1 透射電子顯微鏡概要
透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy，簡作TEM)是把經(jīng)加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上,電子與樣品中的原子碰撞而改變方向,從而產(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關(guān), 因此可以形成明暗不同的影像。通常,透射電子顯微鏡的分辨率0.1~0.2nm，放大倍數(shù)為幾萬-百萬倍，用于觀察超微結(jié)構(gòu)，即小于0.2nm、光學(xué)顯微鏡下無法看清的結(jié)構(gòu)，又稱“ 亞顯微結(jié)構(gòu)”。
透射電鏡特別適合對微細礦物及隱晶質(zhì)礦物和超細粉體的形貌及結(jié)構(gòu)分析, 它決定了偏光顯微鏡分辨率低的不足,又克服了X 射線衍射儀不能直接觀察礦物形貌的困難。透射電子顯微鏡在礦物加工與利用中具有著重要的應(yīng)用和前景。
TEM 用電子束作光源，用電磁場作透鏡。另外，由于電子束的穿透力很弱， 因此用于電鏡的標本須制成厚度約50nm 左右的超薄切片。這種切片需要用超薄切片機(ultramicrotome)制作。透射電子顯微鏡是使用電子來展示物件的內(nèi)部或表面的顯微鏡。高速的電子的波長比可見光的波長短(波粒二象性)，而顯微鏡的分辨率受其使用的波長的限制，因此TEM 的分辨率遠高于光學(xué)顯微鏡的分辨率。
2 TEM 在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用
TEM 廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、地質(zhì)學(xué),金屬、半導(dǎo)體材料、高分子材料、陶瓷、納米材料等領(lǐng)域。透射電子顯微鏡在生物、醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用極大地豐富了組織學(xué)和細胞學(xué)的內(nèi)容, 觀察到了許多過去用光學(xué)顯微鏡觀察不到或觀察不清的細胞微體結(jié)構(gòu)。TEM 在材料科學(xué)中可對材料進行形貌觀察、物相分析、晶體結(jié)構(gòu)觀察、微區(qū)化學(xué)成分分析、元素分布等進行分析等。
TEM 可用來分析各種金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、化學(xué)工程材料、納米材料等的微觀形貌、晶體結(jié)構(gòu)。
3 透射電鏡在礦物加工與利用中的應(yīng)用
3.1 工藝礦物學(xué)研究
工藝礦物學(xué)，是以工業(yè)礦物原料及其產(chǎn)物的礦物學(xué)特征和加工時礦物組成性狀為研究目標的學(xué)科。
在工藝礦物學(xué)研究中， 陳天虎等對黃土中強磁性礦物進行了透射電子顯微鏡觀察和成因分析。TEM 圖像反映出磁鐵礦一磁赤鐵礦在一個碎屑顆粒內(nèi)呈逐漸過渡關(guān)系, 表明磁鐵礦逐漸氧化形成磁赤鐵礦的轉(zhuǎn)變關(guān)系。
薛紀越等使用南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心的JEM-2000x 型透射電鏡，對糜棱巖化閃長巖中普通角閃石的變形顯微結(jié)構(gòu)進行了研究。當(dāng)石英變形達到亞顆粒化和重結(jié)晶階段時，經(jīng)TEM 觀察普通角閃石的變形顯微結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為單一方向的位錯，有時它們排列成純扭折壁。
3.2 選礦理論與技術(shù)研究
磁選是在不均勻磁場中利用礦物之間的磁性差異而使不同礦物實現(xiàn)分離的一種選礦方法。研究新的磁選法和提高分選效率，實質(zhì)上是依靠增大分離力、提高磁場磁感應(yīng)強度及中和產(chǎn)生絮凝的表面力來實現(xiàn)的。應(yīng)該指出，今后磁選的發(fā)展在很大程度上將取決于在聯(lián)合力作用下的顆粒在磁場中的流體力學(xué)運動規(guī)律的研究。
磁流體是磁性粒子在表面活性劑的作用下，在載基液中穩(wěn)定分散而形成的膠體懸浮液。它既具有固體的磁性又具有液體的流動性。磁性團簇材料制成的磁流體，廣泛應(yīng)用于磁性選礦領(lǐng)域。
杜慶立等用透射電子顯微鏡(TEM) 清晰地看到，磁性嵌埋團簇薄膜中Co 團簇外面包裹了Ag 膜,形成了芯殼式結(jié)構(gòu)，彌散地分布于Ag 基質(zhì)中，基本沒有發(fā)生自聚集現(xiàn)象，電子衍射環(huán)表明Co 團簇為多晶(圖1)。丁秀云等用TEM 對鐵氧體磁性粒子結(jié)構(gòu)進行了表征。磁性粒子的TEM 照片中，樣品粒子外形為粒子狀形態(tài)且分散較好，顆粒較均勻，粒度分布較窄。TEM 作為磁流體表征的直接手段，將隨磁流體技術(shù)共同推動磁選理論與技術(shù)的發(fā)展。
 3.3 非金屬礦物加工與利用研究
非金屬礦加工利用的目的是通過一定一系列的工藝技術(shù)、設(shè)備制備滿足市場要求的、具有一定粒度大小和粒度分布、純度或化學(xué)成分、物理化學(xué)性質(zhì)、表面或界面性質(zhì)的粉體材料或化工產(chǎn)品以及一定尺寸、形狀、機械性能、物理性能、化學(xué)性能、生物功能的功能性產(chǎn)品或制品。
TEM 對礦物超細粉碎、表面改性等技術(shù)加工后的微觀結(jié)構(gòu)進行表征，是非金屬礦物加工與利用研究的重要工具。
3.3.1 礦物超細粉碎及其物理化學(xué)改性
超細礦物粉體表面物理化學(xué)改性，制備功能性礦物材料是非金屬礦物深加工、提高礦產(chǎn)品技術(shù)含量和經(jīng)濟附加值的重要手段。吳偉端等用氣流磨所產(chǎn)生的超音速氣流作為機械力，對硅灰石/硬脂酸進行超細粉碎， 應(yīng)用TEM 研究硅灰石/硬脂酸界面微觀結(jié)構(gòu)形貌及成分(Ca、Si、C)變化規(guī)律研究。圖2 從硅灰石(r點)、界面(t)、硬脂酸(q),共取7 個點,r、s、t、u、v、w、q。圖中硅灰石/硬脂酸界面微觀結(jié)構(gòu)TEM 顯示；經(jīng)超音速氣流粉碎后,硅灰石仍呈針狀或長柱狀結(jié)構(gòu)， 粘附在硅灰石表面上的細小顆粒依然存在，表明硅灰石與這些細小顆粒界面粘結(jié)力較強。
 王云芳等水甘油醚丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)對酸催化水解正硅酸乙酯(TEOS)聚合得到的納米二氧化硅膠粒表面進行接枝改性，并用TEM 觀察了改性前后二氧化硅膠粒的分散狀況。
3.4 煤炭深加工
煤是一種組成、結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜而且極不均勻的固體混合物，包括許多有機和無機化合物，并含有數(shù)十種煤巖顯微組分，且價格低廉、儲量豐富，以煤為原料制備富勒烯類炭材料具有很大的發(fā)展前途。
藺嫻等以淄博貧煤為原料，合成碳納米管(carbon nanotubes,CNTs) 和納米富勒烯(nano -structured onion -like fullerenes,NSOFs)，運用高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)等對產(chǎn)物進行了表征和分析。圖3 淄博煤產(chǎn)物的HRTEM 像結(jié)果表明：以淄博貧煤為原料制備出CNTs 和NSOFs,CNTs 直徑分布均勻，準球狀的NSOFs 直徑分布在8 nm~30 nm 之間，石墨化程度較高。
3.5 在礦物復(fù)合材料中的應(yīng)用
有機-無機納米復(fù)合材料是近10 年來材料科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點。目前，橡膠工業(yè)廣泛采用層狀硅酸鹽作為無機填料。谷正等對蒙脫上(MMT)進行了有機化改性。制備了丁苯橡膠(SBR)/有機蒙脫上(OMMT)納米復(fù)合材料。由圖4 SBR/ OMMT的TEM 像可以看出，OMMT 片層以條紋狀均勻分散在橡膠基體中，并且存在一定的取向結(jié)構(gòu)，OMMT 片層大都以幾個片層聚集體的形式存在，說明SBR/OMMT 復(fù)合材料是一種納米復(fù)合材料。
馮安生等選用價格低廉的ε-2 己內(nèi)酰胺對內(nèi)蒙某膨潤土礦樣進行了有機改性，得到一種可用來制備納米復(fù)合材料的改性膨潤土。用該土與尼龍6 進行原位聚合，膨潤土/尼龍6 復(fù)合材料的TEM 像表明，部分蒙脫石已經(jīng)被剝離成片層分散在尼龍6 基體中，是明顯的納米級分散。拓寬了膨潤土的應(yīng)用領(lǐng)域。
 3.6 在礦產(chǎn)資源綜合利用中的應(yīng)用
礦產(chǎn)資源綜合利用是以復(fù)雜共生礦為主要研究對象，針對復(fù)雜共生礦貧、細、雜地特征,以礦物晶體化學(xué)、相變理論、礦物分離工程學(xué)、工藝礦物學(xué)等為理論基礎(chǔ)，研究各種實用、有效地工藝方法，強化分選過程，實現(xiàn)綜合回收利用各種有用組分的學(xué)科方向。
大洋底蘊藏極為豐富的多金屬結(jié)核，是潛在的巨大礦產(chǎn)資源，富含Mn、Fe、Cu、Co、Ni 等多種有用金屬元素。一些金屬元素主要賦存于錳礦物的晶格中。由于多金屬結(jié)核是多組分的集合體，構(gòu)成它的礦物成分極為復(fù)雜。陳建林等通過TEM 等多種手段綜合分析與鑒定，指出多金屬結(jié)核中主要鐵錳礦物有鈣錳礦、水羥錳礦、水鈉錳礦、方錳礦、錳鐵礦和針鐵礦等，結(jié)晶程度普遍較差。錳礦物分布在疊層石柱體和紋層內(nèi)，呈束狀、纖維狀和樹枝狀。對選礦冶煉和資源的綜合利用提供了重要依據(jù)。
3.7 二次資源回收利用
由于技術(shù)水平的限制,我國資源利用率一直很低，一方面造成經(jīng)濟效益降低,同時對生態(tài)環(huán)境造成了更大的壓力。我國在資源開采和利用過程中產(chǎn)生的廢棄物存在很大的利用價值， 稱之為二次資源。
硼泥是硼化工產(chǎn)業(yè)主要垃圾，近年來因為環(huán)境污染等問題使人們注意到硼泥的綜合利用價值和潛在的發(fā)展空間。大連理工大學(xué)孫博通過TEM 等多種手段對硼泥制取的氫氧化鎂進行了分析表征。圖5 為不同陳化溫度(TEM)觀察氫氧化鎂結(jié)晶性能表明：25℃陳化形成的產(chǎn)物晶型不完整、生長不完全，在陳化溫度為50℃的條件下形成的產(chǎn)物有規(guī)則晶型，較為完整。
 4 結(jié)語及展望
4.1 結(jié)語
TEM 已應(yīng)用于礦物加工與利用學(xué)科的多向領(lǐng)域。其應(yīng)用涵蓋工藝礦物學(xué)研究、選礦理論與技術(shù)研究、非金屬礦物加工與利用研究、煤炭深加工、礦物復(fù)合材料加工、礦產(chǎn)資源綜合利用、二次資源綜合利用等多項工程技術(shù)的學(xué)科新領(lǐng)域,隨著礦物加工工藝高效、潔凈化,礦物分選方法多樣化，注重礦產(chǎn)資源綜合利用開發(fā)與利用，TEM 將被更廣泛應(yīng)用于礦物加工與利用的各個領(lǐng)域。
4.2 展望
基于TEM 分倍率高、可觀察礦物形貌及結(jié)構(gòu)等特點，在觀察粉體表面改性中研究聚合物與礦物粉體結(jié)合狀態(tài)將會具有意義。同時，TEM 將會對浮選過程中微細礦物的潤濕作用、礦物與藥劑的雙電層、礦漿中藥劑的吸附作用等作進一步分析。另外，TEM 將對生物選礦中活性生物細胞對無機微細礦物的吞噬浸出及礦物細粒在活性生物作用下形貌及結(jié)構(gòu)變化作直觀表征，為生物選礦的發(fā)展提供強大科技支持。TEM 還會對礦物復(fù)合材料進行形貌觀察、物相分析、晶體結(jié)構(gòu)觀察等進行分析,助力礦物深加工領(lǐng)域科學(xué)研究。
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