樣品臺轉(zhuǎn)速(3 次/min) 條件下的拋光效果明顯優(yōu)于高轉(zhuǎn)速(30 次/min)條件下的。在對上述條件進(jìn)行優(yōu)化后,能夠獲得更為平整的頁巖拋光面,更有利于后期的分析工作。

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