作为材料科学最强大的研究工具之一，扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）能够以极高的分辨率观察样品表面的形态和结构，它的应用范围非常广泛。

 

一、SEM工作原理

SEM基于电子的特性，通过使用聚焦的电子束来替代传统光学显微镜中的可见光，利用高速电子束与样品表面的电子相互作用，发生电子发射现象，这些发射出来的二次电子被探测器接收并转化为更高的分辨率和更详细的图像。

SEM主要由电子枪、聚焦系统、扫描线圈、样品台和探测器组成。电子枪产生电子束，然后通过聚焦系统将电子束集中到一个非常小的区域上，通过扫描线圈的控制，扫描横穿样品表面时，与样品中的原子和分子发生相互作用，从而产生信号。这些信号被探测器捕捉后，经过信号处理器处理，最后转化成高质量的图像。

电子与试样相互作用产生的各种信息

 

二、SEM的特点和优点

(1) 高分辨率：SEM具有非常高的分辨率，可以观察到微小的样品结构和表面形态等各种细节。最新的SEM的二次电子成像分辨率已经可以达到3~4 nm。

(2) 高放大倍数：SEM可以进行高放大倍数观察，放大倍数可以从数倍原位放大到20万倍左右，使得微观结构得以清晰地呈现。

(3) 非接触式观察：与透射电子显微镜不同，SEM采用非接触式观察，不会破坏样品的形态和结构。

(4) 增大深度：SEM可以在不同深度上进行扫描和分析，使我们能够观察到被传统显微镜无法显示的样品内部结构，可用它直接进行观察并进行显微断口分析。因此目前显微断口分析工作大都利用SEM完成。

(5) 三维重建：通过采集样品各个角度的图像，SEM能够进行三维重建，提供更全面的信息。

(6) 数字化处理：SEM的图像可以进行数字化处理和分析，提高了观察和分析的精度和可靠性。可与能谱仪、电荷耦合器件（CCD）等配套使用，可以进行化学成分分析、能谱分析等。

 

三、SEM在涂料中的相关标准

GA/T 823.3-2018《法庭科学油漆物证的检验方法 第3部分：扫描电子显微镜/X射线能谱法》

T/CSTM 00229-2020《涂料中石墨烯材料的测定扫描电镜-能谱法》

T/GAIA 017-2022《铝及铝合金表面涂层氟含量的测定 扫描电镜能谱法》

T/JSP 01-2025《冷喷烯锌涂料中石墨烯材料的测试与判定 扫描电镜-X射线能谱分析法》

ASTM E2809-2022《在法医油漆检查中使用扫描电子显微镜/X射线光谱法的标准指南》

ASTM B748-90(2021)《用扫描电子显微镜测量横截面测量金属涂层厚度的标准试验方法》

ISO 9220: 2022《金属涂层 涂层厚度的测量 扫描电子显微镜法》

 

四、SEM在涂料中的应用

SEM在涂料领域的应用主要体现在微观结构观察、成分分析及性能评估等方面，结合X射线能谱仪（EDS）可进一步深化研究。具体应用如下：

1. 微观形态与成分分析

通过SEM观察涂料涂层的微观形貌，如颗粒分布、孔隙结构等，结合EDS可实时分析涂层中颜填料、添加剂等微区元素组成，用于颜填料质量控制及涂层全剖析。

2. 工艺改进与质量提升

在涂料生产过程中，SEM/EDS用于检测颜填料分散性、涂层厚度分布，以及识别产品缺陷（如颗粒团聚、气泡等），为优化生产工艺提供数据支持。

3. 性能评估与失效分析

通过SEM观察涂层耐磨损、耐腐蚀等性能相关的微观变化，结合EDS分析表面元素迁移或成分演变，评估涂料长期使用性能。

4. 特殊功能材料研究

在防火涂料等特殊涂料中，利用SEM，可以根据防火涂料炭层表面的蜂窝状小室结构研究防火涂料阻燃机理和性能改良。利用EDS与SEM联用技术，可以根据炭层表面碳氧含量的变化测试防火涂料的阻燃性能。

SEM观察下的某金属环氧涂层截面形态

电镜（以扫描电镜SEM为主）在涂料表面化学及表面处理中的应用主要体现在以下方面：

5. 表面形貌与缺陷分析

SEM可用于观察涂层表面粗糙度、孔隙、裂纹、气泡等缺陷，如通过SEM直接观察涂层开裂路径、界面结合状态。还可分析表面污染物（如灰尘、金属颗粒）的形貌及分布，结合EDS确定元素组成。

6. 表面化学组成分析

通过EDS对涂层表面元素（如C、O、N、金属元素）进行定性和半定量分析，判断涂层成分是否均匀、是否存在氧化或腐蚀产物。结合X射线光电子能谱（XPS），还可分析表面化学态（如氧化层、钝化层）及官能团（如羟基、羧基）。

7. 表面处理效果评估

SEM可用于评估涂装前处理（如喷砂、磷化）的质量，观察基材表面粗糙度变化及处理层厚度。还可检测涂层附着力，通过观察涂层与基材界面结合情况（如是否出现分层、空隙）判断处理工艺有效性。

8. 纳米级结构表征

利用高分辨SEM观察纳米级涂层结构（如纳米颗粒分布、界面过渡层），分析其对性能的影响。通过聚焦离子束（FIB）可制备纳米级截面，研究多层涂层界面结合强度及缺陷。

SEM观察下的某硅酮胶-二氧化硅超疏水复合涂层

 

五、SEM关键参数与注意事项

(1) 非导电样品需进行喷金/碳处理以避免电荷积累，或采用低真空模式成像。

(2) 选择合适加速电压（通常5~20 kV），平衡分辨率与穿透深度，避免有机物分解。

(3) 结合FTIR、拉曼光谱等补充有机成分分析，形成“形貌-成分-性能”关联。

SEM在涂料领域的运用（尤其是结合EDS）为涂料行业提供了从微观到成分的全方位分析手段，能有效地助力提升产品质量、优化生产工艺，并推动高性能涂料的研发。

 

来源：涂料工业

关键词： 扫描电子显微镜