煤的氬離子拋光-掃描電鏡分析樣品制備研究

李　熹

(貴州省煤田地質局實驗室，貴州　貴陽　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

(貴州省煤田地質局實驗室，貴州貴陽550008)

借助氬離子拋光技術對煤表面進行拋光，通過掃描電鏡可以清晰觀察真實的孔隙形貌結構，對判斷孔隙類型有重要幫助。該文對陽極電壓、拋光時間、離子束入射角、樣品臺轉速等條件進行研究，利用掃描電鏡對拋光后的表面進行觀察，比較不同條件下的拋光效果，找到適合煤拋光的條件參數。

煤；氬離子拋光；掃描電鏡

近年來隨著煤層氣勘探和開發的不斷發展，對煤中孔隙特征研究引起了國內外學者的廣泛關注[1-4]。煤孔隙的孔徑結構分類很多，一般應用最廣的是B·B·霍多特[5]采用十進制將煤中孔隙劃分為微孔 (<0.01 μm)、過度孔(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構的重要手段[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雜，無法真實反映孔隙大小、形狀及數量，在觀察和統計中，結果并不理想。

圖1　氬離子拋光示意圖

氬離子拋光技術是采用氬離子束與樣品形成一個角度，從而產生一個拋光區域，實現對樣品的拋光(圖1、圖2)。相較于傳統的拋光，該方法沒有應力，對樣品幾乎沒有任何損傷。同時磨拋掉的物質立即被真空抽走，不會像傳統拋光堵塞孔隙，是近年來興起的一種掃描電鏡樣品制備技術，最初應用于材料領域[8]，鄒才能等[9]在2010年利用氬離子拋光-掃描電鏡分析技術首次在中國頁巖氣儲集層中發現豐富的納米級孔隙，揭開了利用該技術研究非常規油氣納米級微孔隙的序幕。

圖2　頁巖氬離子拋光掃描電鏡照片效果對比

一般的制樣方法是否適用于煤的結構分析，還需進一步研究。本文主要從拋光時間、能量、旋轉方式及速度入手，利用掃描電鏡對制樣過程中出現的各種情況進行分析，摸索優化適合煤的拋光制樣方法。

1　實　驗

1.1實驗儀器

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

1.2實驗方法

將需要觀察的煤樣切割成小塊(一般垂直于層理)，長寬約為10 mm，厚度3～4 mm，用不同粒度的砂紙(先粗后細)對拋面進行打磨(樣品上下兩面應盡量水平)。選擇合適的平拋樣品臺，并用導電膠將煤樣固定在樣品臺的正中，關閉倉門，抽真空，待真空度達到要求后，調整陽極電壓、聚焦電壓及氬氣通入速度，引出氬離子束，再通過設定離子束入射角、拋光時間、樣品臺轉速等參數后，對樣品進行拋光處理。拋光完成后，將樣品取出，利用掃描電鏡(二次電子像)對煤樣拋光表面進行對比分析。

2　結果與討論

由于煤的非均質性強，本實驗所要樣品均取自同一煤樣，減少成分差別導致的誤差。拋光過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、拋光時間、樣品臺轉速等，其中儀器對氬氣通入速度有較嚴格的限制，因此本文就其他四個因素進行研究。具體的對比實驗條件見表1。

表1　氬離子拋光各組實驗條件

2.1陽極電壓

圖3　不同加速電壓下二次電子像

陽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量及拋光速度，是制樣過程中最重要的環節，本次實驗選擇的SC-1000氬離子拋光儀可提供的離子束能量范圍是0.1～10 keV，對應陽極電壓為0.1～10 kV，因為過小的能量無法對煤中如石英、黃鐵礦等進行切割拋光，因此選擇6 kV作為起始拋光電壓。

由圖3可以看出，隨著陽極電壓的增大，拋光平整度也隨之提高，陽極電壓為6 kV時，樣品整體平整度不高，條帶狀紋理較多(圖3a)，局部放大后，未拋平整結構可見(圖3d)，陽極電壓提升至8 kV時，效果比6 kV時有所提升(圖3b，e)，進一步提升至10 kV，拋光面平整度較好，放大后平整度明顯優于6 kV(圖3c，f)。實驗過程中我們發現，煤中礦物含量越高，應選用較高的陽極電壓，可以在較短的時間完成對煤樣進行拋光處理。

2.2拋光時間

圖4　不同拋光時間下二次電子像

拋光時間對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間的增加而變好(圖4d，e，f)，同時需要注意，由于采樣平拋樣品表面，拋光時間過長，可能用使一些表面孔隙消失，因此不易單純增加拋光時間來提高表面平整度。

2.3入射角度

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

從高能槍發出的氬離子束類似于光束，呈淡紫色，本身范圍較窄，通過旋轉樣品臺，使氬離子束可以轟擊更多的樣品表面，從而得到一個拋光區域，改變樣品臺轉速，可以是調節單次氬離子束轟擊樣品表面的時間。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相對較差(圖6c)，局部放大后也可以看出，3 r/min和5 r/min區別不大，10 r/min的樣品表面還有較多不平整的地方。因此，較低的樣品臺轉速可以獲得較好的拋光平整度。

圖6　不同樣品轉速下二次電子像

3　結　論

對陽極電壓、拋光時間、入射角度、樣品臺轉速四個因素進行研究后發現，對煤而言，較高陽極電壓(8～10 kV)可以獲得更好的拋光質量；隨著拋光時間的增加，拋光平整度也隨之增加，但拋光時間過長，可能導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；較低的樣品臺轉速(3～5 r/min 比對10 r/min)可以得到更好的拋效果。對拋光條件的優化，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。

[1]Clarkson C R, Bustin R M. The effect of pore structure and gas pressure upon the transport properties of coal: a laboratory and modeling study. 1. Isotherms and pore volume distributions[J]. Fuel,1999,78(11):1333-1344.

[3]Zhang S, Tang S, Tang D, et al. The characteristics of coal reservoir pores and coal facies in Liulin district, Hedong coal field of China[J].International Journal of Coal Geology,2010,81(2): 117-127.

[4]范俊佳,琚宜文,侯泉林,等.不同變質變形煤儲層孔隙特征與煤層氣可采性[J].地學前緣, 2010(5):325-335.

[5]B·B·霍多特.煤與瓦斯突出[M]. 宋世釗譯.北京:中國工業出版社,1966:30-31.

[6]張素新,肖紅艷.煤儲層中微孔隙和微裂隙的掃描電鏡研究[J].電子顯微學報,2000,19(4): 531-532.

[7]張慧, 李小彥. 掃描電子顯微鏡在煤巖學上的應用[J]. 電子顯微學報,2004,23(4): 467-467.

[8]Huang Z. Combining Ar ion milling with FIB lift-out techniques to prepare high quality site-specific TEM samples[J].Journal of Microscopy,2004,215(3):219-223.

[9]鄒才能,李建忠,董大忠,等.中國首次在頁巖氣儲集層中發現豐富的納米級孔隙[J].石油勘探與開發,2010(5):508-509.

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、非常規油氣測試分析工作。

O657

A

1001-9677(2016)012-0127-03