從陶瓷的斷裂韌性到電極材料的離子傳輸效率，孔隙結(jié)構(gòu)往往扮演著決定性角色。如何準(zhǔn)確觀察這些微米乃至納米級的孔隙結(jié)構(gòu)，是材料科學(xué)中一個(gè)看似基礎(chǔ)卻極具挑戰(zhàn)的問題。

目前業(yè)界常用的方法有氮?dú)馕剑˙ET）、汞壓入法（MIP）、顯微鏡表征（SEM、TEM）等，它們可以反映出材料的比表面積、孔徑分布或是局部二維圖像等參數(shù)。但如果想了解孔隙是球形的還是狹縫狀的？它們是彼此連通的還是孤立的？三維空間里是如何分布的？這些方法就不夠直觀了。

因此為了能夠在三維尺度上直觀觀察孔隙形態(tài)，業(yè)界開發(fā)出了新的表征技術(shù)——FIB-SEM三維重構(gòu)與X射線顯微CT。

FIB-SEM三維重構(gòu)：納米尺度的“精雕細(xì)刻”

FIB-SEM三維重構(gòu)是一種將聚焦離子束（FIB）與掃描電子顯微鏡（SEM）結(jié)合的顯微分析技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)樣品的精準(zhǔn)加工與高分辨成像，為研究者提供納米級尺度的結(jié)構(gòu)信息。該技術(shù)不僅用于微納器件制備、電路修復(fù)、TEM樣品制備等，也被廣泛應(yīng)用于材料微觀結(jié)構(gòu)與孔隙三維重構(gòu)研究。

FIB-SEM雙束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

1、原理

FIB-SEM三維重構(gòu)通過“離子束切片 + 電子束成像”的循環(huán)操作實(shí)現(xiàn)。離子束逐層剝除樣品的薄層，每切一層便由電子束采集一幅高分辨率圖像，最終獲得一系列連續(xù)的二維切片圖像。經(jīng)計(jì)算機(jī)圖像配準(zhǔn)、去噪與三維重建，可得到樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的真實(shí)三維模型，從而揭示孔隙、晶粒或界面的空間分布特征。由于每一次切片都會去除材料，該方法屬于破壞性測試。

應(yīng)用 FIB-SEM 技術(shù)對梭形顆粒及微球進(jìn)行三維重構(gòu)的視頻截圖

2、技術(shù)要點(diǎn)

在進(jìn)行FIB-SEM三維重構(gòu)時(shí)，樣品類型和尺寸會顯著影響重構(gòu)效果。對于塊狀樣品，只需在表面鍍一層Pt保護(hù)層并做好標(biāo)記，即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)切片與圖像采集；但對于微納級單顆粒樣品，由于掃描電鏡具有景深效應(yīng)，若僅在表面鍍保護(hù)層，重構(gòu)后容易出現(xiàn)形貌失真（如球形被重構(gòu)為圓柱形）。為避免此問題，通常需采用整體Pt包埋以消除景深干擾。此外，小顆粒樣品無法直接在截面和表面標(biāo)記，可通過在基底上沉積Pt標(biāo)記塊的方式，實(shí)現(xiàn)自動切割與數(shù)據(jù)采集。這些細(xì)節(jié)處理對于保證三維重構(gòu)的精度至關(guān)重要。

對于顆粒材料，如果只在表面鍍一層 Pt 保護(hù)層，進(jìn)行切片后將系列圖像重構(gòu)后得到的結(jié)果

3、優(yōu)勢

與傳統(tǒng)顯微觀察或物理吸附、汞壓入等統(tǒng)計(jì)性方法不同，F(xiàn)IB-SEM能夠在納米級尺度上直接“看到”材料內(nèi)部的真實(shí)三維結(jié)構(gòu)。它兼具高分辨率與高定位精度，能在特定區(qū)域內(nèi)開展定點(diǎn)分析，并與化學(xué)分析、晶體學(xué)表征等手段結(jié)合。相比非破壞性技術(shù)，F(xiàn)IB-SEM的分辨率更高，能清晰捕捉微納米級孔隙、裂紋及界面特征。

4、價(jià)值

在孔隙結(jié)構(gòu)研究中，F(xiàn)IB-SEM三維重構(gòu)的最大價(jià)值在于揭示材料內(nèi)部孔隙的連通性與空間網(wǎng)絡(luò)。通過對重構(gòu)數(shù)據(jù)的定量分析，可以獲得孔隙率、孔徑分布、連通度及彎曲度等參數(shù)，為理解傳輸性能、機(jī)械強(qiáng)度、燒結(jié)致密化及電化學(xué)行為提供直觀依據(jù)。

例如說，對于研發(fā)高倍率電池電極材料，F(xiàn)IB-SEM可以直觀揭示鋰離子傳輸路徑是否暢通；對于優(yōu)化催化劑，它能指認(rèn)出哪些是無效的封閉孔，哪些是高效的連通孔道。

X射線顯微CT：無損且動態(tài)的“整體透視”

X射線顯微CT是一種利用X射線穿透樣品并采集衰減信息，再通過計(jì)算機(jī)重建三維結(jié)構(gòu)的非破壞性成像技術(shù)。與FIB0SEM不同，它無需剝切樣品即可通過三維重構(gòu)還原樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)及形態(tài)。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、地質(zhì)、生命科學(xué)以及工業(yè)零部件檢測等領(lǐng)域，用于觀察孔隙、裂紋、顆粒分布和內(nèi)部缺陷。

蔡司Xradia Context? 微型計(jì)算機(jī)斷層掃描（microCT）系統(tǒng)

原理

X射線在穿過樣品時(shí)會被不同密度和成分的材料吸收，探測器記錄穿透后的衰減信號，并以投影圖像的形式保存。樣品在掃描過程中會進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，通過多角度投影圖像結(jié)合計(jì)算機(jī)算法，即可得到樣品的三維體積數(shù)據(jù)。

優(yōu)勢

X射線顯微CT的最大優(yōu)勢是非破壞性與大體積成像，其分辨率可達(dá)亞微米級別。而且無需復(fù)雜樣品制備，并可多次重復(fù)掃描以研究材料演化或使用過程中的變化。雖然分辨率通常低于FIB-SEM，但在宏觀或中微米尺度上，能彌補(bǔ)微觀破壞性技術(shù)無法覆蓋的空間范圍。

價(jià)值

在材料孔隙結(jié)構(gòu)研究中，X射線顯微CT可以幫助研究者了解整體孔隙分布、連通性等宏觀特征，尤其適用于多孔陶瓷、粉體顆粒團(tuán)聚體、復(fù)合材料或工程結(jié)構(gòu)件等樣品的三維表征。

比如，對于鋰離子電池，通過X射線顯微CT可以獲得多次充放電和拆封后的電池虛擬截面視圖，直觀展示正極層和集流體中的損傷及微觀結(jié)構(gòu)變化，從而分析容量衰減或循環(huán)壽命與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

多次充放電和拆封后的鋰離子電池的虛擬截面視圖，展示集流體和正極層中的損壞

總結(jié)

總之，F(xiàn)IB-SEM三維重構(gòu)和X射線顯微CT這兩種工藝都能夠揭示材料內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)，讓用戶直觀地看到材料的孔隙結(jié)構(gòu)。FIB-SEM適合納米至微米級的高分辨微觀觀察，而顯微CT適合毫米到微米尺度的非破壞性整體成像，兩者可以互為補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)“宏觀-微觀”多尺度孔隙結(jié)構(gòu)表征，從而全面理解材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)聯(lián)。

資料來源：

《FIB- -M SEM 技術(shù)在維納米級單顆粒三維重構(gòu)中的應(yīng)用》，來源：中國科學(xué)院化學(xué)所分析測試中心；

蔡司官網(wǎng)。

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