趙 梅，李成棟，程俊梅，于廣水

(青島科技大學 a.材料科學與工程學院；b.高分子科學與工程學院，山東 青島 266042)

·實驗教學改革、探索與創(chuàng)新·

高分子學科透射電鏡實驗教學的體會

趙 梅a，李成棟a，程俊梅b，于廣水b

(青島科技大學 a.材料科學與工程學院；b.高分子科學與工程學院，山東 青島 266042)

根據(jù)學科方向調整透射電鏡實驗教學環(huán)節(jié)具有十分重要的意義。對于高分子學科的透射電鏡實驗教學內容應突出學科方向，合理安排實驗教學各環(huán)節(jié)。在實驗中，使學生學習應用透射電鏡觀察分析高分子材料典型樣品的方法和技巧，并結合掃描電鏡觀察，提高學生綜合分析高分子材料微觀組織的能力。

高分子學科；透射電鏡；實驗教學；體會

透射電子顯微鏡(transmission electron microscope，TEM)簡稱透射電鏡，是利用高能電子束作為照明光源對材料的顯微結構進行高倍放大成像的大型分析設備[1-2]，被廣泛應用于無機非金屬材料、金屬材料和有機高分子材料等領域。借助于TEM，研究人員可以直接觀察到材料內部的組織狀態(tài)和微觀缺陷，電子衍射功能可以原位分析材料的晶體結構，高分辨電子顯微分析可以直接觀察材料的晶格和原子級缺陷[3-4]。在功能應用方面，以電子衍射分析和高分辨電子顯微觀察為主，形貌表征為輔。

高分子材料大多是多組分多相復合體系，這些復合體系的性能不僅取決于復合體系中各組分的結構，還取決于各相的分布等結構特征[5-6]。應用透射電鏡可以研究這些共混、共聚、填充等高分子多相體系中各相形貌特征及其分布，還可以直接觀察高分子乳液顆粒的形態(tài)及粒徑大小[7]。對于部分高分子結晶材料，利用透射電鏡能夠觀察結晶相的分布，得到多晶環(huán)，不需要進行更深入的晶體結構分析，較少涉及高分辨電子顯微觀察和電子衍射分析。因此，在高分子學科透射電鏡的實驗教學中，應突出學科方向，按照以形貌表征為主、電子衍射分析為輔的導向，調整實驗教學，并應用本學科的典型樣品進行綜合分析。

1 在理論教學中突出學科方向

青島科技大學高分子學院開設的與透射電鏡相關的理論課程是近代分析測試方法和高分子材料測試技術，這兩門課程均有透射電鏡實驗教學環(huán)節(jié)。以往理論課程講授透射電鏡時，往往面面俱到，包括：樣品制備技術、電子光學基礎、結構和成像原理、衍襯成像原理、電子衍射、高分辨電子顯微術。由于學時有限，結果該講清的沒講清，沒有實用意義的反而耽誤時間?，F(xiàn)在，透射電鏡理論教學內容調整為三部分：(1)高分子材料樣品制備技術；(2)襯度成像原理；(3)透射電鏡在高分子材料中的應用。調整后的理論教學突出學科方向，實現(xiàn)了重點突出、有的放矢，為實驗教學打下了很好的基礎。

2 調整實驗教學環(huán)節(jié)

對傳統(tǒng)的透射電鏡實驗教學大綱進行了修訂，基本摒棄了電子衍射和高分辨分析的內容。

1)實驗目的。掌握透射電鏡的基本結構和原理；學習透射電鏡觀察形貌的基本操作；學習冷凍超薄切片技術；學習應用質厚襯度原理分析高分子材料圖片中襯度的形成；掌握高分子材料多晶衍射環(huán)的標定方法；掌握應用透射電鏡觀察共混、共聚、填充等高分子多相體系中各相結構及其分布的方法。

2)實驗內容及學時分配。實驗共4個學時，在時間安排上以典型高分子材料的形貌觀察為主要環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)安排如表1所示。

表1 透射電鏡實驗內容和學時分配

3 觀察分析高分子材料典型樣品

實際操作和樣品演示相互結合，是實驗教學中最重要的環(huán)節(jié)，占據(jù)過半的實驗課時。對于不同學科，需要調整透射電鏡操作技術的側重點，并演示相應學科的典型樣品。這一點在以往的實驗教學中并不能實現(xiàn)。

1) 最典型的樣品是超薄切片樣品，以硫化順丁橡膠樣品為例，觀察目的是30份N330在硫化順丁橡膠中的分布規(guī)律、粒徑、聚集態(tài)。首先，應在Low Mag模式下仔細尋找大而薄的切片，越“透明”說明越薄，切片盡量連續(xù)。如果沒有合適的切片，后續(xù)的觀察意義不大。這一環(huán)節(jié)耗時長，很關鍵。其次，把選擇的切片進行放大，如圖1所示，圖中小的分散顆粒是炭黑，背后灰白連續(xù)的區(qū)域是橡膠背底。背底越白，說明切片越薄。拍照時，注意選擇切片薄而均勻的區(qū)域，也就是背底盡量“白”而灰度均勻。

圖1 用透射電鏡觀察硫化順丁橡膠切片中的炭黑分散

2) 很多高分子樣品需要在較低放大倍數(shù)(如幾千倍)下觀察，例如，NBR/PLA共混材料，觀察分散相在基體相中的分布。這時，需要先調整電鏡束斑尺寸，在合適電子束強度下進行觀察并拍照。此外，觀察兩相共混結構時，有時需要染色處理，提高兩相襯度對比。

3) 高分子材料樣品的透射電鏡圖片襯度較弱，例如，高分子乳液中的顆粒、高分子材料纖維，顆?；蚓€的輪廓不清晰，圖片整體襯度不強，這時，需要適當加大欠焦量，以圖片清晰而不出現(xiàn)明顯白邊為標準。

4) 高分子結晶材料的多晶衍射環(huán)比較微弱，在觀察和拍照時需要增強束斑強度并采用擋針。

4 與掃描電鏡結合，綜合分析材料的微觀組織

掃描電鏡與透射電鏡同屬于電子顯微學的范疇，都是用來觀察材料顯微組織與結構的重要工具。掃描電鏡圖片就如同對物體照相的照片，得到的是表面的立體三維圖像，只能看到表面，不能看見內部[8]。而透射電鏡圖片是二維的圖像，沒有立體感，看到表面的同時也能看到內部，就像底片一樣。對于高分子學科，透射電鏡觀察形貌存在諸多不足，主要原因有如下三方面：(1)圖片的襯度比較弱；(2)超薄切片的成功率較低，限制了透射電鏡的觀察；(3)切片的厚薄會直接影響樣品的分析結果，產生虛假信息。例如，對于橡膠切片，切片的厚薄將直接影響圖片中炭黑顆粒的多少與團聚程度，并不能完全真實、直觀地反映橡膠切片中炭黑顆粒的團聚度與分布。因此，建議與掃描電鏡結合，以全面反映樣品的微觀組織。

應用掃描電鏡和透射電鏡都能觀察橡膠材料中炭黑顆粒的分布規(guī)律和聚集態(tài)，分別如圖2和圖3所示。掃描電鏡觀察橡膠冷凍淬斷的斷面，制樣簡單。圖2能反映樣品斷面上炭黑顆粒的分散，直觀清楚、立體感強。透射電鏡觀察橡膠的冷凍超薄切片，樣品制備較難，且受切片成功率與厚薄的限制。圖3反映橡膠內部炭黑顆粒的分散，優(yōu)點是顆粒邊界清晰，更容易觀察分布與團聚，計算顆粒尺寸更精確，直徑為20～50 nm。兩者結合，能全面直觀地反映橡膠內炭黑分散情況和團聚程度，并準確計算粒徑。

圖2 橡膠冷凍淬斷斷面SEM像

圖3 橡膠冷凍切片TEM像

5 結束語

在高分子學科透射電鏡實驗教學中充分運用高分子材料典型樣品、調整側重點、合理安排實驗教學，具有十分重要的意義。這有利于提高透射電鏡實驗教學的實用性、綜合性，明顯改善教學效果，對學生以后從事相關研究工作大有裨益。

[1]戎詠華. 分析電子顯微學導論[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[2]左演聲，陳文哲，梁偉.材料現(xiàn)代分析方法[M]. 北京：北京工業(yè)大學出版社，2000.

[3]進藤大輔，及川哲夫.材料評價的分析電子顯微方法[M]. 劉安生，譯. 北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

[4]進藤大輔，平賀賢二.材料評價的高分辨電子顯微方法[M].劉安生，譯. 北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[5]賈紅兵，朱緒飛.高分子材料[M]. 南京：南京大學出版社，2009.

[6]吳其曄，馮鶯.高分子材料概論[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[7]張美珍.聚合物研究方法[M]. 北京：中國輕工業(yè)出版社，2000.

[8]郭素枝.掃描電鏡技術及其應用[M]. 廈門：廈門大學出版社，2006.

Discussion on the Transmission Electron Microscope Experiment Teaching of Polymer Science

ZHAO Meia, LI Chengdonga, CHENG Junmeib, YU Guangshuib

(a. College of Material Science and Engineering;b. College of Polymer Science and Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, China)

It is necessary to adjust transmission electron microscope (TEM) experiment teaching according to subject direction. For polymer science, major theory teaching contents have been pointed out, teaching purposes have been revised, and teaching steps have been arranged reasonably. In experiment classroom, how to prepare and study the polymer materials samples by TEM were narrated. Those experiment teaching and practice steps combined with SEM (scanning electron microscope) can improve the abilities to analyze the microstructures of polymer materials.

polymer science; transmission electron microscope; experimental teaching; discussion

2013-09-04；修改日期: 2013-10-09

青島科技大學博士啟動基金資助項目(0022503)。

趙 梅(1974-)，女，博士，副教授，研究方向：透射電子顯微分析 。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.016