煤的氩离子抛光-扫描电镜分析样品制备研究

李　熹

(贵州省煤田地质局实验室，贵州　贵阳　550008)



煤的氩离子抛光-扫描电镜分析样品制备研究

李熹

(贵州省煤田地质局实验室，贵州贵阳550008)

借助氩离子抛光技术对煤表面进行抛光，通过扫描电镜可以清晰观察真实的孔隙形貌结构，对判断孔隙类型有重要帮助。该文对阳极电压、抛光时间、离子束入射角、样品台转速等条件进行研究，利用扫描电镜对抛光后的表面进行观察，比较不同条件下的抛光效果，找到适合煤抛光的条件参数。

煤；氩离子抛光；扫描电镜

近年来随着煤层气勘探和开发的不断发展，对煤中孔隙特征研究引起了国内外学者的广泛关注[1-4]。煤孔隙的孔径结构分类很多，一般应用最广的是B·B·霍多特[5]采用十进制将煤中孔隙划分为微孔 (<0.01 μm)、过度孔(0.01～0.1 μm)、中孔(0.1～1 μm)及大孔(>1 μm)。扫描电子显微镜(SEM)一直是研究煤微观结构的重要手段[6-7]，一般是将样品破碎至一定粒径后，直接或表面镀膜后观察断面形貌研究，由于样品表面高低不平且形貌复杂，无法真实反映孔隙大小、形状及数量，在观察和统计中，结果并不理想。

图1　氩离子抛光示意图

氩离子抛光技术是采用氩离子束与样品形成一个角度，从而产生一个抛光区域，实现对样品的抛光(图1、图2)。相较于传统的抛光，该方法没有应力，对样品几乎没有任何损伤。同时磨抛掉的物质立即被真空抽走，不会像传统抛光堵塞孔隙，是近年来兴起的一种扫描电镜样品制备技术，最初应用于材料领域[8]，邹才能等[9]在2010年利用氩离子抛光-扫描电镜分析技术首次在中国页岩气储集层中发现丰富的纳米级孔隙，揭开了利用该技术研究非常规油气纳米级微孔隙的序幕。

图2　页岩氩离子抛光扫描电镜照片效果对比

一般的制样方法是否适用于煤的结构分析，还需进一步研究。本文主要从抛光时间、能量、旋转方式及速度入手，利用扫描电镜对制样过程中出现的各种情况进行分析，摸索优化适合煤的抛光制样方法。

1　实　验

1.1实验仪器

SIGMA热场发射扫描电镜(Zeiss)；SC-1000氩离子抛光仪(Technoorg Linda)；GTQ-5000精密切割机(蔚仪)。

1.2实验方法

将需要观察的煤样切割成小块(一般垂直于层理)，长宽约为10 mm，厚度3～4 mm，用不同粒度的砂纸(先粗后细)对抛面进行打磨(样品上下两面应尽量水平)。选择合适的平抛样品台，并用导电胶将煤样固定在样品台的正中，关闭仓门，抽真空，待真空度达到要求后，调整阳极电压、聚焦电压及氩气通入速度，引出氩离子束，再通过设定离子束入射角、抛光时间、样品台转速等参数后，对样品进行抛光处理。抛光完成后，将样品取出，利用扫描电镜(二次电子像)对煤样抛光表面进行对比分析。

2　结果与讨论

由于煤的非均质性强，本实验所要样品均取自同一煤样，减少成分差别导致的误差。抛光过程中主要涉及的因素有抛光能量、氩气通入速度、离子束入射角度、抛光时间、样品台转速等，其中仪器对氩气通入速度有较严格的限制，因此本文就其他四个因素进行研究。具体的对比实验条件见表1。

表1　氩离子抛光各组实验条件

2.1阳极电压

图3　不同加速电压下二次电子像

阳极电压的高低决定了氩离子束能量的大小，而能量大小又直接决定抛光质量及抛光速度，是制样过程中最重要的环节，本次实验选择的SC-1000氩离子抛光仪可提供的离子束能量范围是0.1～10 keV，对应阳极电压为0.1～10 kV，因为过小的能量无法对煤中如石英、黄铁矿等进行切割抛光，因此选择6 kV作为起始抛光电压。

由图3可以看出，随着阳极电压的增大，抛光平整度也随之提高，阳极电压为6 kV时，样品整体平整度不高，条带状纹理较多(图3a)，局部放大后，未抛平整结构可见(图3d)，阳极电压提升至8 kV时，效果比6 kV时有所提升(图3b，e)，进一步提升至10 kV，抛光面平整度较好，放大后平整度明显优于6 kV(图3c，f)。实验过程中我们发现，煤中矿物含量越高，应选用较高的阳极电压，可以在较短的时间完成对煤样进行抛光处理。

2.2抛光时间

图4　不同抛光时间下二次电子像

抛光时间对抛光平整度影响很大，图4为一块样品在抛光1、2、4 h后的电镜照片，图中可以看出随着抛光时间的增加，煤样表面的矿物逐渐因氩离子束轰击而脱落(图4a，b，c)，高倍放大后可以看出，样品的表面平整度随着抛光时间的增加而变好(图4d，e，f)，同时需要注意，由于采样平抛样品表面，抛光时间过长，可能用使一些表面孔隙消失，因此不易单纯增加抛光时间来提高表面平整度。

2.3入射角度

入射角度即样品台的倾斜角，目的是让氩离子束与样品之间产生一个夹角，使氩离子束能轰击到样品表面，夹角越小，抛光区域越大，但入射角度太小会使抛光质量变差，如图5a，入射角为5°时表面平整度较差，放大后可见表面有起伏(图5d)，9°和13°没有明显差别，较5°时有较大的提高(图5b，c)，高倍放大后发现13°略好于9°(图5e，f)。需要较大的抛光区域可以选择较小的入射角度，但入射角过小同样不利于得到较平整的表面，一般我们选择7°以上，适当延长抛光时间也可以选择较小的入射角。

图5　不同离子束入射角度下二次电子像

2.4样品台转速

从高能枪发出的氩离子束类似于光束，呈淡紫色，本身范围较窄，通过旋转样品台，使氩离子束可以轰击更多的样品表面，从而得到一个抛光区域，改变样品台转速，可以是调节单次氩离子束轰击样品表面的时间。图6中可以看出3 r/min和5 r/min 表面平整度较好(图6a，b)，而10 r/min相对较差(图6c)，局部放大后也可以看出，3 r/min和5 r/min区别不大，10 r/min的样品表面还有较多不平整的地方。因此，较低的样品台转速可以获得较好的抛光平整度。

图6　不同样品转速下二次电子像

3　结　论

对阳极电压、抛光时间、入射角度、样品台转速四个因素进行研究后发现，对煤而言，较高阳极电压(8～10 kV)可以获得更好的抛光质量；随着抛光时间的增加，抛光平整度也随之增加，但抛光时间过长，可能导致一些表面孔隙消失；离子束入射角影响样品的抛光面积，较低的角度可以得到更大的抛光面积，角度为9°～13°可以得较平整的抛光面；较低的样品台转速(3～5 r/min 比对10 r/min)可以得到更好的抛效果。对抛光条件的优化，找到了更适合煤的抛光条件，以获得更为平整的煤样抛光面，为后期研究打下好的基础。

[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.不同变质变形煤储层孔隙特征与煤层气可采性[J].地学前缘, 2010(5):325-335.

[5]B·B·霍多特.煤与瓦斯突出[M]. 宋世钊译.北京:中国工业出版社,1966:30-31.

[6]张素新,肖红艳.煤储层中微孔隙和微裂隙的扫描电镜研究[J].电子显微学报,2000,19(4): 531-532.

[7]张慧, 李小彦. 扫描电子显微镜在煤岩学上的应用[J]. 电子显微学报,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]邹才能,李建忠,董大忠,等.中国首次在页岩气储集层中发现丰富的纳米级孔隙[J].石油勘探与开发,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，工程师，硕士，主要从事煤质、非常规油气测试分析工作。

O657

A

1001-9677(2016)012-0127-03