李　熹

(貴州省煤田地質(zhì)局實(shí)驗(yàn)室，貴州　貴陽(yáng)　550008)

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煤的氬離子拋光-掃描電鏡分析樣品制備研究

李熹

(貴州省煤田地質(zhì)局實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng)550008)

借助氬離子拋光技術(shù)對(duì)煤表面進(jìn)行拋光，通過(guò)掃描電鏡可以清晰觀察真實(shí)的孔隙形貌結(jié)構(gòu)，對(duì)判斷孔隙類型有重要幫助。該文對(duì)陽(yáng)極電壓、拋光時(shí)間、離子束入射角、樣品臺(tái)轉(zhuǎn)速等條件進(jìn)行研究，利用掃描電鏡對(duì)拋光后的表面進(jìn)行觀察，比較不同條件下的拋光效果，找到適合煤拋光的條件參數(shù)。

煤；氬離子拋光；掃描電鏡

近年來(lái)隨著煤層氣勘探和開發(fā)的不斷發(fā)展，對(duì)煤中孔隙特征研究引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-4]。煤孔隙的孔徑結(jié)構(gòu)分類很多，一般應(yīng)用最廣的是B·B·霍多特[5]采用十進(jìn)制將煤中孔隙劃分為微孔 (<0.01 μm)、過(guò)度孔(0.01～0.1 μm)、中孔(0.1～1 μm)及大孔(>1 μm)。掃描電子顯微鏡(SEM)一直是研究煤微觀結(jié)構(gòu)的重要手段[6-7]，一般是將樣品破碎至一定粒徑后，直接或表面鍍膜后觀察斷面形貌研究，由于樣品表面高低不平且形貌復(fù)雜，無(wú)法真實(shí)反映孔隙大小、形狀及數(shù)量，在觀察和統(tǒng)計(jì)中，結(jié)果并不理想。

圖1　氬離子拋光示意圖

氬離子拋光技術(shù)是采用氬離子束與樣品形成一個(gè)角度，從而產(chǎn)生一個(gè)拋光區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的拋光(圖1、圖2)。相較于傳統(tǒng)的拋光，該方法沒有應(yīng)力，對(duì)樣品幾乎沒有任何損傷。同時(shí)磨拋掉的物質(zhì)立即被真空抽走，不會(huì)像傳統(tǒng)拋光堵塞孔隙，是近年來(lái)興起的一種掃描電鏡樣品制備技術(shù)，最初應(yīng)用于材料領(lǐng)域[8]，鄒才能等[9]在2010年利用氬離子拋光-掃描電鏡分析技術(shù)首次在中國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層中發(fā)現(xiàn)豐富的納米級(jí)孔隙，揭開了利用該技術(shù)研究非常規(guī)油氣納米級(jí)微孔隙的序幕。

圖2　頁(yè)巖氬離子拋光掃描電鏡照片效果對(duì)比

一般的制樣方法是否適用于煤的結(jié)構(gòu)分析，還需進(jìn)一步研究。本文主要從拋光時(shí)間、能量、旋轉(zhuǎn)方式及速度入手，利用掃描電鏡對(duì)制樣過(guò)程中出現(xiàn)的各種情況進(jìn)行分析，摸索優(yōu)化適合煤的拋光制樣方法。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)儀器

SIGMA熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(Zeiss)；SC-1000氬離子拋光儀(Technoorg Linda)；GTQ-5000精密切割機(jī)(蔚儀)。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

將需要觀察的煤樣切割成小塊(一般垂直于層理)，長(zhǎng)寬約為10 mm，厚度3～4 mm，用不同粒度的砂紙(先粗后細(xì))對(duì)拋面進(jìn)行打磨(樣品上下兩面應(yīng)盡量水平)。選擇合適的平拋樣品臺(tái)，并用導(dǎo)電膠將煤樣固定在樣品臺(tái)的正中，關(guān)閉倉(cāng)門，抽真空，待真空度達(dá)到要求后，調(diào)整陽(yáng)極電壓、聚焦電壓及氬氣通入速度，引出氬離子束，再通過(guò)設(shè)定離子束入射角、拋光時(shí)間、樣品臺(tái)轉(zhuǎn)速等參數(shù)后，對(duì)樣品進(jìn)行拋光處理。拋光完成后，將樣品取出，利用掃描電鏡(二次電子像)對(duì)煤樣拋光表面進(jìn)行對(duì)比分析。

2　結(jié)果與討論

由于煤的非均質(zhì)性強(qiáng)，本實(shí)驗(yàn)所要樣品均取自同一煤樣，減少成分差別導(dǎo)致的誤差。拋光過(guò)程中主要涉及的因素有拋光能量、氬氣通入速度、離子束入射角度、拋光時(shí)間、樣品臺(tái)轉(zhuǎn)速等，其中儀器對(duì)氬氣通入速度有較嚴(yán)格的限制，因此本文就其他四個(gè)因素進(jìn)行研究。具體的對(duì)比實(shí)驗(yàn)條件見表1。

表1　氬離子拋光各組實(shí)驗(yàn)條件

2.1陽(yáng)極電壓

圖3　不同加速電壓下二次電子像

陽(yáng)極電壓的高低決定了氬離子束能量的大小，而能量大小又直接決定拋光質(zhì)量及拋光速度，是制樣過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)，本次實(shí)驗(yàn)選擇的SC-1000氬離子拋光儀可提供的離子束能量范圍是0.1～10 keV，對(duì)應(yīng)陽(yáng)極電壓為0.1～10 kV，因?yàn)檫^(guò)小的能量無(wú)法對(duì)煤中如石英、黃鐵礦等進(jìn)行切割拋光，因此選擇6 kV作為起始拋光電壓。

由圖3可以看出，隨著陽(yáng)極電壓的增大，拋光平整度也隨之提高，陽(yáng)極電壓為6 kV時(shí)，樣品整體平整度不高，條帶狀紋理較多(圖3a)，局部放大后，未拋平整結(jié)構(gòu)可見(圖3d)，陽(yáng)極電壓提升至8 kV時(shí)，效果比6 kV時(shí)有所提升(圖3b，e)，進(jìn)一步提升至10 kV，拋光面平整度較好，放大后平整度明顯優(yōu)于6 kV(圖3c，f)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，煤中礦物含量越高，應(yīng)選用較高的陽(yáng)極電壓，可以在較短的時(shí)間完成對(duì)煤樣進(jìn)行拋光處理。

2.2拋光時(shí)間

圖4　不同拋光時(shí)間下二次電子像

拋光時(shí)間對(duì)拋光平整度影響很大，圖4為一塊樣品在拋光1、2、4 h后的電鏡照片，圖中可以看出隨著拋光時(shí)間的增加，煤樣表面的礦物逐漸因氬離子束轟擊而脫落(圖4a，b，c)，高倍放大后可以看出，樣品的表面平整度隨著拋光時(shí)間的增加而變好(圖4d，e，f)，同時(shí)需要注意，由于采樣平拋樣品表面，拋光時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能用使一些表面孔隙消失，因此不易單純?cè)黾訏伖鈺r(shí)間來(lái)提高表面平整度。

2.3入射角度

入射角度即樣品臺(tái)的傾斜角，目的是讓氬離子束與樣品之間產(chǎn)生一個(gè)夾角，使氬離子束能轟擊到樣品表面，夾角越小，拋光區(qū)域越大，但入射角度太小會(huì)使拋光質(zhì)量變差，如圖5a，入射角為5°時(shí)表面平整度較差，放大后可見表面有起伏(圖5d)，9°和13°沒有明顯差別，較5°時(shí)有較大的提高(圖5b，c)，高倍放大后發(fā)現(xiàn)13°略好于9°(圖5e，f)。需要較大的拋光區(qū)域可以選擇較小的入射角度，但入射角過(guò)小同樣不利于得到較平整的表面，一般我們選擇7°以上，適當(dāng)延長(zhǎng)拋光時(shí)間也可以選擇較小的入射角。

圖5　不同離子束入射角度下二次電子像

2.4樣品臺(tái)轉(zhuǎn)速

從高能槍發(fā)出的氬離子束類似于光束，呈淡紫色，本身范圍較窄，通過(guò)旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)，使氬離子束可以轟擊更多的樣品表面，從而得到一個(gè)拋光區(qū)域，改變樣品臺(tái)轉(zhuǎn)速，可以是調(diào)節(jié)單次氬離子束轟擊樣品表面的時(shí)間。圖6中可以看出3 r/min和5 r/min 表面平整度較好(圖6a，b)，而10 r/min相對(duì)較差(圖6c)，局部放大后也可以看出，3 r/min和5 r/min區(qū)別不大，10 r/min的樣品表面還有較多不平整的地方。因此，較低的樣品臺(tái)轉(zhuǎn)速可以獲得較好的拋光平整度。

圖6　不同樣品轉(zhuǎn)速下二次電子像

3　結(jié)　論

對(duì)陽(yáng)極電壓、拋光時(shí)間、入射角度、樣品臺(tái)轉(zhuǎn)速四個(gè)因素進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，對(duì)煤而言，較高陽(yáng)極電壓(8～10 kV)可以獲得更好的拋光質(zhì)量；隨著拋光時(shí)間的增加，拋光平整度也隨之增加，但拋光時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能導(dǎo)致一些表面孔隙消失；離子束入射角影響樣品的拋光面積，較低的角度可以得到更大的拋光面積，角度為9°～13°可以得較平整的拋光面；較低的樣品臺(tái)轉(zhuǎn)速(3～5 r/min 比對(duì)10 r/min)可以得到更好的拋效果。對(duì)拋光條件的優(yōu)化，找到了更適合煤的拋光條件，以獲得更為平整的煤樣拋光面，為后期研究打下好的基礎(chǔ)。

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Study on Coal Sample Preparation for Argon Ion Polishing-scanning Electron Microscopy

LIXi

(Laboratory of Coal Mine Exploration of Guizhou Province China, Guizhou Guiyang 550008, China)

Porous structure characteristics of coal were observed by using scanning electron microscope observation and Ar ion-milling techniques. This analysis method showed macroscopic structure and ultrastructure of coal clearly. The anode voltage, polishing time and ion beam incident angle, etc., were studied. The best determining condition and parameter were found.

coal; Ar-ion milling; scanning electron microscopy

李熹(1984-)，男，工程師，碩士，主要從事煤質(zhì)、非常規(guī)油氣測(cè)試分析工作。

O657

A

1001-9677(2016)012-0127-03