王偉象，梅國棟，郭利杰，邱黎明

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628；3.北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083)

煤是遠古植物埋藏地下，在隔絕空氣的高壓高溫環(huán)境中，經歷長期復雜的生物變化、物理變化、化學變化以及地殼運動、地質作用逐步演變形成的固態(tài)可燃礦物[1]。煤體內部存在大量孔隙、裂隙和顯微構造等，其斷面形貌也表現(xiàn)出極其復雜的狀態(tài)。研究煤的斷面形貌、剖析其微觀形態(tài)和結構是研究煤層氣、頁巖氣及其他非常規(guī)天然氣賦存機制、氣液兩相介質與煤基質間相互作用及氣體解吸、擴散和滲流的前提[2-4]，為煤層中氣體資源勘探開發(fā)、CO2注采及封存、礦井瓦斯突出預測等問題的解決提供科學基礎[5-8]。

煤的微表面觀察方法主要有光學顯微鏡法、掃描電子顯微鏡法和掃描探針顯微鏡法等[9]。光學顯微鏡可直接觀察煤樣微表面形貌，得到直觀結果，并可在細觀尺度作簡單的定量分析，其放大倍數(shù)范圍小，在幾倍至幾百倍之間，最多達上千倍，觀測范圍在數(shù)毫米至數(shù)十微米，可獲取的信息量少。掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)與光學顯微鏡相比的不足之處是識別組分困難，且以定性分析為主，但其放大倍數(shù)為20～1 000 000倍，在獲取信息量方面明顯優(yōu)于光學顯微鏡[10-11]。掃描探針顯微鏡包括掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM)等[12]，具有超高空間分辨率，放大倍數(shù)能達10億倍，既可得到二維形貌，還可得到三維形貌，可獲得SEM無法掃描的包括非導體物質在內的表面形貌信息，但其觀測范圍較小，約在數(shù)十微米以下[8,13-14]。

上述成像區(qū)別主要與各類型設備的成像原理不同有關，本文首先分析光學顯微鏡、SEM和AFM的基本成像原理，然后通過3種顯微鏡表征取自同一塊煤的煤樣新鮮斷面、處理后平整表面不同尺度形貌。本文的研究工作一方面是為了分析3種原理顯微鏡在煤微表面表征中的直觀作用，另一方面也通過3種顯微鏡對煤的微表面進行表征和研究，根據(jù)測試結果綜合分析3種顯微鏡在應用時的特點，以便更好地融合3種顯微鏡進行科學研究。

1 不同顯微鏡的成像原理

不同顯微鏡的成像原理受其結構組成的影響顯著，本文將光學顯微鏡、SEM和AFM的基本結構組成、基本成像原理、放大倍數(shù)和成像特點等制表進行對比分析，詳見表1。

表1 不同成像原理顯微鏡對比分析表Table 1 Comparison and analysis of microscopes with different imaging principles

由于獨立的光學顯微鏡無法存儲圖像，在實際研究應用中對光學顯微鏡進行了改進。金相顯微鏡是一種典型的光學顯微鏡，電腦型金相顯微鏡是將光學顯微鏡技術、光電轉換技術、計算機圖像處理技術結合在一起研發(fā)而成的產品，不僅可以在目鏡上作顯微觀察，也可以在計算機顯示屏幕上觀察實時動態(tài)圖像，同時還能將所需圖片編輯、保存和打印[18-19]。

對比發(fā)現(xiàn)，3種成像儀器的主要特征為：光學顯微鏡在大氣環(huán)境下測試，依托光源成像；SEM在真空環(huán)境下通過二次電子束成像；AFM通過儀器內部激光在探針上反射光的偏移量經轉化后成像。不同的成像原理使得三者在測試時對試樣制備的要求不同。

2 實 驗

2.1 試樣制備

2.1.1 光學顯微鏡測試試樣制備

光學顯微鏡在大氣環(huán)境下依托光源測試，對觀測試樣無特殊要求，能放置在試樣臺觀察即可。因此，將大塊煤樣敲碎后選擇幾個具有新鮮斷面的小塊煤樣(尺寸約20 mm×10 mm×10 mm)即可用于光學顯微鏡觀測，選擇好的試樣如圖4(a)所示。

AB-物體；B1A1-物鏡放大的圖像；B2A2-目鏡放大圖像；F1-物鏡焦距；F2-目鏡焦距；L-光學鏡筒長度；D-明視距離圖1 光學顯微鏡基本成像原理圖解Fig.1 Basic imaging principle diagram ofoptical microscope

圖2 SEM成像原理圖解Fig.2 Imaging principle diagram of SEM

圖3 AFM成像原理圖解Fig.3 Imaging principle diagram of AFM

2.1.2 SEM測試試樣制備

SEM在真空環(huán)境下通過二次電子成像，且要求較小尺寸的試樣。因此，收集2.1.1部分所述大塊煤樣敲碎時形成的具有新鮮斷面的大顆粒煤樣(尺寸約5 mm×5 mm×5 mm)作為測試試樣即可，如圖4(b)所示。

圖4 煤樣Fig.4 Coal samples

2.1.3 AFM測試試樣制備

由于AFM在測試時探針針尖和試樣表面間的距離保持在納米量級，因此，AFM的測試試樣要求表面盡可能平整，不宜超過1 μm，以防止表面起伏破壞探針或掃描系統(tǒng)；雖然小顆粒煤樣的微表面可能能夠滿足表面起伏不超過1 μm，但是該尺寸的煤樣易粘附在針尖上造成針尖損壞，所以在2.1.1部分所述敲碎的煤塊中選擇小塊煤樣(尺寸約10 mm×10 mm×5 mm)，并對其進行鑲嵌、拋光處理，步驟如下所述：將小塊煤樣放入型號為XQ-2B的鑲嵌機中鑲嵌成扁平的圓柱形煤樣，將鑲嵌好的煤樣放入型號為YMP-1的磨拋機中分別用400目、800目、1 200目、1 500目的砂紙拋光3～5 min，直至煤樣表面形貌起伏不超過1 μm，且上下兩面平整、平行，拋光完成的試樣如圖4(c)所示。將拋光完成的試樣放入盛有去離子水的超聲清洗器內清洗1 min后再放入真空干燥箱內烘干。操作完成后將煤樣密封保存，防止表面吸附雜質影響后續(xù)測試。

2.2 測試實驗

2.2.1 光學顯微鏡測試實驗

該實驗采用型號為ZEISS Axiocam 105 color的光學金相顯微鏡，放大倍數(shù)為×40～×500。分別將新鮮斷面煤樣和拋光煤樣放在光學顯微鏡的載物臺上，選擇合適的放大倍數(shù)，調整焦距，觀察其表面形貌特征并拍攝圖片。實驗在實驗室穩(wěn)定的大氣環(huán)境(溫度20 ℃±2 ℃，濕度30%±5%)中進行。

2.2.2 SEM測試實驗

該實驗采用Zeiss SIGMA SEM，該電鏡二次電子像分辨率可達1.3 nm(20 kV)，放大倍率范圍為20～1 000 000倍。 實驗時用雙面導電膠帶將新鮮斷面煤樣和拋光煤樣粘在SEM的試樣臺上，為防止在SEM真空環(huán)境中煤樣表面電荷積聚影響成像質量，對實驗煤樣表面進行噴金處理，然后將煤樣放入掃描電鏡腔體內，通過計算機觀察其表面形貌特征。

2.2.3 AFM測試實驗

該實驗采用Bruker Dimension Icon AFM。實驗時用雙面膠帶將制備好的煤樣粘在AFM試樣臺上，選用Tapping模式進行測試；采用SCM-PIT-V2探針，其懸臂彈性系數(shù)k=2.8 N/m，共振頻率f0≈60 kHz，其針尖半徑為20 nm；實驗設置針尖抬起高度為100～150 nm，掃描頻率為1 Hz，圖像分辨率設置為256×256；圖像輸出和數(shù)據(jù)處理采用Nanoscope Analyses軟件。本次研究測試了煤樣表面5 μm×5 μm、1 μm×1 μm、256 nm×256 nm范圍以及納米級裂隙的二維圖像和三維圖像，實驗在實驗室穩(wěn)定的大氣環(huán)境(溫度20 ℃±2 ℃，濕度30%±5%)中進行。

3 實驗結果

3.1 光學顯微鏡測試結果

光學顯微鏡觀測的煤樣新鮮斷面形貌圖像如圖5所示。由圖5可知，煤樣的新鮮斷面在光學顯微鏡下表現(xiàn)為亮黑色或模糊的暗黑色，包括許多鏡面明亮處。圖5中煤樣表面粗糙，凹凸不平，可見斷層、裂縫和孔洞，存在較平整的小區(qū)域。圖像出現(xiàn)模糊不清的區(qū)域(虛線框內)，是因為煤的新鮮斷面凹凸不平，起伏較大，當焦距對準較高位置時，較低位置的區(qū)域不在焦距范圍內，反射光未能到達目鏡上，導致成像不清。

光學顯微鏡拍攝的拋光煤樣微表面形貌見如圖6所示。由圖6可知，拋光煤樣表面較為平整，成像效果較好，其色澤與未經處理的煤樣新鮮斷面相差較大，表現(xiàn)為灰色。圖中可見均勻平整的表面區(qū)域和黑色斑點(圖6(a))、塊狀區(qū)域(圖6(b))以及條紋構成的區(qū)域(圖6(c))，形態(tài)較復雜，主要是因為煤的組分復雜，在相同的處理工藝下表現(xiàn)出不同的形貌特征，圖6(c)中可分辨出表面暗灰色和亮灰色的條紋狀或層狀結構、黑色斑點和白色斑點等。此外，當光學顯微鏡的倍數(shù)增大時，儀器對表面平整度較為敏感，由于焦距的差異，易出現(xiàn)成像不清晰區(qū)域，如圖6(b)和圖6(c)中虛線框內所示。

圖5和圖6的測試范圍在250～500 μm之間，當放大倍數(shù)變小后，其觀測范圍將達到毫米級，可得到毫米尺度的煤表面形貌信息，此時的大多信息可在光下用肉眼直接觀察得到；當放大倍數(shù)再變大，測試范圍將進一步變小，得到的圖像上模糊區(qū)域會更大，成像效果差。

圖5 光學顯微鏡拍攝的煤樣新鮮斷面形貌Fig.5 Fresh section morphology of coal samples photographed by optical microscope

圖6 光學顯微鏡拍攝的拋光煤樣微表面形貌Fig.6 Microsurface morphology of polished coal samples photographed by optical microscope

3.2 SEM測試結果

SEM觀察的煤樣新鮮斷面形貌如圖7所示。圖7(a)為放大2 000倍的圖像，可見煤微表面凹凸不平，局部棱角分明，有許多臺階狀斷層、裂隙、微裂紋和孔洞，且有部分碎片、顆粒粘附在表面(圓形虛線所示)，形貌較復雜；這些裂隙、孔洞以及斷層的長度、寬度、直徑和高差等量化信息在圖中難以準確得到。

圖7 SEM得到的煤樣新鮮斷面微觀形貌和拋光煤樣微表面形貌Fig.7 Microsurface morphology of fresh section and polished coal samples obtained by SEM

圖7(b)、圖7(c)和圖7(d)分別為圖7(a)的局部放大圖，放大倍數(shù)分別為10 000倍、10 000倍和20 000倍，測試范圍為2～8 μm，也可見數(shù)十至數(shù)百納米尺度的信息。圖7(b)中除可見圖7(a)具有的形貌特征外，還能得到更細致、更清晰的微表面結構信息，存在拱形的腔體結構，其內部表面粗糙如云層狀、且具有較多細小孔洞，腔體結構外部存在波紋狀臺階，其粗糙度難以量化表征；腔體壁厚度不均，在0.3～1.0 μm之間；拱形腔體結構的高和寬約為7 μm和5 μm，具體數(shù)據(jù)難以精確測量，腔體結構縱向有深度，數(shù)值不詳。圖7(c)中具有圖7(a)和圖7(b)的特征。圖7(d)中清晰可見微表面粘附的納米級顆粒(白色橢圓虛線所示)，還可見塊狀大顆粒以及棱角分明的類似長方體結構，其尺寸只能大致測量，圖右側部分存在斷崖式結構；圖7通過二維圖像顯示了煤樣微表面三維結構信息。

SEM觀察的拋光煤樣微表面形貌如圖7(e)所示，圖7(e)中顯示煤樣拋光后表面較平整，未見裂隙、孔洞、斷層、臺階式層理結構和白色碎片或顆粒等，可見白色或淺灰色點狀(白色箭頭所示)、條狀及塊狀物質(白色橢圓虛線所示)，且有淺灰色斑狀凸起(白色圓形虛線所示)，這些特征在圖7(a)～圖7(d)中未顯現(xiàn)，上述現(xiàn)象主要是因為煤的組分不同，導致其力學性質不同，致使其微表面在拋光過程中對摩擦力的響應不同。上述這些特征在此只能定性描述，未能定量比較。

3.3 AFM測試結果

如2.1.3部分所述，AFM在測試煤樣新鮮斷面時存在較大損壞儀器的風險，因此在該部分研究中只選擇拋光煤樣。

3.3.1 煤樣不同尺度表面形貌表征

圖8展示了AFM測得的煤樣微納米尺度表面二維形貌和三維形貌，測試范圍為5 μm×5 μm、1 μm×1 μm、256 nm×256 nm。圖中暗色表示表面形貌較低，表現(xiàn)為煤樣微表面的孔隙；亮色表示表面形貌較高，表現(xiàn)為煤樣大分子骨架[8]。 圖8中明顯的亮點(白色實線箭頭所示)表示煤樣表面明顯的凸起結構，明顯的暗色區(qū)域(白色圓形虛線所示)表示煤樣表面的孔隙結構，三維圖像中凸起和孔隙結構更明顯。三維圖像較二維圖像能夠更加直觀地觀察微表面形態(tài)，三維圖像中表面高低起伏差異明顯，觀察到許多直觀的凸起和低谷，有些低谷連在一起，如圖8(a)中長方形虛線框所示。 此外，在圖8(c)中可見許多光滑的圓弧形凸起，凸起的寬度約在數(shù)十納米，還可清晰看到煤樣微表面納米級圓形孔、條形孔、橢圓形孔及相互聯(lián)通的孔(彎曲的白色長虛線所示)，這些孔的長度(直徑)從20～300 nm不等。 圖9展示了圖8(f)對角線截面輪廓上部分孔的長度或寬度，其中最長的為91.9 nm，最短的只有幾納米，孔深最深為3.2 nm；截面圖可得到相對高度和絕對高度等量化信息，其對于分析納米級孔隙結構具有重要意義。

圖8 拋光煤樣不同測試范圍微表面形貌二維圖像和三維圖像Fig.8 2D and 3D images microsurface morphology of polished coal samples in different test ranges

圖9 256 nm×256 nm測試范圍三維圖像對角線處截面輪廓圖Fig.9 Diagonal section outline of 3D image in256 nm×256 nm test scope

圖8(a)、圖8(b)和圖8(c)的高差范圍分別為-16.3～18.1 nm、-10.0～8.1 nm和-3.9～3.8 nm，對比發(fā)現(xiàn)測試范圍越小，高差的變化范圍越小，微表面起伏差異也越小。以圖8(a)為例，提取表面形貌高差數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結果如圖10所示。由圖10可知，表面形貌高差的統(tǒng)計直方圖表現(xiàn)出正態(tài)分布的特征，擬合曲線的R2為0.99，高差值絕大部分分布在-10～10 nm之間，高差值越接近0 nm，占比越大。

圖10 表面形貌高差統(tǒng)計分布圖Fig.10 Statistical distribution diagram of surfacetopography height difference

同時，根據(jù)式(1)可計算測試范圍內煤樣微表面的粗糙度[20-21]，見表2。這一指標反映試樣表面高低起伏的平均程度。這些量化信息在光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀測的圖像中未能體現(xiàn)。

表2 不同尺寸微表面信息表Table 2 Information of coal microsurfacewith different sizes

(1)

式中：Ra為相對中心面偏離的數(shù)學平均值，直接反應表面指定區(qū)域的粗糙度，nm；Zi為所測點Z值；Z0為中心面Z值；N為指定區(qū)域的測試點數(shù)。

3.3.2 煤樣納米級裂隙表征

圖11為AFM測試的煤樣表面微裂紋圖像，測試范圍為1 μm×1 μm。圖中連續(xù)的黑色界限即為微裂紋。通過圖11(b)可明顯看出微裂紋的形態(tài)，且裂紋兩側具有明顯的高度差。圖12為圖11(a)中3條虛線處截面輪廓。由圖12可知，截面上的每個點表征的形貌高低各不相同，不同截面上的形貌高低也不盡相同，但能在截面圖上得到每個點形貌的具體高度值。在每個截面上，都有高度突降的位置，該部分的寬度即為裂隙的寬度，提取數(shù)據(jù)得到截面上3處裂隙的寬度分別為21.63 nm、17.31 nm、8.66 nm，該納米級裂隙通過AFM進行了詳細的表征。

圖11 煤表面納米級裂隙二維圖像和三維圖像Fig.11 2D and 3D images of nanoscale crack on coal surface

4 討 論

在光學顯微鏡下，測試新鮮斷面時，放大倍數(shù)范圍較小，成像范圍和清晰度受表面粗糙度影響；測試拋光煤樣時得到的圖像較清晰，且可定性區(qū)分不同的組分，煤經過磨拋的表面和新鮮斷面相比，雖不能觀察到斷層、裂紋、孔洞等形貌，但可以通過不同顏色定性區(qū)別煤樣表面不同的組分，且成像清晰。

根據(jù)SEM測試結果可知，SEM能連續(xù)放大倍數(shù)、景深長、立體感好，除觀察范圍小以外，可以觀察到斷層、孔隙、裂隙、顆粒等微觀構，這些特征在光學顯微鏡下難以獲得。對煤儲層來說，SEM既解決了物理測試方法無法直接觀察孔隙的問題，也彌補了光學顯微鏡焦深小、分辨能力低的不足。當煤樣經過磨拋處理后，表明形貌將被改變，原有的一些細節(jié)信息被抹去，但揭露了一些組分信息，并可進行定性描述。 因此，需要結合不同的目的選擇不同的試樣。

對于AFM而言，更多地體現(xiàn)納米級形貌特征，可以三維展示并能準確定量計算和測量。本文測試的是經過處理的煤表面，在數(shù)十微米的量級上測試結果可能會受到制樣過程的影響。當測試范圍足夠小，在數(shù)十至數(shù)百納米時，拋光表面形貌和煤新鮮斷面形貌沒有實質上的差異，此時AFM觀測結果可以反映煤納米級表面的實際情況。

對比SEM圖像(圖7)和AFM圖像(圖8(d)、圖8(e)和圖8(f))可知，圖7得到的是二維圖像，由于圖像的景深和立體感，可顯示三維結構信息，如臺階結構、長方形塊體結構、斷崖式結構和腔體結構及其高度、寬度和深度等，但未能表征實際三維立體形貌，而且上述這些信息在AFM獲得的圖像中無法得到；圖8(d)、圖8(e)和圖8(f)為微表面直觀的三維立體圖像，展示了直觀立體結構信息，如凸起形態(tài)、凹陷形貌、孔隙裂隙結構等，且可得到水平方向和高度方向的三維定量信息。

綜合研究結果可知，在對煤樣表面形貌研究中，可將光學顯微鏡下細觀表征、SEM微米級掃描、AFM納米級探測三者結合，精確表達煤樣從整體到局部、從毫米級到納米級的特征，得到較為全面連續(xù)、定性定量的信息。如通過光學顯微鏡表征煤樣表面色澤、組分、孔隙裂隙等細觀尺度(毫米級)信息，并可通過多次觀測同一試樣不同區(qū)域得到較為整體的信息；通過SEM表征煤樣表面孔隙裂隙、顆粒形貌和表面起伏形態(tài)等微觀信息(微米級為主)，并可通過連續(xù)放大(20～1 000 000倍)多次觀測同一試樣不同區(qū)域，得到由整體到局部、定性和定量相結合的信息；通過AFM納米級探測煤樣表面微納米尺度二維信息和三維信息(納米級)，得到光學顯微鏡和SEM下無法獲得的微納米級定量信息，而光學顯微鏡和SEM也能夠彌補AFM由于特殊制樣及成像要求所不能得到的信息。

5 結 論

本文通過實驗研究了不同原理顯微鏡在煤樣微表面形貌表征中的應用，得到如下結論。

1) 光學顯微鏡下煤樣新鮮斷面表面粗糙，凹凸不平，可見斷層、裂縫和孔洞，部分小區(qū)域較平整。由于觀察范圍內各點距離焦點的位置不同使得觀察到的圖像常出現(xiàn)模糊不清的區(qū)域。拋光煤樣表面較為平整，其成像效果相對較好，且可以根據(jù)表面黑色斑點、塊狀區(qū)域以及條紋結構定性分析煤樣微表面組分差異。

2) SEM觀測結果表明，煤樣新鮮斷面存在裂隙、斷層、孔洞以及顆粒等，其尺寸等量化信息在圖中難以準確得到。SEM可連續(xù)放大，且能通過二維圖像顯示三維結構，進而得到更細致的微表面結構信息。SEM通過對拋光煤樣微表面形貌的觀察可以定性分析煤的不同組分。

3) AFM的三維圖像較二維圖像更能直觀地展示微表面形貌。煤樣微表面粗糙度、高差數(shù)值及其統(tǒng)計分布可準確得到；煤樣微表面孔的長度(直徑)從20～300 nm不等，可準確測量；圖像截面上可測得部分孔的長度或寬度，其中最長的為91.9 nm，最短的只有幾納米，孔深最深的為3.2 nm；納米裂隙截面上3處寬度分別為21.63 nm、17.31 nm、8.66 nm。

4) 在煤樣表面形貌表征中，若將光學顯微鏡下細觀表征、SEM微米級掃描、AFM納米級探測三者結合，可精確表達煤樣從整體到局部、從毫米級到納米級的特征，得到較為全面連續(xù)、定性定量的信息。