Подготовка образцов.

Автоматизированная оптическая микроскопия и другие виды микроскопии

Введение.

Основная задача оптической микроскопии состоит в создании увеличенного изображения плоской поверхности. Традиционный микроскоп не был предназначен для получения количественных данных, что начали делать только с конца XIX века (вместо простой зарисовки того, что видели в микроскопе). Позднее появились микроскопы, снабжённые фотокамерой для плёнки шириной 35 мм или больших фотопластинок для повышения точности и разрешения. Недостаток фотомикрографии состоял в появлении артефактов при проявлении плёнки и необходимости цифровой шкалы для количественных измерений.

Возможность быстрого получения фотографий с помощью цифровой камеры появилась относительно недавно. Объединение компьютера и микроскопа открыло массу новых возможностей, в том числе и для изучения структуры крупных образцов. Одна из задач современного компьютерного микроскопа состоит в создании панорамы поверхности большой площади путём объединения нескольких кадров соседних областей (рис. 1). Поскольку волокнистые композиты на основе полимерной матрицы (имеющие несколько различных фаз – матрицу, волокна и поры) отлично иллюстрируют возможности современных микроскопов, то будем брать их для примеров.

Композитные материалы являются гетерогенными системами. Наличие очень жёстких волокон, хрупкой матрицы и пор, а также непостоянство доли волокон превращает этот материал в настоящий кошмар для моделирования методом конечных элементов. Ещё несколько лет назад экспериментальное исследование трёхмерной структуры этого материала было большой редкостью, хотя возможность физического сечения и изучения структуры волокон и пор при помощи оптического микроскопа появилась уже достаточно давно. Однако рутина неавтоматизированного получения статистически достоверных данных только недавно была заменена компьютерным анализом. Чтобы прогнозировать механические, тепловые и другие свойства композиционного материала, нужно иметь модель его структуры. Чтобы оценить качество технологии, нужно иметь информацию о пространственном распределении волокон и пор. Ещё одной задачей является получение надёжной теории, связывающей технологию с макроскопическими свойствами материала. Эта задача не может быть решена без качественных данных о трёхмерной мезоструктуре материала (мезоуровень соответствует масштабному уровню от десятков микрон до сантиметров).

Контраст изображения в оптическом микроскопе отражённого света определяется коэффициентом отражения различных фаз в пределах поля зрения. Если контраст недостаточен, цифровая обработка изображения, скорее всего, приведёт к большой ошибке измерения. Поэтому микроскописты ищут способы увеличения коэффициентов отражения, вследствие чего качество подготовки поверхности образца имеет первостепенное значение.

Подготовка образцов.

Если микроскопист изучает тонкий и мягкий материал (когда топология поверхности не важна), образец можно разрезать на тонкие сечения, и эти сечения помещают между предметным и покровным стёклами. В таком случае нужно использовать объективы, предназначенные для работы с покровным стеклом.

В отличие от биологических объектов, материаловеды обычно имеют дело с твёрдыми материалами, существенно отличающимися от мягких биологических тканей. За один приём под микроскопом изучают лишь небольшую часть поверхности размером порядка нескольких сантиметров. Образец нужно подготовить так, чтобы его было легко брать в руки, а изучаемая поверхность была параллельна поверхности перемещаемого предметного столика (плоскости XY). Если предполагается использовать оптический микроскоп отражённого света и методы автоматического анализа, образец нужно очень тщательно подготовить (разрезать и отполировать). Для разрезания очень твёрдых материалов необходимы абразивные или алмазные диски, а в случае мягких материалов более удобно микротомирование.

Подготовку небольших образцов можно начинать с их заливки в блок эпоксидной смолы (рис. 2), чтобы с ними было легко обращаться при разрезании и полировке. После отверждения смолы заднюю поверхность образца нужно грубо отполировать, чтобы поверхность, помещаемая на предметный столик, была достаточно плоской. Исследуемую поверхность образца полируют с помощью ряда наждачных бумаг или тканей на основе частиц карбида кремния (SiC), начиная с самых крупных частиц и постепенно переходя к мелким.

Контраст в микроскопии отражённого света достаточно высок для композитов на основе углеродных волокон и кевлара, потому что коэффициент отражения этих волокон существенно отличается от полимерной матрицы. Напротив, стеклянные волокна имеют малый контраст с полимерной матрицей из-за близости показателей преломления и, следовательно, близких коэффициентов отражения. Поэтому для увеличения контраста необходима специальная обработка полированной поверхности стеклопластика. Для этого можно окислить матрицу. Матрица может быть окислена при бомбардировке поверхности образца ионами кислорода, которые окисляют матрицу быстрее, чем армирующие волокна. Как следствие, более грубая поверхность матрицы имеет меньшее отражение, чем стекловолокна, и увеличивается контраст. Некоторые образцы требуют химического травления.