材料化学专业实验终稿.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流材料化学专业实验终稿.精品文档.实验一、室温固相反应合成硫化镉半导体材料及差热分析 5一、实验目的1、学习室温固相反应法合成半导体材料的方法；2、了解用热分析方法研究化合物的热稳定性；3、练习固液分离操作和加热设备的使用。二、实验原理室温固相反应是近几年发展起来的一种新的研究领域。利用固相反应可以合成液相中不易合成的金属配合物、原子簇化合物、金属配合物的顺反几何异构体，以及不能在液相中稳定存在的固相配合物等。同时，由于固、液相反应过程中的反应机理不同，有时还可能产生不同的反应产物，因而有可能制得一些特殊的材料。利用室温固相反应法合成精细陶瓷材料的研究刚刚兴起。与常用的气相法、液相法及固相粉碎法相比，它具有明显的优点，如合成工艺大大简化、原料的用量及副产物的排放量都显著减少；同时由于减少了中间步骤并且是低温反应，还可以避免粒子团聚，有利于产物纯度提高。CdS是典型的-族化合物半导体材料，在颜料、光电池和敏感材料领域有着重要的应用。其常用的合成方法是镉盐沉淀法和气相反应法。本实验用镉盐与硫化钠在室温一步反应法制备CdS，现象明显，反应速度快。合成产物的结构经X射线衍射分折符合JCPDS卡片100454，分别在26.5°、44°、52°处出现最强的衍射峰(见图1)。CdS的热稳定性可用差热分析(DTA)和热重分析(TG)同时分析。图2是CdS在空气气氛中的DTA-TG曲线，555.7的放热峰及伴随的增重现象可认为是CdS被氧化生成了CdSO4，382.3的微弱吸热峰和伴随的轻微的失重现象可以为是CdS表面吸附物的脱去或少量CdS被氧化成了CdO。由此表明CdS在500以下是稳定的，超过500即明显被氧化。图1 合成样品的XRD图 图2 合成样品的DTA-TG图三、仪器与试剂仪器 小研钵，离心试管，小坩埚，多用滴管，烘箱，马弗炉，离心机，差热分析仪或X射线衍射仪(或红外光谱仪)。药品 CdSO4(s)或CdCl2(s)，Cd(NO3)2(s)，Na2S(s)，1.0mo1·L-1BaCl2溶液，pH试纸。四、固相反应原理固相反应可分为4 个阶段：扩散- 反应- 成核- 生长，即在热力学可行的条件下，固相反应的发生起始于两个反应物分子的扩散接触，接着发生化学作用,生成产物分子；当产物分子集积到一定大小，才能出现产物的晶核，从而完成成核过程;随着晶核的长大，达到一定的大小后便出现产物的独立晶相6 。本文通过充分混合研磨，反应物ZnSO4·7H2O 与Na3PO4·12H2O 中的结晶水释放出来，在反应物表面形成液膜，使部分反应物溶解，溶解的反应物在液膜中有较快的传质速度，增大了反应物分子间的扩散接触，因而能加快固相反应的进行。另外，反应物在充分混合研磨过程中，反应微粒间互相碰撞，迅速成核，由于固相反应中离子通过各物相的扩散速度相对于溶液中要慢得多，结果晶核不能迅速生长，根据结晶学原理，若成核速度快而生长速度慢，易生成粒径小的产物。本文在室温固相法合成磷酸锌中引入表面活性剂,适量的表面活性剂能有效地降低小粒子的表面能,抑制粒子的团聚现象,有利于得到尺寸较小的粒子。实验发现,加入适量的表面活性剂,可改善产物的分离,烘干后所得到的磷酸锌粉末比较蓬松。五、实验步骤1按0.5gCdS的产量设计应加入CdSO4·8H2O和Na2S·9H2O的量，用台秤称量后置于小研钵中研磨10-20min，即生成橙红色的CdS。2将产物用去离子水洗涤五遍以上，上层清液用多用滴管吸出，用pH试纸检验清液的pH值6，且用BaCl2检验无沉淀生成为止。得到纯净的CdS沉淀。3洗净的沉淀转移至离心试管离心分离(或用砂芯漏斗减压过滤)。吸净上层清液后称重，计算产率。4在自己的离心试管上贴上标签，放入105的烘箱中烘干样品(一般需0.5h以上)。此烘干样品可用于进行热分析。如做XRD分析，为了使X射线衍射(XRD)图效果更明显，可将该样品于马弗炉中400煅烧1-2h，使晶形趋于完整。5在差热分析仪上测绘DTATG曲线。确定合成产物的热稳定性变化；（1）打开仪器电源，预热20分钟。先在两个小坩锅内分别准确称取CdS和a-Al2O3 各5 mg。升起加热炉，逆时针方向旋转到左侧。用热源靠近差热电偶的任意一热偶板，若差热笔向右移动，则该端为参比热电偶板，反之，为试样板。用镊子小心将样品放在样品托盘上，参比放在参比托盘上，降下加热炉（注意在欲放下加热炉的时候，务必先把炉体转回原处，然后才能放下炉子，否则会弄断样品架）。（2）打开差热仪主机开关，接通冷却水，控制水的流量约在300 ml/min左右。（3）打开平衡记录仪开关，分别将差热笔和温度笔量程置于20 mV和10 mV上，走纸速率置于 30 mm/min量程。 调节差热仪主机上差热量程为250ºC。（4）将升温速率旋在0刻度，用调零旋纽将温度笔置于差热图纸的最右端，差热笔置于中间，将升温速率旋至10ºC /min，放下绘图笔转换开关。（5）按下加热开关，同时注意升温速率指零旋纽左偏（不左偏时不能进行升温，需停机检查）。按下电炉开关，进行加热，仪器自动记录。（6）等到绘图纸上出现一个完整的差热峰时，关闭电炉开关。按下程序零旋纽和电位差计的开关，旋起加热炉，用镊子取下坩锅。将加热炉冷却降温至70ºC以下，将预先称好的a-Al2O3和KNO3试样分别放在样品保持架的两个小托盘上，在与锡相同的条件下升温加热，直至出现两个差热峰为止。（7）按照上述步骤，每个样品测定差热曲线两次。（8）实验结束后，抬起记录笔，关闭记录仪电源开关、加热开关，按下程序功能“0”键，关闭电源开关，升起炉子，取出样品，关闭水源和电源。六、数据处理或图谱分析（选做）纳米粒子的粒径可由Scherrer（谢乐)公式求出根据PDF卡片，查出主要峰对应的h，k，l值，并利用Scherrer方程求出硫化镉半导体材料对应一次粒子的粒径，然后求平均值。或对其红外光谱进行表征。为衍射峰的半高宽，用弧度表示；为衍射峰对应的角度值；为0.15406；0.89（或取0.9）为Scherrer常数；D的单位为nm。对差热实验图谱进行解析。在本实验条件下，差热测量温度范围为0280.5 °C（实验所用为镍镉热电偶），根据差热曲线，定性说明CdS的差热图，指出峰的位置、数目、指示温度及所表示的意义。七、思考题1常用的化合物半导体有哪些?它们各有什么用途?2在空气中测得CdS的稳定温度在500以下，氧化产物为CdSO4，若在N2中进行DTATG分析，结果会如何?试推测一下。3. 影响本实验差热分析的主要因素有哪些？4. 为什么差热峰的指示温度往往不恰巧等于物质能发生相变的温度？5下面三个图是CdS差热-热重实验结果图，试进行分析之。差热分析仪(恒久差热分析仪)的原理及使用方法仪器指标: 温度范围：HCT1为室温-1150、HCT2为室温1450 温度准确度：±0.1 升温速率：0.315min80min   测量范围：±10UV±1000uv DTA解析读：0.005 DSC方式数据采集分析 DSC测量范围：1mw±100Mw DSC解析度：10Uw 真空度（仪器本身有真空密封措施）选配真空机组后可达2.66-2Pa 两路稳压、稳流气氛控制系统，可以在实验过程中变换气体种类 具备差热基线校正功能。 坩埚容积：约为0.06ml差热分析原理：在物质匀速加热或冷却的过程中，当达到特定温度时会发生物理或化学变化。在变化过程中，往往伴随有吸热或放热现象，这样就改变了物质原有的升温或降温速率。差热分析就是利用这一特点，通过测定样品与一对热稳定的参比物之间的温度差与时间的关系，来获得有关热力学或热动力学的信息。目前常用的差热分析仪一般是将试样与具有较高热稳定性的差比物（如a-Al2O3）分别放入两个小的坩埚，置于加热炉中升温。如在升温过程中试样没有热效应，则试样与差比物之间的温度差DT为零；而如果试样在某温度下有热效应，则试样温度上升的速率会发生变化，与参比物相比会产生温度差DT。把T和DT转变为电信号，放大后用双笔记录仪记录下来，分别对时间作图，得DTt和Tt两条曲线。图III-8-1所示的是理想状况下的差热曲线。图中ab、 de、 gh分别对应于试样与参比物没有温度差时的情况，称为基线，而bcd和efg分别为差热峰。差热曲线中峰的数目、位置、方向、高度、宽度和面积等均具有一定的意义。比如，峰的数目表示在测温范围内试样发生变化的次数；峰的位置对应于试样发生变化的温度；峰的方向则指示变化是吸热还是放热；峰的面积表示热效应的大小等等。因此，根据差热曲线的情况就可以对试样进行具体分析，得出有关信息。在峰面积的测量中，峰前后基线在一条直线上时，可以按照三角形的方法求算面积。但是更多的时候，基线并不一定和时间轴平行，峰前后的基线也不一定在同一直线上（如图III-8-2上所示）。此时可以按照作切线的方法确定峰的起点、终点和峰面积。另外，还可以采取剪下峰称重，以重量代替面积（即剪纸称量法）。2. 影响差热分析的因素差热分析是一种动态分析技术，影响差热分析结果的因素较多。主要有：(1) 升温速率升温速率对差热曲线有重大影响，常常影响峰的形状、分辨率和峰所对应的温度值。比如当升温速率较低时基线漂移较小，分辨率较高，可分辨距离很近的峰，但测定时间相对较长；而升温速率高时，基线漂移严重，分辨率较低，但测试时间较短。图III-8-2 测定面积的方法(2) 试样样品的颗粒一般大约在200目左右，用量则与热效应和峰间距有关。样品粒度的大小，用量的多少都对分析有着很大的影响，甚至连装样的均匀性也会影响到实验的结果。(3) 稀释剂的影响稀释剂是指在试样中加入一种与试样不发生任何反应的惰性物质，常常是参比物质。稀释剂的加入使样品与参比物的热容相近，能有助于改善基线的稳定性，提高检出灵敏度，但同时也会降低峰的面积。(4) 气氛与压力许多测定受加热炉中气氛及压力的影响较大，如CaC2O4·H2O在氮气和空气气氛下分解时曲线是不同的。在氮气气氛下CaC2O4·H2O第二步热解时会分解出CO气体，产生吸热峰，而在空气气氛下热解时放出的CO会被氧化，同时放出热量呈现放热峰。除了以上因素外，走纸速率、差热量程等均对差热曲线有一定的影响。因此在运用差热分析方法研究体系时，必须认真查阅文献，审阅体系，找出合适的实验条件方可进行测试。本实验使用的PCR-1型差热仪属于中温、微量型差热仪。其主要有温控系统、差热系统、试样测温系统和记录系统四部分，其控制面板如图III-8-3所示。图III-8-3 PCR-1型差热仪面板图1.调零旋钮； 2. 量程开关； 3. 差热指示表头； 4. 偏差调零旋钮； 5.升温选择开关； 6.快速微动开关； 7. 偏差指示表头； 8. 加热指示灯； 9. 输出电压表头； 10. 电源指示灯； 11.加热开关； 12.电源开关； 13.程序功能开关；实验二、微波辐射合成防锈涂料磷酸锌及红外光谱表征 4一、实验目的1、了解磷酸锌的微波合成原理和方法；2、掌握微型吸滤的基本操作；3、掌握红外光谱的原理及Nicolet4700型红外光谱仪的使用方法。二、实验原理磷酸锌(Zn3(PO4)2·2H2O)是一种新型防锈颜料，利用它可配制各种防锈涂料，后者可代替氧化铅作为底漆。它的合成通常是用硫酸锌、磷酸和尿素在水浴加热下反应，反应过程中尿素分解放出氨气并生成铵盐，过去反应需4h才完成。本实验采用微波加热条件下进行反应，反应时间缩短为10min。反应式为：所得的四水合晶体在110烘箱中脱水即得二水合晶体Zn3(PO4)2·2H2O。三、仪器与试剂 仪器 微波炉，台秤，微型吸滤装置，烧杯，表面皿。 药品 ZnSO4·7H2O，尿素，磷酸，无水乙醇。四、实验步骤称取2.0g硫酸锌于50mL烧杯中，加1.0g尿素和1.0mLH3PO4，再加20mL水搅拌溶解，把烧杯置于100mL烧杯水浴中，盖上表面皿，放进微波炉里，以大火档(约600W)辐射10min，烧杯内隆起白色沫状物，停止辐射加热后，取出烧杯，用蒸馏水浸取、洗涤数次，吸滤。晶体用水洗涤至滤液无SO42-（如何检验？）。产品在110烘箱中脱水得到Zn3(PO4)2·2H2O，称量计算产率。红外光谱分析（南楼109红外光谱室）。并解析实验图谱。五、注意(1)合成反应完成时，溶液的pH=5-6左右；加尿素的目的是调节反应体系的酸碱性。(2)晶体最好洗涤至近中性再吸滤。(3)微波辐射对人体会造成损害。市售微波炉在防止微波泄漏上有严格的措施，使用时要遵照有关操作程序与要求进行，以免造成损害。操作要领参见实验附录。六、思考题1还有哪些制备磷酸锌的方法?2如何对产品进行定性检验?请拟出实验方案。3为什么微波辐射加热能显著缩短反应时间，使用微波炉要注意哪些事项?4. 某位同学的实验图谱如下，试解释谱峰的归属。附录：微波辐射及微波炉的使用1微波辐射简介微波属于电磁波的一种，频率范围0.330GHz，介于高频波与远红外波之间，微波同其他电磁波一样，具有电场与磁场双重性质。自从1986年Gedye发现微波可以显著加快有机化合物合成以来，微波技术在化学中的应用日益受到重视。1988年Baghurst首次采用微波技术合成了KVO3、BaWO4、YBa2Cu2O7-x等无机化合物。微波辐射是通过偶极分子旋转(主要原因)和离子传导耗散微波能而实现加热目的。在微波辐射作用下，极性分子为响应磁场方向变化，通过分子偶极以每秒数十亿次的高速旋转，使分子间不断碰撞和磨擦而产生热，这种加热方式较传统的热传导和热对流加热更迅速，而且是空间辐射加热，体系受热均匀。微波辐射有三个特点：一是在大量离子存在时能快速加热；二是快速达到反应温度；三是分子水平意义上的搅拌。从而实现了微波辐射加热的方便、高效、低能耗及省时的优点。2微波炉的使用(1)微波炉的构造(略)(2)使用方法插上电源；将待加热样品置于微波炉中央位置，关紧炉门；将“功率”选择开关旋至所需加热功率的位置；将“时间”选择开关旋至所需加热的时间位置，微波炉即开始工作；加热结束后，才能打开炉门，取出物体，拔掉电源插头。(3)注意事项微波对人体有危害，必须正确使用微波仪器，以防微波泄漏；微波炉内不能使用金属，以免产生火花；炉门一定要关紧后方能开始加热，以免微波能量外泄；发现炉门变形或其他故障，切勿继续使用，需由专业维修人员进行检查修理红外光谱仪的使用：开，关机    检查各设备电源线安全插入电源插座。打开空气开关，开启精密电源。在精密电源工作正常的状态下，启动光谱仪。开机:    接通（电源开关在光学台后面左下侧）面板右上方激光灯(LASER)点亮呈橘黄色，状态灯（STATUS）点亮呈黄色闪亮。启动计算机（先开显示器，接着开主机，最后开打印机）鼠标指定Omico软件图形符号，击左键启动，进入Omico信息窗口，鼠标左键点击OK按钮。关机：    点击关闭计算机图形，待出现对话框提示能安全关闭计算机时，按主机电源键关闭主机，接着关闭显示器，打印机，最后关闭光学台。     红外样品的制备液体样品：    以试样易溶有机溶剂，制成110%浓度的溶液，注入适宜厚度的液体池中测定。常用溶剂有二氯乙烷、四氯化碳、三氯甲烷、二硫化碳、己烷及环己烷等。 注：不可用水做试样溶剂。使用完后，用相应溶剂立即将液体池清洗干净。固体样品：    取样品11.5mg与KBr200300mg（样品与KBr的比约为1：100-200左右）于玛瑙研钵中研磨成混合均匀的粉末，用小药匙转入制片模具中于油压机10吨压力下保持2分钟，撤去压力后取处制成的供试片，目视检测，片子应呈透明状，然后取出样品片装入样品架。测试光谱：    选定主菜单Measure项中Measurement进入测试窗口。选定Align，Mode.检查光通量值是否正常。   选定Start Background Measurement扫描空白吸收。选定光通量窗口EXIT键退出。   编辑样品信息，储存路径。   将样品架或液体池放入样品室中样品固定座。   选定Start Sample Measurement按键进行样品测试。   选定测试所得文件号位于图谱框与主菜单之间，通常样品编号为100双击鼠标左键。   调整X，Y坐标。   主菜单Display项下hanger x/y values.   y或(x-y成手动输入x，y坐标值。)标峰值：   主菜单  Evaluatepeak pick   输入文件号   Peak picks   左双敲标峰数据块（位于文件号后面）操作注意事项  1、 保持实验室安静和整洁，干燥；不得在实验室内进行样品化学处理，实验完毕即取出样品室内的样品。   2、光学台不要受振动，取样，放样时，样品盖应轻开轻闭。  3 眼睛不要注视氦-氖激光，以免受伤害  4、经常检查干燥剂颜色，如果兰色变浅，立即更换。干燥剂再生：将干燥剂在烘箱内105烘干至兰色（约3小时）即可。不要做与红外无关的操作  5、不得自带软盘进行拷贝；实验完毕后在记录本上记录使用情况。  6、根据样品特性以及状态，制定相应的制样方法并制样，不得随意改变参数  7、使用的红外样品制备组件立即以甲醇或乙醇洗干净，注：窗片不得用水清洗，各组件用后归还原位，保持室内干燥，空调和除湿机必须全天开机（保持环境条件2±左右，湿度）；8、测试红外光谱图时，扫描空光路背景信号和样品文件信号，经傅立叶变换得到样品红外光谱图。根据需要，打印或者保存红外光谱图。设备停止使用时，样品室内应放置盛满干燥剂的培养皿。9、将压片模具、KBr晶体、液体池及其窗片放在干燥器内备用。10、液体池使用NaCl、CaF2、BaF2等晶体很脆易碎，应小心保存。11、液体池使用的KRS-5晶体剧毒，使用时避免直接接触（戴手套），打磨KRS-5晶体时避免接触或吸入KRS-5粉末，打磨的废弃物必须妥善处理。实验三、扫描电镜与能量色散谱实验5 一、实验目的、了解扫描电镜的基本结构和原理；、掌握扫描电镜试样的制备方法；、了解二次电子像观察记录操作的全过程及其在形貌组织结构观察中的应用；4、了解能量色散谱实验的原理与应用；5、进行材料的组分的测定；二、实验原理1、扫描电镜工作原理、构造和性能基本原理图1是扫描电镜的原理示意图。由最上边电子枪发射出来的电子束，经栅极聚焦后，在加速电压作用下，经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。在末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下使电子束在样品表面扫描。由于高能电子束与样品物质的交互作用，结果产生了各种信息：二次电子、背反射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子、阴极发光和透射电子等。这些信号被相应的接收器接收，经放大后送到显像管的栅极上，调制显像管的亮度。由于经过扫描线圈上的电流是与显像管相应的亮度一一对应，图 扫描电镜原理示意图也就是说，电子束打到样品上一点时，在显像管荧光屏上就出现一个亮点。扫描电镜就是这样采用逐点成像的方法，把样品表面不同的特征，按顺序，成比例地转换为视频信号，完成一帧图像，从而使我们在荧光屏上观察到样品表面的各种特征图像。2、扫描电镜的结构扫描电镜包括以下几部分： （1）电子光学系统该系统由电子枪、电磁透镜、光阑、样品室等部件组成(如图)。它的作用与透射电镜不同，仅仅用来获得扫描电子束。显然，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。目前使用中的扫描电镜大多为普通热阴极电子枪，由于受到钨丝阴极发射率较低的限制，需要较大的发射截面，才能获得足够的电子束强度。采用钨丝阴极发射的电子光源扫描电子束直径一般可达20-50m，六硼化镧阴极发射率比较高，有效发射截面可以做到直径为20m左右，比钨丝阴极要小得多，因此无论是亮度还是电子源直径都比钨丝阴极多。以上两种电子枪都属于热发射电子枪，而场发射电子枪分为冷场和热场发射两种，一般在扫描电镜中采用冷场发射。如图3所示，它是利用靠近曲率半径很小的阴极尖端附近的强电场使阴极尖端发射电子的，所以叫做场致发射(简称场发射)。如果阴极尖端半径为100500nm，若在尖端与第一阳极之间加3-5kV的电位差，那么在阴极尖端附近建立的强电场就足以使它发射电图扫描电镜光学系统示意图子。在第二阳极几十千伏甚至几百千伏正电位作用下，阴极尖端发射的电子会聚在第二阳极孔的下方(即场发射电子枪第一交叉点位置上)，电子束直径小至20nm(甚至lnm)。可见场发射电子枪是扫描电镜获得高分辨率，高质量图像较为理想的电子源。此外，场发射扫描电镜在低电压下仍保持高的分辨率和电子枪寿命长等优点。在光学系统中，扫描电镜的最后一个透镜的结 图场发射电子枪原理示意图构有别于透射电镜，它是采用上下极靴不同孔径不对称的磁透镜，这样可以大大减小下极靴的圆孔直径，从而减少样品表面的磁场，避免磁场对二次电子轨迹的干扰，不影响对二次电子的收集。另外，未级透镜中要有一定的空间，用来容纳扫描线圈和消像散器。扫描线圈是扫描电镜的一个十分重要的部件，它使电子作光栅扫描，与显示系统的C扫描线圈由同一锯齿波发生器控制，以保证镜筒中的电子束与显示系统CRT中的电子束偏转严格同步。扫描电镜的样品室要比透射电镜复杂，它能容纳大的试样，并在三维空间进行移动、倾斜和旋转。目前的扫描电镜样品室在空间设计上都考虑了多种信号收集器安装的几何尺寸，以使用户根据自己的意愿选择不同的信息方式。 （2）信号收集和显示系统 ()二次电子和背反射电子收集器图4是这种收集器的示意图，它是由闪烁体，光电倍增管和前置放大器组成，这是扫描电镜中最主要的信号检测器。从试样出来的电子，撞击并进入闪烁体，当金属圆筒加+250V电压时，能接受低能二次电子；当加250V电压时，能接受背反射电子。在闪烁体表面喷涂一层40-80nm的铝膜作为导电层，在这导电层上加有10-12kY的高压。试样产生的二次电子(或背反射电子)被这高压加速，并 图二次电子和背反射电子收集器示意图被收集到闪烁体上。当电子打到闪烁体上，产生出光子，而光子通过光导管传送到光电倍增管的阴极上。通过光电倍增管，信号被放大为微安数量级，再送至前置放大器放大成足够功率的输出信号，送至视频放大器，而后可直接调制CRT的栅极电位，这样即可得到一幅供观察和照相的图像。()显示系统显示装置一般有两个显示通道：一个用来观察，另一个供记录用(照相)。观察用的显像管采用长余辉显像管，扫描一帧有02，05，1s。最快可以达到电视速度。对于记录用的管子要求有较高的分辨率，通常10×的荧光屏要求有800-1000条线并且只能用短余辉的管子。在观察时为了便于调焦，采用尽可能快的扫描速度，而拍照时为了得 到分辨率高的图像，要尽可能采用慢的扫描速度(多用50-100s)。()吸收电子检测器试样不直接接地，而与一个试样电流放大器相接，可检出被测试样吸收的电子。它是 一个高灵敏度的微电流放大器，能检测到10-610-12A这样小的电流。吸收电流信号一般在10-10-9A，在较好的信噪此下，可得到所需要吸收电流图像。吸收电子图像是扫描电镜分析中一个很重要的手段。(C)X射线检测器它是检测试样发出的元素特征x射线波长和光子能量，从而实现对试样微区进行成 分分析。此外，扫描电镜也像透射电一样，需配备真空系统和电源系统。3 扫描电镜的主要性能(1)放大倍数扫描电镜的放大倍数M定义为：在显像管中电子束在荧光屏上最大扫描距离和在镜 筒中电子束针在试样上最大扫描距离的比值 M=l/L式中，l荧光屏长度； L电子束在试样上扫过的长度。 这个比值是通过调节扫描线圈上的电流来改变的。观察图像的荧光屏长度是固定的，如果减少扫描线圈的电流，电子束偏转的角度小，在试样上移动的距离变小，使放大倍数增 大。反之，增大扫描线圈上的电流，放大倍数就要变小。可见改变扫描电镜放大倍数是十 分方便的。目前大多数商品扫描电镜，放大倍数可从低倍连续调节到20万倍左右。 (2)景深 扫描电镜的景深比较大，成像富有立体感，所以它特别适用于粗糙样品表面的观察和 分析。(3)分辨率分辨本领是扫描电镜的主要性能指标之一。在理想情况下，二次电子像分辨率等于电子束斑直径。正是由于这个缘故，我们总是以二次电子像的分辨率作为衡量扫描电镜性能的主要指标。目前高性能扫描电镜普通钨丝电子枪的二次成像分辨率已达35nm左右。 此外，大的样品室，各种不同性能的样品台等，使得扫描电镜具有应用更广泛和更方便快捷的特点。4 样品制备扫描电镜样品制备方法除了含水量较多的生物软组织样品外，其它的固体材料样品的制备方法都是非常简便的。对导电性材料来说，除了几何尺寸和重量外几乎没有任何要求，尺寸和重量对不同型号的扫描电镜的样品室也有不同的要求。对于导电性较差或绝缘的样品若采用常规扫描电镜来观察，则必须通过喷镀金、银等重金属或碳真空蒸镀等手段进行导电性处理，否则将无法观察。显然，所有的样品均必须无油污，无腐蚀等，以免对镜筒和探测器的污染。三、实验内容与步骤实验内容：完成一个二次电子像的观察全过程，包括试样的制备、仪器的操作、图像观测和记录。、实验样品制备、扫描电镜的操作3、能谱测定实验四 热台偏光显微镜观察聚合物结晶形态一、实验目的 1了解偏光显微镜的结构及使用方法。 2观察聚合物的结晶形态，估算聚丙烯球晶大小。二、实验原理用偏光显微镜研究聚合物的结晶形态是目前在实验室中较为简便而实用的方法。众所周知，随着结晶条件的不同，聚合物的结晶可以具有不同的形态，如单晶、树枝晶、球晶、纤维晶及伸直链晶体等，其中球晶是聚合物结晶中最常见的晶体形式。从浓溶液析出或熔体冷却结晶时，聚合物倾向于生成这种比单晶更为复杂的多晶聚集体，通常呈球形，故称为“球晶”。球晶可以长得很大，直径甚至可达厘米数量级。对于几微米以上的球晶，用普通的偏光显微镜就可以进行观察；对小于几微米的球晶，则用电子显微镜或小角光散射法进行研究。结晶聚合物材料的实际实用性能(如光学透明性、冲击强度等)与材料内部的结晶形态、晶粒大小及完善程度有着密切的联系，因此，对于聚合物结晶形态等的研究具有重要的理论和实际意义。球晶的基本结构单元是具有折叠链结构的片晶(晶片厚度在10nm左右)。许多这样的晶片从一个中心（晶核）向四面八方生长，发展成为一个球状聚集体。电子衍射实验证明了在球晶中分子链（c轴）往往垂直于球晶的半径方向，而b轴总是沿着球晶半径的方向（图71）。图71 聚乙烯球晶生长示意图（a）晶片的排列与分子量的取向(其中a，b，c轴表示单位晶胞在各方向上的取向)；（b）球晶生长；（c）长成的球晶分子链的取向排列使球晶在光学性质上是各向异性的，即在不同的方向上有不同的折射率。在正交偏光显微镜下观察时，在分子链平行于起偏器或检偏器的方向上，将产生消光现象。因此可以看到球晶特有的黑十字消光图案(称为Maltese十字)，如图72所示。（a）全同立构聚苯乙烯 （b）聚戊二酸丙二醇酯图72 聚合物球晶的偏光显微镜照片在某些情况下，晶片会周期性地扭转，从一个中心向四周生长(如聚乙烯的球晶)，这样，在偏光显微镜中就会看到由此而产生的一系列消光同心圆环。三、仪器与试剂(1)原材料试样 聚丙烯、聚乙烯树脂颗粒料(2)仪器和试剂 偏光显微镜及附件、载玻片、盖玻片、电炉、热台四、实验步骤(1)制备样品将少许聚丙烯树脂颗粒料放在已于260电炉上恒温的载玻片上，待树脂熔融后，加上盖玻片，加压成膜，然后迅速放人140150热台上，结晶1h后取下。将少量聚乙烯粉料同上用熔融加压法制得薄膜，然后切断电炉电源，使样品缓慢冷却到室温。(2)熟悉偏光显微镜的结构及使用方法(参阅本实验的附及仪器说明书)。(3)将制备好的样品放在载物台上，在正交偏振条件下观察球晶形态。(4)记录所观察到的现象，并进行讨论。五、思考题用偏光显微镜能否观测聚合物其他形态的结晶？聚合物球晶还可以用那些方法表征？附录：偏光显微镜工作原理1偏振光与自然光光波是电磁波，因而是横波。它的传播方向与振动方向垂直。如果我们定义由光的传播方向和振动方向所组成的平面叫振动面，那么对于自然光，它的振动方向虽然永远垂直于光的传播方向，但振动面却时时刻刻在改变。在任一瞬间，振动方向在垂直于光的传播方向的平面内可以取所有可能的方向，没有一个方向占优势图73(a)，箭头代表振动方向，传播方向垂直于纸面。太阳光及一般的光源发出的光都是自然光。自然光在通过尼科耳棱镜或人造偏振片以后，光线的振动被限制在某一个方向，这样的光叫做线偏振光(或平面偏振光)，可用图73(b)表示。（a）自然光 （b）线偏振光图73 自然光和线偏振光的振动状况2起偏器与检偏器能将自然光变成线偏振光的仪器，叫做起偏振器，简称起偏器（polarizer）。通常用得较多的是尼科尔棱镜和人造偏振片。尼科尔棱镜是用方解石晶体按一定的工艺制成的，当自然光以一定角度入射时，由于晶体的双折射效应，入射光被分成振动方向互相垂直的两条线偏振光e光和o光，其中o光被全反射掉了，而e光出射。人造偏振片是利用某些有机化合物(如碘化硫酸奎宁)晶体的二向色性制成的。把这种晶体的粉末沉淀在硝酸纤维薄膜上，用电磁方法使晶体c轴指向一致，排成极细的晶线，只有振动方向平行于晶线的光才能通过，而成为线偏振光。起偏器既能够用来使自然光变成线偏振光，反过来，它又能被用来检查线偏振光，这时，它被称为检偏器或分析器(analyser)。例如，两个串联放着的尼科尔棱镜，靠近光源的一个是起偏器，另一个便是检偏器。当它们的振动方向平行时，透过的光强最大；而当它们的振动方向垂直时，没有光透过。这种情况，我们称为“正交偏振”。3偏光显微镜偏光显微镜是利用光的偏振特性对晶体、矿物、纤维等有双折射的物质进行观察研究的仪器。它的成像原理与生物显微镜相似，不同之处是在光路中加入两组偏振器起偏器和检偏器，以及用于观察物镜后焦面产生干涉像的勃氏透镜组。仪器结构如图341所示。由光源发出的自然光经起偏器变为线偏振光后，照射到置于工作台上的聚合物晶体样品上，由于晶体的双折射现象，这束光被分解为振动方向互相垂直的两束线偏振光。这两束光不能完全通过检偏器，只有其中平行于检偏器振动方向的分量才能通过。通过检偏器的这两束光的分量具有相同的振动方向与频率而产生干涉效应。由干涉的级序可以测定晶体薄片的厚度和双折射率等参数。将带有分度尺的目镜插入镜筒内，把载物台显微尺放在载物台上，调节到两尺基线重合。载物台显微尺长1.00mm，等分为100格，每格为0.01mm。在显微镜内观察，若目镜分度尺50格正好与显微尺10格相等，则目镜分度尺每格相当于：0.01×10502×10-3 mm。在进行测量时只要读出被测物体所对应的格数，就能知道实物的大小。在偏振光条件下，还可以观察晶体的形态，测定晶粒大小和研究晶体的多色性等。图341 偏光显微镜的结构l一仪器底座，2一视场光阑(内照明灯泡)，3一粗动调焦手轮；4一微动调焦手轮，5一起偏器，6一聚光镜；7一旋转工作台(蓑物台)，8一物镜；9一检偏器；10一目镜；1l一勃氏镜调节手轮实验五 高分子材料拉伸一、实验目的1熟悉高分子材料拉伸性能测试标准条件、测试原理及其操作。2了解测试条件对测定结果的影响。二、实验原理 将试样夹持在专用夹具上，对试样施加静态拉伸负荷，通过压力传感器、形变测量装置以及计算机处理，测绘出试样在拉伸变形过程中的拉伸应力应变曲线，计算出曲线上的特征点如试样直至断裂为止所承受的最大拉伸应力(拉伸强度)、试样断裂时的拉伸应力(拉伸断裂应力)、在拉伸应力应变曲线上屈服点处的应力(拉伸屈服应力)、应力应变曲线偏离直线性达规定应变百分数(偏置)时的应力(偏置屈服应力)和试样断裂时标线间距离的增加量与初始标距之比(断裂伸长率，以百分率表示)。(1)拉伸强度或拉伸断裂应力或拉伸屈服应力或偏置屈服应力tt按下式计算：式中 t 抗拉伸强度或拉伸断裂应力或拉伸屈服应力或偏置屈服应力，MPa；P 最大负荷或断裂负荷或屈服负荷或偏置屈服负荷，N；b 试样宽度，mm；d 试样厚度，mm。各应力值在拉伸应力应变曲线上的位置见图66。图66 拉伸应力应变曲线t1一拉伸强度；t1一拉伸时的应变；t2一拉伸断裂应力；t2一断裂时的应变；t3一拉伸屈服应力；t3一屈服时的应变，t4一偏置屈服应力；t4一偏置屈服时的应变X；A脆性材料；B具有屈服点的韧性材料，C无屈服点的韧性材料（2）断裂伸长率t t按下式计算：式中 t断裂伸长率，；G0试样原始标距，mm；G 试样断裂时标线向距离，mm。（3）标准偏差值S S按下式计算：式中 S标准偏差值；Xi单个测定值；X一组测定值的算数平均值；n测定个数。三、实验仪器与试样1实验试样 挤出实验中制备的PE、PP棒材2实验设备天辰万用试验机四、实验步骤1熟悉试验机的操作方法；2夹持试样，夹具夹持试样时，要使试样纵轴与上、下夹具中心连线相重合，并且要松紧适宜，以防止试样滑脱或断在夹具内；3选定实验速度，进行实验；4记录屈服时的负荷，或断裂负荷及标距间伸长。若试样断裂在中间平行部分之外时，此试样作废，另取试样补做。五、思考题1. 分析试样断裂在外的原因。2. 拉伸速度对测试结果有何影响？附录 拉伸实验的试样（1）试样的类型和尺寸 I型试样 I型试样形状及尺寸分别见图61和表61。图61 I型试样表61 I型试样的尺寸（mm）符号名称尺寸公差符号名称尺寸公差L总长（最小）150W端部宽度20±0.2H夹具间距离115±5.0d厚度C中间平行部分长度60±0.5b中间平行部分宽度10±0.2G0标距（或有效部分）50±0.5R半径（最小）60 II型试样 II型试样形状及尺寸分别见图62和表62。图62 II型试样表62 II型试样的尺