光學顯微鏡下材料顯微結構的觀察（金屬、陶瓷材料、聚合物的顯微觀察）


一、目的要求
    1．觀察不同材料在顯微鏡下的微觀形態，通過本實驗了解鐵碳合金在平衡狀態下的顯微組織；認識和掌握對陶瓷材料進行相分分析和相量測定的方法；了解和觀察高分子球晶的結構和形態
    2.掌握光學顯微鏡結構和使用方法               

二、基本原理
1．鐵碳合金在平衡狀態下的顯微組織觀察http://www.shkon.com.cn/produce/metalmicro/DMM700C.htm
    根據組織特點和含碳量的不同鐵碳合金可分為工業純鐵、鋼、鑄鐵三大類。工業純鐵含碳小于0.0218％C，碳含量小于2.11%的鐵碳合金稱為鋼，碳含量大于2.11%的合金稱為鑄鐵。
    碳鋼和白口鑄鐵在室溫下的組織均是由鐵素體（F）和滲碳體（Fe3C）這兩個基本相所組成，只是因含碳量不同鐵素體和滲碳體的相對數量、析出條件以及分布情況有所不同，因而呈現各種不同的組織形態。
鐵素體是碳在α鐵中的固溶體，常用符號“ F ”表示。鐵素體組織為等軸晶粒，晶體結構為體心立方晶格。
滲碳體是鐵與碳形成的一種化合物，常用符號“ Fe3C ”表示。按成分和形成條件不同，滲碳體可呈現不同形態。
    珠光體是鐵素體與滲碳體的機械混合物，常用符號“ P ”表示。在一般退火情況下，它是由鐵素體和滲碳體相互混合交替排列形成的層片狀組織。[url=http://www.baikon.com/index.php?id=128]DMM-330C透反射金相顯微鏡[/url]
    純金屬與單相合金的浸蝕是一個化學溶解過程，當把拋光后的試樣與浸蝕劑接觸時，首先拋光面上的形變擾動層被溶解掉，這時鋼的顯微組織沒有任何的顯露，緊接著是對晶界的化學溶解作用，在晶界上原子排列的規律性比較差，因而快速地被腐蝕掉形成凹溝，這時合金顯示出多邊形晶粒。若浸蝕繼續進行則浸蝕劑將對晶粒本身起溶解作用，由于每個晶粒溶解的速度并不一致，浸蝕以后每顆晶粒都將按照原子排列zui密的面露出表面，在垂直光線的照射下將顯示出明暗不一的晶粒。
    兩相合金的浸蝕主要是電化學浸蝕過程。不同的相由于成分、結構的不同，具有不同的電極電位，在浸蝕液中形成了許多對微小的局部電池，鐵素體具有較高的電極電位為陽極，浸蝕時發生溶解變得低洼粗糙，滲碳體具有正電位為陰極基本不受浸蝕。鐵素體在光鏡下呈暗黑色，滲碳體呈白亮色。
2．陶瓷材料相分和相量分析[url=http://www.baikon.com/index.php?id=287]XPF-330C偏反光顯微鏡[/url]
    在顯微鏡下觀察陶瓷試樣通?？梢砸姷饺齻€不同的相分，即晶相、玻璃相和氣相。
   晶相是由晶體物質所構成，它的形狀是比較規則的多邊形，也可能是接近于圓形、長條狀、針狀以及樹枝狀等。這些情況除了和該晶體物質內部構成、晶體生長和雜質的摻入有關外，還和材料制造過程有關。晶相一般分主晶相和次晶相，主晶相是陶瓷材料的主體，它可以由單相多晶組成，也可以由多相多晶組成；次晶相的生成一般在晶粒內部或邊界上析出，也可能在玻璃相中出現，常見的有針狀、柱狀、片狀、球狀等。http://www.shkon.com.cn/produce/polorize/XPF330C.htm
玻璃相為無定形體，在偏、反光顯微鏡下觀察時呈現灰黑色，分布在晶粒的周圍呈連續狀或孤島狀，它在瓷體中起著結合強固的作用。
    氣相在陶瓷結構中常見，它在很大程度上取決于揮發性雜質或結合劑等的含量、成型、燒成和熱處理工藝。它的形狀大小、分布及含量直接影響陶瓷的各種性能。在鏡下觀察氣相時，都呈現黑色的孔洞，磨成光片不經腐蝕也能看到，這是由于空洞不反光的緣故。氣孔的形狀各異，有圓形、橢圓形、蠕蟲狀等，氣孔有時包裹在晶體內部。
    陶瓷結構中的粒徑、平均粒度及粒徑分布也是表征顯微結構特征的重要參數，其大小和均勻程度會直接影響諸多物理性能，如材料的強度、韌性、硬度、導熱、導電、介電、敏感、腐蝕、催化、摩擦磨損、光的吸收與反射等都與粒徑及分布特性密切相關。
3．聚合物球晶的觀察[url=http://www.shkon.com/produce/polorize/XPR500C.htm]偏光熔點儀[/url]
    晶體和無定形體是聚合物聚集態的兩種基本形式，很多聚合物都能結晶。聚合物晶體從形態上看有單晶、球晶、纖維晶、串晶、須晶等。在片狀單晶體中分子鏈垂直于晶體表面，在纖維晶和須晶中，分子鏈沿纖維軸方向排列。聚合物從熔融狀態冷卻時主要生成球晶，它是聚合物晶體的主要形式，對制品性能有很大影響。www.shkon.com.cn蔡康偏光顯微鏡
    球晶是以晶核為中心成放射狀增長構成球形而得名，是“三維結構”。但在極薄的試片中也可以近似的看成是圓盤形的“二維結構”，球晶是多面體。由分子鏈構成晶胞，晶胞的堆積構成晶片，晶片迭合構成微纖束，微纖束沿半徑方向增長構成球晶。晶片間存在著結晶缺陷，微纖束之間存在著無定形夾雜物。球晶的大小取決于聚合物的分子結構及結晶條件，因此隨著聚合物種類和結晶條件的不同，球晶尺寸差別很大，直徑可以從微米級到毫米級，甚至可以大到厘米。球晶分散在無定形聚合物中，一般說來無定形是連續相，球晶的周邊可以相交，成為不規則的多邊形。球晶具有光學各向異性，對光線有折射作用，因此能夠用偏光顯微鏡進行觀察。另外還可以觀察到黑十字消光圖象。有些聚合物生成球晶時，晶片沿半徑增長時可以進行螺旋性扭曲，因此還能在偏光顯微鏡下看到同心圓消光圖象http://www.shkon.com.cn/produce/polorize.htm晶體用偏光顯微鏡

三、儀器和樣品
    金相顯微鏡、偏光顯微鏡、工業純鐵、40鋼、T8鋼、亞共晶白口鐵、聚丙烯球晶樣品、SrTiO3壓敏陶瓷、BaTiO3電介質瓷樣品。www.shkon.com.cn偏反光顯微鏡,透反射顯微鏡

四、實驗步驟
1. 金屬材料的平衡組織觀察
    觀察的典型鐵碳合金為工業純鐵、40鋼、T8鋼、亞共晶白口鐵。用金相顯微境行觀察并比較各種典型合金的組織特征。
    繪出實驗所觀察到的試樣組織圖，在圖中標明各組織組成物的名稱，并比較其組織特征。
2.陶瓷材料的粒度測定
    （1）晶體粒徑的測量
    測量時通常使用有刻度尺的目鏡進行。目鏡的十字絲上刻有100個小格（刻度尺），每一小格所代表的長度因放大倍數不同而不同。目鏡刻度尺每格所代表的長度是利用載物臺測微尺來標定的，載物臺測微尺嵌于玻片上（或是金屬板上），長1mm，分為100小格，每一小格為0．01 mm。
    ①測量原理：首先根據載物臺測微尺，對一定的放大系統求出目鏡刻度尺每一刻度的代表值，然后再用目鏡刻度尺直接測量晶粒的粒度。
    ②測量方法：
    首*行目鏡刻度尺標定。取“10×”目鏡（附有刻度尺），將載物臺測微尺置于載物臺上進行準焦，使視域內同時見到兩個顯微尺。將兩顯微尺平行并移動載物臺測微尺使兩尺零點對齊，然后仔細觀察兩尺上分格線再次重合的地方，數出這一段長度中二尺各有的刻度數。例如目鏡刻度尺56小格，載物臺測微尺刻度為70小格，即目鏡刻度尺56小格相對于載物臺測微尺的70小格，于是目鏡刻度尺每小格所代表的長度為：
 
    目鏡刻度尺代表實際長度值求得后，就可以測定晶粒（或氣孔）的平均大小了。即將欲測試樣的晶粒（或氣孔）移至目鏡刻度尺上，讀出欲測晶粒（或氣孔）所占目鏡刻度尺的格數就可以算出晶粒（或氣孔）的實際尺寸。比如某一晶粒占據目鏡刻度尺4格，則該晶粒的實際尺寸為12.5μm×4 = 50μm。
對多個晶粒（或氣孔）進行測量，求其平均值，即為某種相分的晶粒（或氣孔）的平均粒徑值。對于等徑的晶粒只需測一個方向，對于非等徑的晶粒如長條狀、柱狀、針狀等則必須分別求出其長短方向的尺寸，然后再求其平均值。
3. 偏光顯微鏡下聚合物球晶的觀察
    將壓片機升至240℃；放上蓋玻片，再放上少量聚丙烯樣品，待樣品熔化后再蓋上一片蓋玻片，壓制約一分鐘，制成試片。打開上蓋，使其緩慢自然降至室溫，可制成較大的球晶。
偏光顯微鏡在使用前首先要對光，此時可裝上低倍物鏡和目鏡，推出起偏片（起偏器），轉動視場光闌，使    在目鏡中看到的視域為zui亮，再推進起偏片，使得在兩個偏振片正交時目鏡的視域zui暗。其次是對焦，將制好的試片置于載物臺觀察，并慢慢提升鏡筒，直至看到物象后，再轉動微調手輪，使物象達到zui清楚為止。此時偏光顯微鏡即處于可用狀態。用畢后，按取用時狀態放好。
    把偏光顯微鏡調到可用狀態后，將聚丙烯試片放在載物臺上觀察球晶形狀，并測量聚丙烯球晶直徑

   

    

 

醫學和生物學常使用的各種顯微鏡

　　暗視野顯微鏡 　在普通光學顯微鏡臺下配一個暗視野聚光器（圖4）,來自下面光源的光線被拋物面聚光器反射，形成了橫過顯微鏡視野而不進入物鏡的強烈光束,因此視野是暗的，視野中直徑大于 0.3μm的微粒將光線散射，其大小和形態可清楚看到。甚至可看到普通明視野顯微鏡中看不見的幾個毫微米的微粒。因此在某些細菌、細胞等活體檢查中常常使用。
　　實體顯微鏡 　由雙筒目鏡和物鏡構成。放大率 7～80倍。利用側上方或下方顯微鏡燈照明。在目鏡內形成一個直立的放大實像，可以觀察未經加工的物體的立體形狀、顏色及表面微細結構,并能進行顯微解剖操作,也可以觀察生物機體的組織切片。
　　[url=http://www.shkon.com/produce/fluoro/DFM60C.htm]熒光顯微鏡 　在短波長光波（紫外光或紫藍色光,波長250～400nm）照射下，某些物質吸收光能，受到激發并釋放出一種能量降級的較長的光波（藍、綠、黃或紅光，波長400～800nm），這種光稱熒光[/url]  。某種物質在短光波照射下即可發生熒光，如組織內大部分脂質和蛋白質經照射均可發出淡藍色熒光，稱為自發性熒光。但大部分物質需要用熒光染料（如吖啶橙、異硫氰酸熒光素等）染色后，在短光波照射下才能發出熒光。熒光顯微鏡的光源為高壓汞燈，發出的紫外光源經過激發濾光片（此濾光片可通過對標本中熒光物質合宜的激發光）過濾后射向普勒姆氏分色鏡。分色鏡將激發光向下反射,通過物鏡投射向經熒光染料染色的標本。染料被激發并釋放出熒光,通過物鏡,穿過分色鏡和目鏡即可進行觀察。目鏡下方安置有屏障濾片（只允許特定波長的熒光通過）以保護眼眼及降低視野暗度（圖4）。
熒光顯微鏡的特點是靈敏度高，在暗視野中低濃度熒光染色即可顯示出標本內樣品的存在，其對比約為可見光顯微鏡的 100倍。30年代熒光染色即已用于細菌、霉菌等微生物及細胞、纖維等的形態觀察和研究。如用抗酸菌熒光染色法可幫助在痰中找到結核桿菌。 40年代創造了熒光染料標記蛋白質的技術這種技術現已廣泛應用于免疫熒光抗體染色的常規技術中，可檢查和定位病毒、細菌、霉菌、原蟲、寄生蟲及動物和人的組織抗原與抗體，可用以探討病因及發病機理，如腎小球疾病的分類及診斷，乳頭瘤病毒與子宮頸癌的關系等。 在醫學實驗研究及疾病診斷方面的用途日益廣泛。
　　偏光顯微鏡 　從光源發出的光線通過空氣和普通玻璃時，在與光線垂直的平面內的各個方向以同一振幅進行振動并迅速向前方傳遞，這是光的波動性原理?？諝馀c普通玻璃為各向同性體，又稱單折射體。[url=http://www.shkon.com/produce/polorize.htm]如果該光源的光通過一種各向異性體（又稱雙折射體）時，會將一束光線分為各只有一個振動平面的，而且振動方向互相垂直的兩束光線。這兩束光線的振動方向、速度、折光率和波長都不相同。[/url]這樣只有一個振動平面的光線稱偏振光。偏光顯微鏡即利用這一現象而設計。偏光顯微鏡內，在物鏡與目鏡間插入一個檢偏鏡片，光源與聚光器間鑲有起偏鏡片，圓形載物臺可以作360°旋轉（圖5）。[url=http://caikon.diytrade.com]起偏與檢偏鏡片處于正交檢偏位時，視野*變黑。將被檢物體放在顯微鏡臺上。若被檢物為單折射體，則旋轉鏡臺，視野始終黑暗。若旋轉鏡臺一周，視野內被檢物四明四暗，則說明被檢物是雙折射體。許多結晶物質（如痛風結節中的尿酸鹽結晶、尿結石、膽結石等），人體組織內的彈力纖維、膠原纖維、染色體和淀粉樣原纖維等都是雙折射體，可借偏振光顯微鏡術檢驗，進行定性和定量分析。[/url]
 
　　[url=http://www.leikon.com.cn/produce/biology.htm]位相顯微鏡 　又稱相差顯微鏡或相襯顯微鏡。普通光學顯微鏡之所以看不見未染色的組織、細胞和細菌、病毒等活機體的圖像，是因為通過樣品的光線變化差別（反差）很小。標本染色后改變了振幅（亮度）和波長（顏色），影響了反差而獲得圖像。[/url]但是染色會引起樣品變形，也可使有生命的機體 。要觀察不染色的新鮮組織、細胞或其他微小活體必須使用位相顯微鏡。[url=http://www.shkon.cn/produce/biology/XSP11CD.htm]位相顯微鏡的原理是兩個光波因位相差而互相干涉，出現光波強弱和反差的改變而成可見影像。點光源發出的光線可以表現為正弦波圖形（圖6a）。[/url]兩個波峰間的距離為波長,波的振幅表示光的亮度（振幅大、亮度高）。設想同一光源發出的兩條光波,分別同時通過空氣及某種透明介質。在通過一定厚度的某種透明介質時，光波的速度就會降低，但是光的亮度未變。光波在通過該透明介質后比一直在空氣中前進的另一條光波遲滯了波長，因而兩條光波出現了位相的變化（位相差）。但人眼不能分辨這兩條平行光線的位相差。如果這兩條光波射到光屏的同一點上，而且一條光波比另一條光波遲滯了半個波長，即兩條光波因位相相反而互相干涉抵消則光線消失，或者相對振幅相互影響而光線減弱。如果一條光波雖然遲滯了一個波長,但兩條光波位相相同,則因波的疊加而光線增強。
 
　　[url=http://www.leikon.com.cn/produce/biology/XSP13CC.htm]位相顯微鏡的基本結構與普通光學顯微鏡相同。不同之處在于：①物鏡鏡頭上面，在物鏡第二焦平面裝有一塊圓盤狀的位相板（圖6b）。[/url]②聚光器下面，在聚光器*焦平面裝有環形光束，光束上刻有狹窄的縫隙可通過環形強光（圖6c）。如圖6d所示，環形光束 A點發出的光線經過聚光器后成為平行光線。光線通過載物臺上的樣品時，因樣品內各個質點（如b點）的折射率不同而受到干涉，發生衍射,即分為未偏向波（實線）和偏向波（虛線）。未偏向波通過物鏡聚焦于位相板 A' 點上成像，然后通過位相板，均勻地分布在標本像平面上成為背景。偏向波通過物鏡后從位相板 A'點周圍通過位相板同樣聚焦在像平面的B'上。換句話說，未偏向波和偏向波是分別通過位相板的不同部位。在位相板上不同的區域涂有不同的涂層，可以分別改變未偏向波或偏向波的速度和亮度，由此兩種光波出現了位相差，差了半個波長或一個波長，它們在像平面的合波就出現明暗對比，樣品內的各個細節也就能看得見。
　　總之，[url=http://www.leikon.cn/produce/biology/XSP11CC.htm]位相顯微鏡是利用樣品中質點折射率的不同或質點厚度的不等，產生光線的相位差，使新鮮標本不必染色就可以看到，而且能夠觀察到活細胞內線粒體及染色體等精細結構，還可以應用于霉菌、細菌、病毒等更微小活體的研究，進行標本形態、數量、活動及分裂、繁殖等生物學行為觀察，并可進行量度與比較。 [/url]位相顯微鏡是利用樣品中質點折射率的不同或質點厚度的不等，產生光線的相位差，使新鮮標本不必染色就可以看到，而且能夠觀察到活細胞內線粒體及染色體等精細結構，還可以應用于霉菌、細菌、病毒等更微小活體的研究，進行標本形態、數量、活動及分裂、繁殖等生物學行為觀察，并可進行量度與比較。
　　倒置式顯微鏡 　普通顯微鏡鏡的物鏡頭方向向下接近標本。倒置式顯微鏡的物鏡鏡頭則處于垂直向上的位置，因此目鏡和鏡筒的縱軸與物鏡的縱軸呈45度角。[/url]倒置式顯微鏡 　普通顯微鏡鏡的物鏡頭方向向下接近標本。倒置式顯微鏡的物鏡鏡頭則處于垂直向上的位置，因此目鏡和鏡筒的縱軸與物鏡的縱軸呈45度角。載物臺面積較大，在物鏡上方，載物臺上方有一個長焦距聚光器和照明光源。物鏡和聚光器可裝配位相顯微鏡的附件。放大率16～80倍。組織培養瓶和培養皿可以直接放在載物臺上，進行不染色新鮮標本及活體、細胞的形態、數量和動態觀察?？蛇M行多孔微量生物化學及免疫反應平板的結果觀察。倒置式顯微鏡可換用普通亮視野光學鏡頭；可裝配偏振光、微分干涉差、熒光附件進行觀察。
　　微分干涉差顯微鏡（DIC） 　又稱干擾或干涉顯微鏡。能看到和測定微小的位相變化，與位相顯微鏡相似，使無色透明的標本具有明暗和顏色的變化，從而增強反差。在普通光學顯微鏡的基本結構上安裝偏光和干涉部件，以及360°旋轉載物臺。它又利用偏振光的干涉原理。如圖7所示,在光源上方安置有起偏鏡片和光束分解棱鏡。從起偏鏡片出來的直線偏振光通過光束分解棱鏡后，分成互相垂直振動的兩條直線偏振光。兩條光線經聚光器折射后射向樣品。因樣品內各個質點的折射射率不同，部分光波的位相改變及因干涉而發生橫向偏移。兩條光線通過物鏡后經第二組光束分解棱鏡相合并，由檢偏鏡發生干涉。終末像的每一個點是由物體上同一點的兩個互相重疊的不同圖像構成的一種混合像，從而使肉眼得以辨識。 
　微分干涉差顯微鏡同樣可以觀察到在普通亮視野中看不見的無色透明物體,可以觀察細胞、細菌等活體,而且影像呈立體感，較位相顯微鏡的影像更細致、更逼真?？捎盟鼘罴毎母鱾€部位作更精細的研究。如果用白光照明，不同位相表現為各種顏色，轉動載物臺，顏色會發生變化。單色光照明產生明暗反差，各種成分呈現不同的對比度。微分干涉差顯微鏡又可以作為一種高度精密的超微量光學天平來使用，用以估測的干物體的質量可以小到 1×-14克。當細胞中所含固體物質的濃度增加百分之一時，其折射率相應增加0.0018。細胞各相成分的折射率可以根據它與相關區域（懸浮液區）間位種的不同而估計，從而可進一步算出一個細胞中某些成分的干燥重量。