高分子学科透射电镜实验教学的体会

赵 梅，李成栋，程俊梅，于广水

(青岛科技大学 a.材料科学与工程学院；b.高分子科学与工程学院，山东 青岛 266042)

·实验教学改革、探索与创新·

高分子学科透射电镜实验教学的体会

赵 梅a，李成栋a，程俊梅b，于广水b

(青岛科技大学 a.材料科学与工程学院；b.高分子科学与工程学院，山东 青岛 266042)

根据学科方向调整透射电镜实验教学环节具有十分重要的意义。对于高分子学科的透射电镜实验教学内容应突出学科方向，合理安排实验教学各环节。在实验中，使学生学习应用透射电镜观察分析高分子材料典型样品的方法和技巧，并结合扫描电镜观察，提高学生综合分析高分子材料微观组织的能力。

高分子学科；透射电镜；实验教学；体会

透射电子显微镜(transmission electron microscope，TEM)简称透射电镜，是利用高能电子束作为照明光源对材料的显微结构进行高倍放大成像的大型分析设备[1-2]，被广泛应用于无机非金属材料、金属材料和有机高分子材料等领域。借助于TEM，研究人员可以直接观察到材料内部的组织状态和微观缺陷，电子衍射功能可以原位分析材料的晶体结构，高分辨电子显微分析可以直接观察材料的晶格和原子级缺陷[3-4]。在功能应用方面，以电子衍射分析和高分辨电子显微观察为主，形貌表征为辅。

高分子材料大多是多组分多相复合体系，这些复合体系的性能不仅取决于复合体系中各组分的结构，还取决于各相的分布等结构特征[5-6]。应用透射电镜可以研究这些共混、共聚、填充等高分子多相体系中各相形貌特征及其分布，还可以直接观察高分子乳液颗粒的形态及粒径大小[7]。对于部分高分子结晶材料，利用透射电镜能够观察结晶相的分布，得到多晶环，不需要进行更深入的晶体结构分析，较少涉及高分辨电子显微观察和电子衍射分析。因此，在高分子学科透射电镜的实验教学中，应突出学科方向，按照以形貌表征为主、电子衍射分析为辅的导向，调整实验教学，并应用本学科的典型样品进行综合分析。

1 在理论教学中突出学科方向

青岛科技大学高分子学院开设的与透射电镜相关的理论课程是近代分析测试方法和高分子材料测试技术，这两门课程均有透射电镜实验教学环节。以往理论课程讲授透射电镜时，往往面面俱到，包括：样品制备技术、电子光学基础、结构和成像原理、衍衬成像原理、电子衍射、高分辨电子显微术。由于学时有限，结果该讲清的没讲清，没有实用意义的反而耽误时间。现在，透射电镜理论教学内容调整为三部分：(1)高分子材料样品制备技术；(2)衬度成像原理；(3)透射电镜在高分子材料中的应用。调整后的理论教学突出学科方向，实现了重点突出、有的放矢，为实验教学打下了很好的基础。

2 调整实验教学环节

对传统的透射电镜实验教学大纲进行了修订，基本摒弃了电子衍射和高分辨分析的内容。

1)实验目的。掌握透射电镜的基本结构和原理；学习透射电镜观察形貌的基本操作；学习冷冻超薄切片技术；学习应用质厚衬度原理分析高分子材料图片中衬度的形成；掌握高分子材料多晶衍射环的标定方法；掌握应用透射电镜观察共混、共聚、填充等高分子多相体系中各相结构及其分布的方法。

2)实验内容及学时分配。实验共4个学时，在时间安排上以典型高分子材料的形貌观察为主要环节，各环节安排如表1所示。

表1 透射电镜实验内容和学时分配

3 观察分析高分子材料典型样品

实际操作和样品演示相互结合，是实验教学中最重要的环节，占据过半的实验课时。对于不同学科，需要调整透射电镜操作技术的侧重点，并演示相应学科的典型样品。这一点在以往的实验教学中并不能实现。

1) 最典型的样品是超薄切片样品，以硫化顺丁橡胶样品为例，观察目的是30份N330在硫化顺丁橡胶中的分布规律、粒径、聚集态。首先，应在Low Mag模式下仔细寻找大而薄的切片，越“透明”说明越薄，切片尽量连续。如果没有合适的切片，后续的观察意义不大。这一环节耗时长，很关键。其次，把选择的切片进行放大，如图1所示，图中小的分散颗粒是炭黑，背后灰白连续的区域是橡胶背底。背底越白，说明切片越薄。拍照时，注意选择切片薄而均匀的区域，也就是背底尽量“白”而灰度均匀。

图1 用透射电镜观察硫化顺丁橡胶切片中的炭黑分散

2) 很多高分子样品需要在较低放大倍数(如几千倍)下观察，例如，NBR/PLA共混材料，观察分散相在基体相中的分布。这时，需要先调整电镜束斑尺寸，在合适电子束强度下进行观察并拍照。此外，观察两相共混结构时，有时需要染色处理，提高两相衬度对比。

3) 高分子材料样品的透射电镜图片衬度较弱，例如，高分子乳液中的颗粒、高分子材料纤维，颗粒或线的轮廓不清晰，图片整体衬度不强，这时，需要适当加大欠焦量，以图片清晰而不出现明显白边为标准。

4) 高分子结晶材料的多晶衍射环比较微弱，在观察和拍照时需要增强束斑强度并采用挡针。

4 与扫描电镜结合，综合分析材料的微观组织

扫描电镜与透射电镜同属于电子显微学的范畴，都是用来观察材料显微组织与结构的重要工具。扫描电镜图片就如同对物体照相的照片，得到的是表面的立体三维图像，只能看到表面，不能看见内部[8]。而透射电镜图片是二维的图像，没有立体感，看到表面的同时也能看到内部，就像底片一样。对于高分子学科，透射电镜观察形貌存在诸多不足，主要原因有如下三方面：(1)图片的衬度比较弱；(2)超薄切片的成功率较低，限制了透射电镜的观察；(3)切片的厚薄会直接影响样品的分析结果，产生虚假信息。例如，对于橡胶切片，切片的厚薄将直接影响图片中炭黑颗粒的多少与团聚程度，并不能完全真实、直观地反映橡胶切片中炭黑颗粒的团聚度与分布。因此，建议与扫描电镜结合，以全面反映样品的微观组织。

应用扫描电镜和透射电镜都能观察橡胶材料中炭黑颗粒的分布规律和聚集态，分别如图2和图3所示。扫描电镜观察橡胶冷冻淬断的断面，制样简单。图2能反映样品断面上炭黑颗粒的分散，直观清楚、立体感强。透射电镜观察橡胶的冷冻超薄切片，样品制备较难，且受切片成功率与厚薄的限制。图3反映橡胶内部炭黑颗粒的分散，优点是颗粒边界清晰，更容易观察分布与团聚，计算颗粒尺寸更精确，直径为20～50 nm。两者结合，能全面直观地反映橡胶内炭黑分散情况和团聚程度，并准确计算粒径。

图2 橡胶冷冻淬断断面SEM像

图3 橡胶冷冻切片TEM像

5 结束语

在高分子学科透射电镜实验教学中充分运用高分子材料典型样品、调整侧重点、合理安排实验教学，具有十分重要的意义。这有利于提高透射电镜实验教学的实用性、综合性，明显改善教学效果，对学生以后从事相关研究工作大有裨益。

[1]戎咏华. 分析电子显微学导论[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[2]左演声，陈文哲，梁伟.材料现代分析方法[M]. 北京：北京工业大学出版社，2000.

[3]进藤大辅，及川哲夫.材料评价的分析电子显微方法[M]. 刘安生，译. 北京：冶金工业出版社，2001.

[4]进藤大辅，平贺贤二.材料评价的高分辨电子显微方法[M].刘安生，译. 北京：冶金工业出版社，2002.

[5]贾红兵，朱绪飞.高分子材料[M]. 南京：南京大学出版社，2009.

[6]吴其晔，冯莺.高分子材料概论[M]. 北京：机械工业出版社，2004.

[7]张美珍.聚合物研究方法[M]. 北京：中国轻工业出版社，2000.

[8]郭素枝.扫描电镜技术及其应用[M]. 厦门：厦门大学出版社，2006.

Discussion on the Transmission Electron Microscope Experiment Teaching of Polymer Science

ZHAO Meia, LI Chengdonga, CHENG Junmeib, YU Guangshuib

(a. College of Material Science and Engineering;b. College of Polymer Science and Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, China)

It is necessary to adjust transmission electron microscope (TEM) experiment teaching according to subject direction. For polymer science, major theory teaching contents have been pointed out, teaching purposes have been revised, and teaching steps have been arranged reasonably. In experiment classroom, how to prepare and study the polymer materials samples by TEM were narrated. Those experiment teaching and practice steps combined with SEM (scanning electron microscope) can improve the abilities to analyze the microstructures of polymer materials.

polymer science; transmission electron microscope; experimental teaching; discussion

2013-09-04；修改日期: 2013-10-09

青岛科技大学博士启动基金资助项目(0022503)。

赵 梅(1974-)，女，博士，副教授，研究方向：透射电子显微分析 。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.016