現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)在礦物材料中的應(yīng)用研究

1、現(xiàn)代測(cè)試分析技術(shù)在礦物材料中的應(yīng)用研究 摘要 通過(guò)對(duì)礦物材料的成分、結(jié)構(gòu)和理化性能的測(cè)定,介紹了EPMA、AAS、XPS、SEM、TEM、XRD等多種現(xiàn)代測(cè)試分析儀器及其技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。文章指出,新的現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的出現(xiàn)和技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)著礦物材料科學(xué)研究向更深、更廣的領(lǐng)域邁進(jìn),以后應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大現(xiàn)代測(cè)試分析技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用,提高其綜合使用價(jià)值。關(guān)鍵詞 礦物材料;現(xiàn)代測(cè)試技術(shù);應(yīng)用APPLICATION OF MODERN TESTING TECHNIQUES IN MINERAL MATERIALSABSTRACT: The article introduces a number of mo

2、dern testing instruments, such as EPMA、AAS、XPS、SEM、TEM、XRD etc, and its techniques characteristic and application scope. The mineral materials elements、structure and physicochemical property are tested by the instruments. It points out that new modern testing instruments and techniques give fresh im

3、petus to the mineral materials research and it should broaden the applications cope of modern testing techniques and enhance its use value.KEY WORDS: mineral materials, modern testing techniques, application1引言新材料、新技術(shù)的迅速發(fā)展引領(lǐng)著相關(guān)測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步。尤其是近幾十年以來(lái),新的測(cè)試方法的出現(xiàn)使人們?cè)谏钊肓私夂脱芯康V物材料的各種物化性質(zhì)時(shí)更為方便可靠。新的測(cè)試分析技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用到

4、礦物材料的研究中,同時(shí)也推動(dòng)著材料科學(xué)研究的快速發(fā)展。在礦物材料研究中,正確選擇和使用測(cè)試方法是從事自然科學(xué)研究的工作者所必需具備的重要素質(zhì)。選擇正確的測(cè)試分析技術(shù)可以準(zhǔn)確地測(cè)定礦物材料的種屬和物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)以及各種化學(xué)性質(zhì),是進(jìn)行礦物材料理論和實(shí)際應(yīng)用研究的重要環(huán)節(jié)。2現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)分析方法介紹現(xiàn)代測(cè)試分析技術(shù)主要包括X射線衍射分析、電子顯微分析、熱分析、光譜分析、表面分析技術(shù)等。電子顯微分析包含透射電子顯微分析、掃描電子顯微分析、電子探針顯微分析、分析電鏡顯微分析、離子探針顯微分析等;熱分析包含差熱分析、熱重分析、熱膨脹分析、差示掃描量熱分析等;光譜分析包含紅外光譜、穆斯堡爾譜、電子順

5、磁共振譜、核磁共振譜、激光拉曼光譜、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜等;表面分析技術(shù)包含X射線光電子能譜和掃描探針顯微鏡等。3現(xiàn)代測(cè)試分析方法在礦物材料研究中的應(yīng)用3.1對(duì)物質(zhì)化學(xué)成分的測(cè)定定性和定量測(cè)定物質(zhì)的化學(xué)成分是對(duì)礦物進(jìn)行分析最基本的測(cè)試內(nèi)容,也是對(duì)礦物進(jìn)行結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、形態(tài)等礦相研究的基礎(chǔ)。經(jīng)典顯微鏡和化學(xué)分析是人們研究礦物材料成分常用的傳統(tǒng)方法1,其結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。但是傳統(tǒng)的分析測(cè)試方法也有明顯的缺點(diǎn),如化學(xué)分析所需的礦樣用量相對(duì)較多,對(duì)于測(cè)定痕量目的元素準(zhǔn)確度不高,而且一般必須對(duì)所測(cè)礦物進(jìn)行粉碎研磨,這對(duì)于一些需無(wú)損分析的礦物試樣(如寶玉石礦物)來(lái)說(shuō)就顯得無(wú)能為力。另外在測(cè)定元素在礦物

6、材料內(nèi)分布的富集與貧化以及有關(guān)擴(kuò)散現(xiàn)象的研究中也有些不方便,而用現(xiàn)代測(cè)試分析技術(shù)就非常容易。對(duì)礦物材料進(jìn)行成分分析最常用的現(xiàn)代測(cè)試儀器有電子探針(EPMA)、原子吸收分光光度計(jì)(AAS)、俄歇電子能譜儀(AES)、X射線光電子能譜儀(XPS)、紫外光電子能譜儀(VPS)、X射線熒光光譜儀(XRF)、電子能譜儀(ES-CA)、同位素質(zhì)譜儀(ATMS)、氣相色譜儀(GC)和液相色譜儀(LC)等。下面簡(jiǎn)單介紹幾種常用的對(duì)礦物成分進(jìn)行分析的現(xiàn)代測(cè)試分析技術(shù)。3.1.1電子探針測(cè)試分析(EPMA)電子探針的全稱是電子探針X射線顯微分析儀,它利用聚焦極細(xì)的電子束轟擊固體試樣的表面,根據(jù)微區(qū)內(nèi)發(fā)射的X射線的

7、波長(zhǎng)及強(qiáng)度對(duì)試樣進(jìn)行定性和定量分析2。一般的化學(xué)分析方法(如化學(xué)分析、儀器分析等)僅僅能得到所分析試樣的平均成分,不能準(zhǔn)確地測(cè)定礦物試樣某一區(qū)域的元素成分。電子探針微束分析是一種成分分析和顯微分析相結(jié)合測(cè)試技術(shù),不僅可以用來(lái)測(cè)定試樣的成分,還可以準(zhǔn)確快速地對(duì)試樣某一區(qū)域內(nèi)的成分進(jìn)行分析測(cè)定3。并且所需試樣可以很少(一般1 5m3),對(duì)塊狀和粉末狀試樣均可進(jìn)行測(cè)試。其特點(diǎn)是分析微區(qū)小、靈敏度高、屬于無(wú)損分析,可分析元素范圍大,特別適合于礦物材料組織結(jié)構(gòu)和元素分布狀態(tài)的精確分析。例如,用電子探針可以對(duì)礦石中所含的礦物種屬進(jìn)行較為準(zhǔn)確的測(cè)定,還可以測(cè)定某些礦物的共生、伴生或賦存狀態(tài)。3.1.2原子吸

8、收分光光度法(AAS)在上世紀(jì)50年代,原子吸收分光光度法作為一種現(xiàn)代測(cè)試分析技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用,并在以后幾十年得到快速發(fā)展。它是基于蒸汽相中對(duì)其原子共輻射的吸收強(qiáng)度來(lái)測(cè)定試樣中被測(cè)元素含量的一種方法,在測(cè)定礦物材料中金屬元素上得到廣泛應(yīng)用。原子吸收分光光度法的優(yōu)點(diǎn)是檢出限低、靈敏度高,石墨爐原子吸收法的檢出限可達(dá)到10- 1010- 14g;分析精度高,火焰原子吸收法測(cè)定中等和高含量元素的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差可達(dá)到 1%,基本接近于化學(xué)分析;分析速度快,測(cè)定元素分布范圍廣,可測(cè)定70多個(gè)元素,基本上覆蓋了常用礦物材料中的金屬元素。除測(cè)定金屬元素外,對(duì)非金屬元素也能間接的進(jìn)行一定的測(cè)定;缺點(diǎn)是不能同時(shí)進(jìn)行多個(gè)

9、元素的測(cè)定,另外對(duì)一些礦物中含量較低的金屬元素靈敏度不高。原子吸收分光光度法常用來(lái)測(cè)定礦物材料中的貴金屬。如地質(zhì)樣品中金、銀、鉈等元素的測(cè)定,砂金礦中金、銀含量的測(cè)定,粗銅礦中金、銀元素的測(cè)定,方鉛礦中銀元素的測(cè)定等.還可以用來(lái)測(cè)定鋁土礦中鎵元素,鈦礦中的鈣元素,銅鉛鋅精礦中的汞元素和鈷元素,礦石中的鐵、鉛、鋅等。3.1.3X射線光電子能譜分析(XPS)X射線光電子能譜分析是一種用來(lái)對(duì)物質(zhì)表面性質(zhì)和狀態(tài)進(jìn)行分析的測(cè)試方法。其原理是由于光與物質(zhì)相互作用會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng),X射線的能量轉(zhuǎn)化為光電子的動(dòng)能。光電子能譜通過(guò)對(duì)光電子的結(jié)合能進(jìn)行計(jì)算來(lái)測(cè)定樣品。X射線光電子能譜可用來(lái)進(jìn)行測(cè)試固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)樣

10、品。除了氫以外的元素都可以進(jìn)行測(cè)定,樣品用量很少,可少至10- 8g并且對(duì)痕量元素靈敏度很高。一般用來(lái)對(duì)各種元素(氫除外)進(jìn)行定性或半定量分析,也可進(jìn)行化學(xué)價(jià)態(tài)、化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理狀態(tài)的研究4。如金屬元素在層狀黏土礦物中的吸附、金在硫化物中的賦存狀態(tài)研究等。3.2對(duì)物質(zhì)形貌、結(jié)構(gòu)和賦存狀態(tài)的測(cè)定礦物材料的研究中,除了基本的成分測(cè)定外,對(duì)其形貌、結(jié)構(gòu)和賦存狀態(tài)進(jìn)行研究也是非常重要的。其測(cè)定內(nèi)容包括礦物的表面形態(tài)、結(jié)晶程度、顆粒大小(包括絕對(duì)大小和相對(duì)大小)、自形程度及其相互間的關(guān)系等。一般可采用肉眼進(jìn)行簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)測(cè)定,也可輔以放大鏡和礦相顯微鏡(偏光顯微鏡)進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)定。但是要想更深入了解和認(rèn)識(shí)礦

11、物內(nèi)部結(jié)構(gòu),尤其是對(duì)礦物試樣微區(qū)進(jìn)行分析時(shí),采用現(xiàn)代測(cè)試分析技術(shù)顯得非常方便。常用的測(cè)定形貌、結(jié)構(gòu)和賦存狀態(tài)的現(xiàn)代測(cè)試儀器有掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線衍射儀(XRD)、掃描隧道電子顯微鏡(STM)、熱分析儀(TMA)、傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)、核磁共振譜儀(NMR)、順磁共振譜儀(EPR)等。3.2.1掃描電子顯微鏡(SEM)掃描電子顯微鏡(簡(jiǎn)稱掃描電鏡),是一種用來(lái)觀察和分析晶體礦物表面形貌和結(jié)構(gòu)(若配備譜儀,也可進(jìn)行成分分析)的現(xiàn)代測(cè)試儀器。它利用聚焦電子束在試樣表面掃描成像,通過(guò)分析產(chǎn)生的各種電子信號(hào)(主要是二次電子)來(lái)觀察和分析試樣的形貌和結(jié)構(gòu)。

12、掃描電鏡測(cè)試技術(shù)的主要特點(diǎn)是試樣制備簡(jiǎn)單,對(duì)塊狀和粉末狀礦物材料均可進(jìn)行測(cè)試(非導(dǎo)體試樣需在其表面噴導(dǎo)電層);聚焦景深大,觀察表面形貌和分析結(jié)構(gòu)方便,立體感強(qiáng);放大倍數(shù)連續(xù)可調(diào),可達(dá)10 300000倍。因此觀察物質(zhì)形貌結(jié)構(gòu)非常方便。例如,研究黃鐵礦中不可見(jiàn)金的存在形式;大理石中成分的結(jié)構(gòu)研究;寶玉石的鑒定與優(yōu)化;礦物材料的礦物學(xué)特征研究;金剛石薄膜材料的研究;礦物的氧化研究;礦物連生體的研究等。3.2.2透射電子顯微鏡(TEM)透射電子顯微鏡(簡(jiǎn)稱透射電鏡)是主要用來(lái)觀察物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代測(cè)試儀器,若配以譜儀,還可進(jìn)行物質(zhì)成分的測(cè)定。其主要原理是,聚焦電子束與物質(zhì)試樣產(chǎn)生相互作用,產(chǎn)生一定的

13、透射電子,通過(guò)分析透射電子反映出的特征,可間接分析物質(zhì)試樣的結(jié)構(gòu)。透射電鏡的特點(diǎn)是放大倍數(shù)大,可高達(dá)80萬(wàn)倍,是目前放大倍數(shù)最高的電子顯微鏡;分辨率高,可達(dá)0.1nm,能在原子和分子尺度直接觀察礦物材料的結(jié)構(gòu);由于聚焦電子束直徑很小,適合對(duì)微區(qū)進(jìn)行分析,最小分析區(qū)域可達(dá)納米尺度2。透射電鏡輔以其他測(cè)試手段現(xiàn)在已經(jīng)成為研究礦物材料不可缺少的測(cè)試工具。例如:巖石中礦石的塑性變形研究;成因礦物學(xué)研究;礦物巖石的礦物學(xué)特征研究;礦物的晶體缺陷(如位錯(cuò)、層錯(cuò)、空位團(tuán)等)研究;巖石風(fēng)化的礦物變化機(jī)制研究;礦物包裹體研究;黏土礦物間的轉(zhuǎn)化研究等。3.2.3X射線衍射儀(XRD)X射線射入晶體后可以產(chǎn)生多種現(xiàn)

14、象。對(duì)于研究晶體結(jié)構(gòu)而言,最重要的是衍射現(xiàn)象,其本質(zhì)是晶體空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有周期性。通過(guò)對(duì)X射線衍射分布和強(qiáng)度的分析,可獲得有關(guān)晶體的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)(原子的三維立體坐標(biāo)、化學(xué)建、分子立體構(gòu)型和構(gòu)象、價(jià)電子云密度等)及分子間的相互作用的信息4。X射線衍射分析在礦物材料晶體結(jié)構(gòu)分析、礦物鑒定等方面用途非常廣泛,是研究礦物材料不可缺少的測(cè)試手段。例如:確定試樣物相及其含量,判斷顆粒尺寸大小;分析礦物納米單元的結(jié)構(gòu)參數(shù),是否存在結(jié)構(gòu)畸變;測(cè)定多晶試樣中晶粒大小、應(yīng)力和應(yīng)變等。3.3對(duì)礦物材料的理化性能測(cè)定對(duì)礦物材料的測(cè)試技術(shù)中,除了測(cè)定成分、結(jié)構(gòu)和賦存狀態(tài)之外,常常還需進(jìn)行測(cè)定礦物材料的理化性能,尤其是

15、對(duì)非金屬礦物材料的分析測(cè)定。常見(jiàn)的理化性質(zhì)有比表面分析、孔隙度分析、粒度分析、白度、黏度、熱導(dǎo)率等5。所使用的儀器分別為比表面和孔隙度分析儀、粒度分析儀、白度測(cè)定儀、黏度計(jì)、熱導(dǎo)率測(cè)試儀等。通過(guò)測(cè)定礦物材料的理化性能,使其滿足所需要求,進(jìn)而提升礦物材料后續(xù)品的使用性能。4對(duì)現(xiàn)代測(cè)試分析方法的一點(diǎn)思考(1)現(xiàn)代測(cè)試分析技術(shù)是礦物材料分析中一項(xiàng)重要的研究方法,新的測(cè)試儀器的發(fā)明和測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步,推動(dòng)著礦物研究向更廣泛、更深入的領(lǐng)域邁進(jìn)。目前,現(xiàn)代測(cè)試設(shè)備日益向著大型化、多功能、綜合性、自動(dòng)化方向發(fā)展,兼有多種功能的新型儀器的出現(xiàn)為科學(xué)研究提供了方便。(2)每種測(cè)試方法相對(duì)來(lái)說(shuō)都有其局限性,在具體使用時(shí)可揚(yáng)長(zhǎng)避短,選擇合適的測(cè)試儀器。必要時(shí)采用多種儀器結(jié)合起來(lái)進(jìn)行分析,對(duì)最終測(cè)試結(jié)果會(huì)有很大的幫助。(3)拓展現(xiàn)代測(cè)試分析技術(shù)的研究領(lǐng)域和范圍。隨著科技的發(fā)展,現(xiàn)代測(cè)試分析技術(shù)在地質(zhì)、礦物、無(wú)機(jī)非金屬材料、醫(yī)學(xué)、生物、建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛。(4)在發(fā)展現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)研究的同時(shí),應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)代測(cè)試儀器的科學(xué)、高效、合理的使用?，F(xiàn)代測(cè)試儀器屬于高投入的研究測(cè)試設(shè)備,不可能所有單位都配備所有的相關(guān)儀器。因此如何在科學(xué)研