扫描电镜在课程中的教学分析

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“材料分析测试方法”是面向材料科学与工程和无机非金属材料专业本科生的一门专业必修课，理论性和实用性都较强，是解释材料本构关系的重要基础，也是科学研究中表征材料的有力工具[1]。该课程主要内容包括X射线衍射、电子显微分析、光谱分析和热分析等，涉及的测试方法和仪器设备繁多，基本原理复杂[2-3]。其中，电子显微分析部分占幅较大，为人类探索材料微观世界的奥秘打开了一扇大门。源自20世纪60年代的第一台商用扫描电镜(SEM)主要是用细聚焦的高能电子束扫描样品，激发出各种物理信号来调制成像[4]。SEM属于大型仪器设备，通常需要专职人员经培训合格后才能操作。这就导致在传统的SEM分析教学中，一方面，大部分学校以课堂讲授为主，实践课多以展示为主，极少让学生动手操作。因而，学生难以获得直观感受。另一方面，授课内容多为SEM设备的基本原理和构造，对其应用的介绍不够深入，课程缺少趣味性。学生仅能掌握SEM的原理和结构，对材料科学研究中的具体应用不甚了解，因而对该课程的重视程度和学习积极性较低。基于上述问题，本文拟将科研驱动这一教学理念渗透进“材料分析测试方法”的课程教学中，对科技写作中涉及的常用材料的SEM测试方法进行分析。从新冠病毒的微观形貌切入，结合日常生活需要，激发学生的学习兴趣，有效达成教学目标。重点讲解论文中的SEM实测案例，从问题的提出、样品的制备、测试参数的设置到结果的分析进行全方位的解读，使学生明白测试目的，提高对扫描电子显微分析在研究材料的微观形貌和结构中发挥的重要作用，进而加深和巩固对教材的理解。以问题为导向，通过科研驱动锻炼学生的科研思维能力，提高学生科研创新能力，也为日后的科学研究打下坚实的基础。以下举例说明如何将文献中的SEM分析引入到课程的教学中，具体如下：

1SEM的微观形貌分析

受限于人眼的分辨率，我们不可能把材料的微观世界看得清清楚楚。结构决定性能是自然界的永恒规律，SEM采用电子束作为照明源，实现对材料的微观分析，已成为材料科学和生命科学领域及各生产部门质量控制中的必备工具之一。这样学生从原理上有个宏观把握，而且提高了重视程度。表面微观形貌的观察是SEM最基本也最广泛的应用。2019年末全球爆发了新冠肺炎，直到现在我们依然要进行核酸检测。医圣张仲景告诉我们，治愈疾病的前提是要认识疾病。新冠肺炎COVID-19是由新冠病毒SARS-CoV-2引起的一种急性呼吸道疾病，这种病毒到底长什么样？它与宿主细胞之间是如何相互作用的呢？由热点问题激发学生的兴趣，让学生带着疑惑进入到课堂讲授环节。文献LucioAyresCaldas等人利用对高分辨率SEM对SARS-CoV-2与宿主细胞相互作用的超微结构进行了分析，旨在增进对新冠病毒与宿主之间相互作用的理解[5]。从这些SEM形貌图片中，学生可以清晰地看到感染SARS-CoV-2对宿主细胞表面的影响(图1)。在感染2h时，病毒在感染细胞表面的存在增加了(图1A-C)，然而，没有观察到病毒颗粒粘附在细胞表面或这些投影下(图1D)。感染48h后，对模拟细胞和感染细胞的表面(细胞中病毒比例为0.1)进行比较，发现病毒颗粒粘附在光滑的细胞表面(图1E、F)。经过放大，学生可以看清细胞表面的细节，更好的理解了有效放大倍数这一性能参数。利用SEM不仅能观测细胞整体形貌，也能同时观测细胞中某一区域的显微组织。引用WeiliXu报道的关于一步法制备具有核壳结构的羟基磷灰石(HA)多孔微球的一篇论文。粉体颗粒首先考虑是通过SEM来对其微观形貌和结构特征进行观察，分析确定、颗粒的形状、尺寸、分布状况、轮廓清晰度等[6]。该论文首先采用水热法制备了表面光滑的无定型磷酸钙微球，然后通过延长水热反应时间制备了核壳结构HA多孔微球。采用SEM分别对水热反应0.5h、1h、2h、4h、5h、10h和15h后的产物微观形貌进行了表征(图2)。通过对该论文的样品制备和形貌图讲解，一方面，学生能比较直观地了解产物的微观形貌，认识到SEM成像具有立体感，可以精确表征HA微球的粒径尺寸，初步总结磷酸钙晶体在该反应条件下的形核生长规律。另一方面，学生对核壳结构有了一定清晰的认识。这一结构是由某一材料通过一定作用力将另一材料包裹起来形成的，具有独特性质。如核壳结构的HA微球比表面积大、流动性好、动力学可控，在生物给药领域的应用更广。由于核壳结构粗糙多孔，核壳间的表面和间隙能够使HA药物载体在溶液中充分润湿，提高其降解性。将这类材料的微观形貌研究工作引入到课堂教学中，不仅可以帮助学生开拓眼界、提高学生的学习兴趣，而且可以让学生充分汲取文献中用到的SEM分析方法来解释“材料分析测试方法”课程中涉及到的SEM知识。

2SEM的断口分析

与透射电镜分析相比，SEM景深大，在金属材料断口分析中具有明显优势，主要体现在：可宏观观察失效部件的断口及断裂源区的裂纹形貌，判断推测断裂源区的可能扩展方向；可实现对断裂源区污染情况和腐蚀物存留的高分辨观察，判定扩展区的断裂种类；可在原始状态下观察裂纹扩展区及其夹杂物的形貌，推理得出断裂类型，分析失效原因。下面举例通过文献生动形象地给学生阐述断口分析在SEM中的应用，IhorDzioba等人为明确S355钢的亚临界裂纹发展的机理，在脆性断裂转变为韧性断裂的温度下进行了试验，对钢材进行了断口形貌观察，结果如图3所示[7]。学生能够从宏观上区分韧性断裂和和解理断裂两种断裂性，看出在测试温度下，拉伸区和韧性起始区的裂纹发展情况，推断裂纹通过微孔生长扩展的延性机理。教学中也注重选用最前沿的学术成果，优化教学案例。随着材料业和制造业的不断发展，原位及原子分辨型电子显微镜诞生，为科学研究提供了强有力的支撑，也给“材料分析测试方法”这一课程注入了新鲜活力和持续改进的动力。选用前沿学术成果作为素材，能够提升教学质，加深学生理解，起到更好的教学效果。比如，原位SEM技术是最近发展起来的新型表征手段，可实时观察样品在原位拉伸/压缩/弯曲的过程中的表面形貌变化，大大拓展了SEM的应用领域。教学中引入DiShan等人用原位SEM研究的具有片状组织的TC21合金在拉伸过程中的断裂行为和拉伸变形过程的文献[8]。图4将应变从0.012至0.044之间的8个点的形貌展示给学生，可见，在早期变形阶段，滑移带未被激活。随着应变的增加，滑移带沿一定角度出现。随着应变的进一步增大，滑移带密度增大，在缺口处观察到明显的颈缩。在应变到达一定值时，裂纹几乎平行于边界附近的板条，应力和加工硬化速率显著减少。随后新裂纹在界面处形成。此外，还观察到滑移损伤远离缺口的塑料区域，以及裂纹通过滑移损伤区或滑移损伤区附近快速扩展到边界。最后，试件随着应变增大完全断裂。以这一前沿学术成果为教学案例，在充分激发学生课堂兴趣的同时，加深了学生对断裂整个过程的理解，有利于学生对知识的巩固把握。

3SEM的成分分析

SEM中经常配置能谱仪，以此实现对材料微观形貌和微区成分的同位检测分析，是目前SEM应用的热点。课堂教学中，借助案例式教学能够加深学生对能谱仪中的点、线、面三种扫描方式的理解和掌握。针对植入物感染这一骨科手术中常见和毁灭性的并发症问题，内置抗菌活性的植入物被提出，以此减少感染的发生率。KangqingZuo等人利用磷酸盐化学转化改性技术实现了金属植入物的表面功能化，团队首先制备了不同元素掺杂的磷酸盐化学转化膜，然后利用SEM对样品的成分和截面形貌做了深入分析，研究了Zn掺杂量对复合膜层的微观结构的影响，我们将该类文献引入课堂教学中[9]。学生首先对医用金属材料植入物和化学转化技术有了宏观把控，拓宽了知识领域。图5给学生展示的是在不同Zn浓度的化学转化膜溶液中涂层的表面形貌和相应的成分，学生能够直观看出转化膜的形貌为片状，而且片层的长度和厚度也可以根据标尺估算。更进一步的，学生能够看出形貌和成分的变化趋势。随着Zn这一光谱抗菌元素的微量掺入，SrCaP涂层晶粒细化，而当Zn的掺杂量较高时，涂层组织向Zn-Sr-磷酸盐转变。如此一来，学生也能理解点扫描这一种扫描方式得到的是所拍摄区域某一点的化学元素和可能的成分组成。在后期的毕业设计和大学生创新创业训练项目及攻读硕士研究生做科学研究中，学生都能够充分发挥各自的主观能动性，确定表征手段，并根据需要指导合成，调整工艺，优化配方，最终得到满意结果。图6是上述膜层的断面形貌和线扫描教学应用举例[9]。除了应用于样品表面和断面的观察外，SEM还可用于截面形貌的观察。从图6a的截面形态中，学生能明显看出分层形貌，而且涂层与钛基之间的界面结合良好，无明显裂纹出现。从图6c的线扫描中看出各元素在垂直方向上分布均匀，表明涂层生长的均匀性。此外，结合能谱仪可观察钢中非金属夹杂物的二次电子像和背散射电子像，定性和定量分析待测区域的化学元素，明确形成夹杂物的主要化学元素。在分析金属断口的杂质形貌时，SEM能观察到小于200nm的夹杂物，联合能谱仪对此微区进行分析，发现主要化学元素，推断出杂质的主要组成物。通过文献进一步讲解SEM中的能谱分析应用，使学生对微区成分分析应用的了解更加直观，建立起样品形貌和微区成分之间的关系。此外，在讲解文献的过程中学生能够紧跟学科前沿，追踪科研热点领域，掌握材料分析测试过程中的一些科研思维方法，为日后开展毕业设计和科研工作打下良的好基础。

4结语

本文采用科研驱动式教学模式对“材料分析测试方法”课程的扫描电镜进行改革，从扫描电镜的三大应用：微观形貌分析、断口分析和成分分析入手，进行案例教学，激发了学生对“材料分析测试方法”课程的学习兴趣和科研热情，培养了学生的创新精神和实践能力，为学生毕业后无论是走向检测岗位还是攻读研究生研究课题都打下了坚实的基础。学生不但掌握略层次和实际人才需求，还是学生自身而言，新的实践体系既满足社会发展的需要，又充分调动了学生参与学习的主观能动性，实习基地和用人单位对学生的认可度也较高。随着社会经济发展和专业要求的需要，在今后的教学中，还需要进一步完善教学新模式、新体系。

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作者：齐美丽 姚圣坤 单位：山东交通学院交通土建工程学院 山东师范大学物理与电子科学学院