岩爆岩石的微观研究

6.4.1 岩爆岩石断口电镜扫描分析

岩石断口微观分析是一门研究岩石破坏断裂表面的科学。在岩石力学学科领域内，从微观方面研究岩石的破坏规律，将微观破坏形貌特征同岩石微观裂纹扩展到断裂破坏的力学机制联系起来进行的研究工作，目前已引起国内外学者越来越多的重视。

为了进一步研究岩爆的形成机制，我们对二郎山隧道岩爆岩石断口特征也做了微观电镜扫描分析研究。用于分析的试样全部取自隧道轻微岩爆(Ⅰ级)、中等岩爆(Ⅱ级)和强烈岩爆(Ⅲ级)区。

通过对六个试样岩爆岩石断口电镜扫描(SEM)分析，对照标准应力下岩石力学试验断口电镜分析图谱可知，轻微岩爆(Ⅰ级)岩石断口SEM形貌特征为沿晶断裂(即完整颗粒断裂，见图6-11(a)、(b))、穿晶断裂(即解理断裂，见图6-11(c)、(d))，属拉张脆性破坏断口；中等岩爆(Ⅱ级)岩石断口SEM形貌特征为张、剪脆性破坏并存的平行台阶状花样(图6-11(e))；强烈岩爆(Ⅲ级)岩石断口SEM形貌特征为平行条纹状-台阶状花样(图6-11(f))，仍属张、剪脆性破坏性质。

综上所述，岩爆岩石断口电镜扫描分析证实了前述岩爆地质原型调研结果的正确性；同时也表明，扫描电镜分析是查明岩爆形成力学机制的一种有效的微观手段。

6.4.2 研究区岩爆岩石X射线粉晶衍射成分分析

研究区部分砂质泥岩中也发生了岩爆活动，这在国内外尚属首次发现。为了查明这类岩石发生岩爆的内在原因，开展了岩石X射线粉晶衍射成分分析研究(表6-7、图6-12至图6-14)，表6-7中同时还列出了岩石点荷载强度试验结果，以便对比说明问题。

表6-7 研究区砂质泥岩X射线粉晶衍射成分分析　Tab.6-7 X-ray analysis for sand mudstone from the study area

① 成都理工学院测试中心D/MAX3 C型衍射仪测试。

图6-11 岩爆岩石断口电镜扫描图像

Fig.6-11 SEM image of the failure face of popping rocks

图6-12 WC1试样X射线粉晶衍射分析谱线

Fig.6-12 Result of X ray analysis for sample WC1

图6-13 EC1试样X射线粉晶衍射分析谱线

Fig.6-13 Result of X ray analysis for sample EC1

图6-14 EC2试样X射线粉晶衍射分析谱线

Fig.6-14 Result of X ray analysis for sample EC2

从表6-7中分析可知，砂质泥岩中的主要矿物成分为伊利石、绿泥石和石英，其中绿泥石矿物组成变化很小，基本保持稳定。但是，有岩爆与无岩爆活动的砂质泥岩内石英和伊利石的矿物组成差异十分明显，其变化规律为：无岩爆活动的EC2 样砂质泥岩内石英含量最低(＜10%)、伊利石含量最高(为67%)，故岩石单轴抗压强度Rb较低(仅为47.74MPa)；有轻微岩爆活动的EC1 样砂质泥岩内石英、伊利石含量居中(分别为26%和49%)，岩石单轴抗压强度明显高于EC2试样，可达78.76MPa；而有中等岩爆活动的WC1样砂质泥岩内石英含量最高(达39%，超过EC2样的4倍，并成为最主要组成矿物)、伊利石含量最低(仅为35%，约为EC2样的一半)，岩石单轴抗压强度则增高到86.90MPa。综上所述，二郎山公路隧道高地应力区部分砂质泥岩内发生的岩爆活动与其矿物组成变化有着十分密切的关系，石英含量剧增和伊利石含量的陡降可以提高该类岩石的总体强度，改善岩石的物理力学性能，从而提高岩石储聚弹性应变能的能力，成为能产生岩爆活动的高储能体。

真空镀膜就是置待镀材料和被镀基板于真空室内，采用一定方法加热待镀材料，使之蒸发或升华，并飞行溅射到被镀基板表面凝聚成膜的工艺。

一、镀膜的方法及分类

在真空条件下成膜有很多优点：可减少蒸发材料的原子、分子在飞向基板过程中于分子的碰撞，减少气体中的活性分子和蒸发源材料间的化学反应（如氧化等），以及减少成膜过程中气体分子进入薄膜中成为杂质的量，从而提供膜层的致密度、纯度、沉积速率和与基板的附着力。通常真空蒸镀要求成膜室内压力等于或低于10-2Pa，对于蒸发源与基板距离较远和薄膜质量要求很高的场合，则要求压力更低。

主要分为一下几类：

蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀。

蒸发镀膜：通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面，称为蒸发镀膜。这种方法最早由M.法拉第于1857年提出，现代已成为常用镀膜技术之一。

蒸发物质如金属、化合物等置于坩埚内或挂在热丝上作为蒸发源，待镀工件，如金属、陶瓷、塑料等基片置于坩埚前方。待系统抽至高真空后，加热坩埚使其中的物质蒸发。蒸发物质的原子或分子以冷凝方式沉积在基片表面。薄膜厚度可由数百埃至数微米。膜厚决定于蒸发源的蒸发速率和时间（或决定于装料量），并与源和基片的距离有关。对于大面积镀膜，常采用旋转基片或多蒸发源的方式以保证膜层厚度的均匀性。从蒸发源到基片的距离应小于蒸气分子在残余气体中的平均自由程，以免蒸气分子与残气分子碰撞引起化学作用。蒸气分子平均动能约为0.1～0.2电子伏。

蒸发源有三种类型。①电阻加热源：用难熔金属如钨、钽制成舟箔或丝状,通以电流,加热在它上方的或置于坩埚中的蒸发物质。电阻加热源主要用于蒸发Cd、Pb、Ag、Al、Cu、Cr、Au、Ni等材料。②高频感应加热源：用高频感应电流加热坩埚和蒸发物质。③电子束加热源：适用于蒸发温度较高（不低于2000[618-1]）的材料，即用电子束轰击材料使其蒸发。

蒸发镀膜与其他真空镀膜方法相比，具有较高的沉积速率，可镀制单质和不易热分解的化合物膜。

为沉积高纯单晶膜层，可采用分子束外延方法。生长掺杂的GaAlAs单晶层的分子束外延装置。喷射炉中装有分子束源，在超高真空下当它被加热到一定温度时，炉中元素以束状分子流射向基片。基片被加热到一定温度，沉积在基片上的分子可以徙动，按基片晶格次序生长结晶用分子束外延法可获得所需化学计量比的高纯化合物单晶膜，薄膜最慢生长速度可控制在1单层／秒。通过控制挡板,可精确地做出所需成分和结构的单晶薄膜。分子束外延法广泛用于制造各种光集成器件和各种超晶格结构薄膜。

溅射镀膜：用高能粒子轰击固体表面时能使固体表面的粒子获得能量并逸出表面，沉积在基片上。溅射现象于1870年开始用于镀膜技术，1930年以后由于提高了沉积速率而逐渐用于工业生产。通常将欲沉积的材料制成板材——靶,固定在阴极上。基片置于正对靶面的阳极上,距靶几厘米。系统抽至高真空后充入 10-1帕的气体（通常为氩气），在阴极和阳极间加几千伏电压，两极间即产生辉光放电。放电产生的正离子在电场作用下飞向阴极，与靶表面原子碰撞，受碰撞从靶面逸出的靶原子称为溅射原子,其能量在1至几十电子伏范围。溅射原子在基片表面沉积成膜。与蒸发镀膜不同，溅射镀膜不受膜材熔点的限制,可溅射W、Ta、C、Mo、WC、TiC等难熔物质。溅射化合物膜可用反应溅射法，即将反应气体 (O、N、HS、CH等)加入Ar气中,反应气体及其离子与靶原子或溅射原子发生反应生成化合物（如氧化物、氮化物等）而沉积在基片上。沉积绝缘膜可采用高频溅射法。基片装在接地的电极上，绝缘靶装在对面的电极上。高频电源一端接地，一端通过匹配网络和隔直流电容接到装有绝缘靶的电极上。接通高频电源后，高频电压不断改变极性。等离子体中的电子和正离子在电压的正半周和负半周分别打到绝缘靶上。由于电子迁移率高于正离子，绝缘靶表面带负电，在达到动态平衡时，靶处于负的偏置电位，从而使正离子对靶的溅射持续进行。采用磁控溅射可使沉积速率比非磁控溅射提高近一个数量级。

离子镀：蒸发物质的分子被电子碰撞电离后以离子沉积在固体表面，称为离子镀。这种技术是D.麦托克斯于1963年提出的。离子镀是真空蒸发与阴极溅射技术的结合。一种离子镀系统如图4[离子镀系统示意图],将基片台作为阴极，外壳作阳极，充入惰性气体（如氩）以产生辉光放电。从蒸发源蒸发的分子通过等离子区时发生电离。正离子被基片台负电压加速打到基片表面。未电离的中性原子（约占蒸发料的95％）也沉积在基片或真空室壁表面。电场对离化的蒸气分子的加速作用（离子能量约几百～几千电子伏）和氩离子对基片的溅射清洗作用，使膜层附着强度大大提高。离子镀工艺综合了蒸发（高沉积速率）与溅射（良好的膜层附着力）工艺的特点，并有很好的绕射性，可为形状复杂的工件镀膜。

二、薄膜厚度的测量

随着科技的进步和精密仪器的应用，薄膜厚度测量方法有很多，按照测量的方式分可以分为两类：直接测量和间接测量。直接测量指应用测量仪器，通过接触（或光接触）直接感应出薄膜的厚度。

常见的直接法测量有：螺旋测微法、精密轮廓扫描法（台阶法）、扫描电子显微法（SEM）；

间接测量指根据一定对应的物理关系，将相关的物理量经过计算转化为薄膜的厚度，从而达到测量薄膜厚度的目的。

常见的间接法测量有：称量法、电容法、电阻法、等厚干涉法、变角干涉法、椭圆偏振法。按照测量的原理可分为三类：称量法、电学法、光学法。

常见的称量法有：天平法、石英法、原子数测定法；

常见的电学法有：电阻法、电容法、涡流法；

常见的光学方法有：等厚干涉法、变角干涉法、光吸收法、椭圆偏振法。

下面简单介绍三种：

1. 干涉显微镜法

干涉条纹间距Δ0，条纹移动Δ，台阶高为t=(Δ/Δ0 )*0.5λ，测出Δ0 和Δ，即可，其中λ为单色光波长，如用白光，λ取 530nm。

2. 称重法

如果薄膜面积A，密度ρ和质量m可以被精确测定的话，膜厚t就可以计算出来：

d=m/Aρ。

3 石英晶体振荡器法

广泛应用于薄膜淀积过程中厚度的实时测量，主要应用于淀积速度，厚度的监测，还可以反过来（与电子技术结合）控制物质蒸发或溅射的速率，从而实现对于淀积过程的自动控制。

对于薄膜制造商而言，产品的厚度均匀性是最重要的指标之一，想要有效地控制材料厚度，厚度测试设备是必不可少的，但是具体要选择哪一类测厚设备还需根据软包材的种类、厂商对厚度均匀性的要求、以及设备的测试范围等因素而定。

三、真空镀膜机保养知识：

1. 关闭泵加热系统，然后分离蒸镀室（主要清洁灰尘，于蒸镀残渣）

2. 关闭电源或程序打入维护状态

3. 清洁卷绕系统（几个滚轴，方阻探头，光密度测量器）

4. 清洁中罩室（面板四周）

5. 泵系统冷却后打开清洁（注意千万不能掉入杂物，检查泵油使用时间与量计做出更换或添加处理）

6. 检查重冷与电气柜设备

这次实习给了我们了解了镀膜技术的原理、技术，使我们了解了工厂的生产，感觉很新颖，收获很多。

扫描电子显微镜（SEM）是1965年发明的较现代的细胞生物学研究工具，主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。

二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。

扫描电子显微镜在新型陶瓷材料显微分析中的应用

1　显微结构的分析

在陶瓷的制备过程中，原始材料及其制品的显微形貌、孔隙大小、晶界和团聚程度等将决定其最后的性能。扫描电子显微镜可以清楚地反映和记录这些微观特征，是观察分析样品微观结构方便、易行的有效方法，样品无需制备，只需直接放入样品室内即可放大观察；同时扫描电子显微镜可以实现试样从低倍到高倍的定位分析，在样品室中的试样不仅可以沿三维空间移动，还能够根据观察需要进行空间转动，以利于使用者对感兴趣的部位进行连续、系统的观察分析。扫描电子显微镜拍出的图像真实、清晰，并富有立体感，在新型陶瓷材料的三维显微组织形态的观察研究方面获得了广泛地应用。

由于扫描电子显微镜可用多种物理信号对样品进行综合分析，并具有可以直接观察较大试样、放大倍数范围宽和景深大等特点，当陶瓷材料处于不同的外部条件和化学环境时，扫描电子显微镜在其微观结构分析研究方面同样显示出极大的优势。主要表现为： ⑴力学加载下的微观动态 （裂纹扩展）研究 ；⑵加热条件下的晶体合成、气化、聚合反应等研究 ；⑶晶体生长机理、生长台阶、缺陷与位错的研究； ⑷成分的非均匀性、壳芯结构、包裹结构的研究； ⑸晶粒相成分在化学环境下差异性的研究等。

2　纳米尺寸的研究

纳米材料是纳米科学技术最基本的组成部分，可以用物理、化学及生物学的方法制备出只有几个纳米的“颗粒 ”。纳米材料的应用非常广泛，比如通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蚀等优点，纳米陶瓷在

一定的程度上也可增加韧性、改善脆性等，新型陶瓷纳米材料如纳米称、纳米天平等亦是重要的应用领域。纳米材料的一切独特性主要源于它的纳米尺寸，因此必须

首先确切地知道其尺寸，否则对纳米材料的研究及应用便失去了基础。纵观当今国内外的研究状况和最新成果,该领域的检测手段和表征方法可以使用透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等

技术，但高分辨率的扫描电子显微镜在纳米级别材料的形貌观察和尺寸检测方面因具有简便、可操作性强的优势被大量采用。另外如果将扫描电子显微镜与扫描隧道

显微镜结合起来，还可使普通的扫描电子显微镜升级改造为超高分辨率的扫描电子显微镜。图 2所示是纳米钛酸钡陶瓷的扫描电镜照片，晶粒尺寸平均为

20nm。

3　铁电畴的观测

压电陶瓷由于具有较大的力电功能转换率及良好的性能可调控性等特点在多层陶瓷驱动器、微位移器、换能器以及机敏材料与

器件等领域获得了广泛的应用。随着现代技术的发展，铁电和压电陶瓷材料与器件正向小型化、集成化、多功能化、智能化、高性能和复合结构发展，并在新型陶瓷

材料的开发和研究中发挥重要作用。铁电畴

（简称电畴）是其物理基础，电畴的结构及畴变规律直接决定了铁电体物理性质和应用方向。电子显微术是观测电畴的主要方法，其优点在于分辨率高，可直接观察

电畴和畴壁的显微结构及相变的动态原位观察 （电畴壁的迁移）。

扫描电子显微镜观测电畴是通过对样品表面预先进行化学腐蚀来实现的，由于不同极性的畴被腐蚀的程度不一样，利用腐蚀剂可在铁电体表面形成凹凸不平的区域从而可在显微镜中进行观察。因此，可以将样品表面预先进行化学腐蚀后，利用扫描电子显微镜图像中的黑白衬度来判断不同取向的电畴结构。对不同的铁电晶体选择合适的腐蚀剂种类、浓度、腐蚀时间和温度都能显示良好的畴图样。图 3是扫描电子显微镜观察到的 PLZT材料的 90°电畴。扫描电子显微镜 与其他设备的组合以实现多种分析功能。

在实际分析工作中，往往在获得形貌放大像后，希望能在同一台仪器上进行原

位化学成分或晶体结构分析，提供包括形貌、成分、晶体结构或位向在内的丰富资料，以便能够更全面、客观地进行判断分析。为了适应不同分析目的的要求，在扫

描电子显微镜上相继安装了许多附件，实现了一机多用，成为一种快速、直观、综合性分析仪器。把扫描电子显微镜应用范围扩大到各种显微或微区分析方面，充分显示了扫描电镜的多种性能及广泛的应用前景。

目前扫描电子显微镜的最主要组合分析功能有:X射线显微分析系统（即能谱仪,EDS），主要用于元素的定性和定量分析，并可分析样品微区的化学成分等信息；电子背散射系统 （即结晶学分

析系统），主要用于晶体和矿物的研究。随着现代技术的发展，其他一些扫描电子显微镜组合分析功能也相继出现，例如显微热台和冷台系统，主要用于观察和分析

材料在加热和冷冻过程中微观结构上的变化；拉伸台系统，主要用于观察和分析材料在受力过程中所发生的微观结构变化。扫描电子显微镜与其他设备组合而具有的

新型分析功能为新材料、新工艺的探索和研究起到重要作用。

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