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材料分析-第一部分本讲稿第一页，共八十页第一章 绪论材料的组成结构和性能的关系本课程的主要内容课程的目的及要求本讲稿第二页，共八十页一、材料的组成结构与性能的关系一、材料的组成结构与性能的关系 材料的设计；材料的制备；材料结构与性能表征：材料的性能、微观结构和 成分的测试和表征本讲稿第三页，共八十页金刚石-立方面心晶胞 石墨-六方晶系 本讲稿第四页，共八十页聚乙烯（-CH2-CH2-)n 低密度聚乙烯；高密度聚乙烯；交联聚乙烯ArOnArSn聚芳醚(PAE)聚芳硫醚(PAS)本讲稿第五页，共八十页性能性能化学组成化学组成化学组成化学组成显微结构显微结构晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构分子量分子量本讲稿第六页，共八十页可见从某种意义上说，结构对材料性能的影响是很大的。因此，有人说，结构决定性能是自然界永恒的规律。所以，在研究材料时，不仅了解它的化学成分，还要了解其结构。本讲稿第七页，共八十页材料成分和微观结构分析可分为三个层次：化学成分分析；晶体结构分析;显微结构分析;衍射法显微法谱学法本讲稿第八页，共八十页光谱分析吸收光谱发射光谱原子吸收光谱分子吸收光谱紫外可见光谱-电子光谱红外光谱拉曼光谱核磁共振X射线光谱原子发射光谱-原子荧光光谱分子发射光谱荧光光谱磷光光谱振动光谱本讲稿第九页，共八十页材料结构分析的常用仪器主要利用各种电磁波或其他粒子和物质相互作用后所产生的吸收、发射、散射及干涉等现象。1.电磁波谱法；2.热分析；3.色谱法;4.电磁辐射的衍射与散射;5.电子分析法;本讲稿第十页，共八十页1、电磁波谱法通过各种波长的电磁波和被研究物质的相互作用，引起物质的某一个物理量的变化而进行。方法名称英文缩写紫外吸收光谱 UV荧光光谱法 FS红外吸收光谱法 IR拉曼光谱法 RAM核磁共振波谱法 NMR本讲稿第十一页，共八十页2、热分析在程控温度条件下，测量物质的物理性质与温度关系的一组技术，主要用量测量材料的热转变温度，力学状态及热降解。方法名称英文缩写热重法TG差热分析DTA示差扫描量热分析DSC静态热-力分析TMA动态热-力分析DMA动态介电分析DDA本讲稿第十二页，共八十页3、色谱法利用在互不相溶的两项中组分间分配有差异，经反复多次分配而将混合物进行分离和分析的物理化学方法。方法名称英文缩写液/气相色谱法LC/GC裂解气相色谱法PGC凝胶色谱法GPC本讲稿第十三页，共八十页4、电磁辐射的衍射与散射利用材料对不同波长的电磁辐射的散射与衍射现象来获得其内部结构信息。方法名称英文缩写广角X射线衍射WAXD小角X射线衍射SAXS小角光散射SALS本讲稿第十四页，共八十页5、电子分析法利用电子作为激发源或被检测对象，样品发生某些物理变化的一类分析技术。主要用于分析样品的组成、凝聚态结构与表面结构。方法名称英文缩写质谱分析法MS透射电子显微术TEM扫描电子显微术SEM光电子能谱ESCA本讲稿第十五页，共八十页二、本课程的主要内容二、本课程的主要内容1 1、X X射线衍射分析（射线衍射分析（XRDXRD：X-ray diffractionX-ray diffraction）X射线衍射分析主要用于物相分析和晶体结构的测定。它所获取的所有信息都基于材料的结构。本讲稿第十六页，共八十页日本岛津日本岛津XD-5A型型X射线射线粉末衍射仪粉末衍射仪 Philips X Pert MPD 多功多功能全自动能全自动X射线粉末衍射仪射线粉末衍射仪 本讲稿第十七页，共八十页2 2、核磁共振波谱仪、核磁共振波谱仪-NMR,(Nuclear Magnetic-NMR,(Nuclear Magnetic ResonanceResonance)在外磁场中，具有核磁矩的原子核，吸收射频能量，产生核自旋能级的跃迁。因此它是一种可用来研究物质的分子结构及物理特性的光谱学方法，也是众多光谱分析法中的一员。按照被测定对象可分为氢谱（1H-NMR)和碳谱(13C-NMR)。本讲稿第十八页，共八十页核磁共振氢谱是研究化合物中H原子核的核磁共振信息，可提供化合物中氢原子所处的不同化学环境和他们之间相互关系的信息，依据这些信息可确定分子的组成、连接方式、空间结构等。核磁共振碳谱是研究化合物中碳原子核的核磁共振信息，由于碳原子是有机化合物及高分子化合物的基本骨架，它可为有机分子的结构提供重要的信息，特别是高分子结构研究中，研究碳的归属具有重要的意义。本讲稿第十九页，共八十页3 3、电子显微镜（、电子显微镜（EMEM：electron microscopeelectron microscope）电子显微镜是用高能电子束作光源，用磁场作透镜制造的。电子显微镜:用来观察物体的形貌。具有高分辨率和高放大倍数的特点。在观察物体形貌的同时，还能测定物相的结构和微区化学成分。本讲稿第二十页，共八十页特征特征X X射线射线本讲稿第二十一页，共八十页1 1）透射电子显微镜（）透射电子显微镜（TEMTEM）(照片照片)透射电子显微镜是一种能够以原子尺度的分辨能力提供物理分析和化学分析所需全部功能的仪器。选区电子衍射技术功能能够使微区形貌与微区晶体结构分析结合起来，再配以能谱或波谱可以进行微区成份分析。本讲稿第二十二页，共八十页透射电子显微镜（TEM）特点：A、电子束透过薄膜样品 B、用于观察样品的形态C、通过电子衍射测定材料的结构，从而确 定材料的物相。本讲稿第二十三页，共八十页例如：EM420透射电子显微镜:加速电压20KV、40KV、60KV、80KV、100KV、120KV晶格分辨率 2.04点分辨率 3.4最小电子束直径约2nm倾转角度=60=30本讲稿第二十四页，共八十页2 2）扫描电子显微镜（）扫描电子显微镜（SEMSEM）(照片照片)扫描电子显微镜（SEM）以较高的分辨率和很大的景深清晰地显示粗糙样品的表面形貌，并以多种方式给出微区成份等信息，能用来观察断口表面微观形态，分析研究断裂的原因和机理等。本讲稿第二十五页，共八十页扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（SEMSEM）特点：特点：A、电子束在样品表面扫描 B、用于观察样品的形貌（具有立体感）C、通过电子束激发样品的特征X射线获取 样品的成分信息。本讲稿第二十六页，共八十页3 3）电子探针显微分析（）电子探针显微分析（EPMAEPMA，electrom probe electrom probe micro-analysismicro-analysis）类似于扫描电镜，电子探针是在扫描电镜的基础上配上波谱仪或能谱仪的显微分析仪器，它通过将电子束打在样品表面，激发样品的特征X射线通过波谱仪或能谱仪获取成分信息，进行微区的成分分析。本讲稿第二十七页，共八十页 电子探针可以对微米数量级侧向和深度范围内的材料微区进行灵敏和精确的化学成分分析，基本上解决了鉴定元素分布不均匀的困难。电子探针的仪器结构与扫描电镜的结构相似，但它偏重于成分分析。本讲稿第二十八页，共八十页4 4）光电子能谱（）光电子能谱（XPS/UPS/AESXPS/UPS/AES）本讲稿第二十九页，共八十页XPSXPS 用X射线作激发源轰击出样品中元素的内层电子，直接测量被轰击出的电子的能量，这能量表现为元素内层电子的结合能Eb。Eb随元素而不同，并且有较高的分辨力，它不仅可以得到原子的第一电离能，而且可以得到从价电子到K层的各级电子电离能，有助于了解离子的几何构型和轨道成键特性，是使用较为广泛的一种表面分析仪。本讲稿第三十页，共八十页三、课程的目的与要求1.仪器方法适用的范围，能提供的信息和解决的问题。2.实验方法方面：A、样品的要求与制备(如样品的状态、数量要求)B、实验条件的选定以及实验条件对测试结果产生 的可能影响。3.仪器和分析方法的基本原理。4.看懂学会分析一般（典型、较简单）的测试结果（图谱、图像等）。本讲稿第三十一页，共八十页第二章 材料X射线衍射分析本章内容 第一节 X射线衍射法概述 第二节 X射线分析法原理 第三节 X射线衍射强度 第四节 广角X射线衍射法 第五节 多晶X射线衍射的应用 第六节 X射线的应用及最新进展 本讲稿第三十二页，共八十页第一节第一节 X X射线衍射法概述射线衍射法概述一、一、X X射线衍射分析历史射线衍射分析历史二、二、X X射线的产生与射线的产生与X X射线管射线管三、三、X X射线的本质射线的本质四、四、X X射线谱射线谱五、五、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用六、六、X X射线的安全防护射线的安全防护 本讲稿第三十三页，共八十页第一节第一节 X X射线衍射法概述射线衍射法概述一、一、X X射线衍射分析历史射线衍射分析历史 1895年11月8日，德国物理学家伦琴在研究真空管的高压放电时，偶尔发现一种具有较强穿透能力的射线-X射线。本讲稿第三十四页，共八十页1912年德国物理学家劳埃用实验证明了X射线具有波动性，发现X射线能通过晶体产生衍射现象，证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性，导出了著名的冯.劳埃方程，开创了X射线晶体学这一新领域。1913年，英国物理学家V.H布拉格和W.L布拉格提出了晶面“反射”X射线概念，推导出了著名的布拉格方程，为X射线衍射提供了理论基础。本讲稿第三十五页，共八十页1913-1914年，莫赛莱发现了原子序数与发射X射线的频率之间的关系-莫赛莱定律。并由此研发出X射线发射光谱（电子探针）和X-射线荧光分析。1916年，德拜、谢乐提出采用多晶体试样的“粉末法”，给X射线衍射分析带来了极大的方便。1928年，盖革、弥勒首先用计数器来记录X射线，从而产生了衍射仪。康普顿、巴克拉、德森霍费等获得诺贝尔物理/化学奖；本讲稿第三十六页，共八十页20世纪70年代，X射线断层技术-CT出现；X射线被广泛用于治疗，美术古董珍品真伪的鉴定。本讲稿第三十七页，共八十页X射线衍射分析在材料科学中的应用大体可归纳为四类：1、晶体结构研究；2、物相分析定性和定量分析；3、精细结构宏观、微观应力测 定分析；4、单晶体取向及多晶织构的测定。本讲稿第三十八页，共八十页二、二、X X射线的产生与射线的产生与X X射线管射线管常用的靶材常用的靶材：Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag冷却系统，窗口：冷却系统，窗口：Be,Al,Be,Al,云母云母10-6Torr本讲稿第三十九页，共八十页旋转阳极（转靶）旋转阳极（转靶）X X射线管射线管 一般的X射线管在3550kV，1040mA的范围内使用，允许负荷约为100W/mm2左右。旋转阳极的X射线管最大功率密度可达5000W/mm2左右。最大管流可达到500mA左右。电子同步辐射加速器作为电子同步辐射加速器作为X X射线源，射线源，为X射线衍射提供高强度、低分散、连续可调的脉冲偏振光。本讲稿第四十页，共八十页三、三、X X射线的本质射线的本质 X射线和光相同，是一种电磁波，显示波-粒二相性，但波长较光更短一些。X射线的波长范围如图所示在0.001-10nm。0.005-0.01 nm 用于金属探伤，0.05-0.25nm用于晶体结构分析本讲稿第四十一页，共八十页 X射线的粒子性表现在它是由大量的不连续的粒子流构成的。它具有一定能量和动量。能量和动量p与X射线光子的频率和波长之间的关系如下：h 普朗克常数，为 6.625x10-34 JS c 光速，为 2.998x108 m/s本讲稿第四十二页，共八十页四、四、X X射线谱射线谱 从X射线管发出的X射线，可分为以下两种：本讲稿第四十三页，共八十页1 1、具有连续波长成分的连续、具有连续波长成分的连续X X射线射线 从X射线管中发出的X射线也不是单一波长（单色）的，而是包含有许多不同波长的X射线。这些波长构成连续的光谱，包括从某一最小值最小值开始的一系列连续波长的幅射。它与可见光中的白光相似，故称白色X射线。本讲稿第四十四页，共八十页连续连续X X射线射线 按量子理论，当能量为eV的高速的电子撞击靶中的原子时，电子失去自己的能量。其中大部分转化为热能。一部分以光子（X射线）的形式幅射出。每撞击一次就产生一个能量为hv的光子。由于单位时间内到达靶表面的电子数量很多，但大多数电子还经过多次碰撞，因此，各个电子的能量各不相同，产生的X射线的波长也就不同。于是产生了一个连续的X射线谱。本讲稿第四十五页，共八十页其中少数电子在一次碰撞中就将能量全部转化为光子，因此它产生的光子能量最大，波长最小。其短其短波限波限0 0取决于能量最大电子取决于能量最大电子，并与管压有关。并与管压有关。大多数的电子经过多次碰撞，能量逐步地释放，产生的光子能量也相应减小，波长大于0。由于X射线的强度取决于光子的数目。所以连续X射线谱的最大值不在0的位置。本讲稿第四十六页，共八十页本讲稿第四十七页，共八十页短波限X射线管发射连续X射线的效率当用钨（Z=74）作为阳极，管压为100KV，效率为1%本讲稿第四十八页，共八十页 2、特征特征X X射线谱射线谱 高能电子把原子的内壳层电子打出，使原子电离，外壳层电子向内壳层电子跃迁，跃迁的能量差转化为一个X射线的光子。由于对一定种类的原子，各层能量是一定的，频率不变，具有代表原子特征的固定波长，故称为特征X射线。本讲稿第四十九页，共八十页 特征谱的波长不受管压和管流的影响，只决定于阳极靶材的原子序数。对一定材料的阳极靶，产生的特征谱的波长是固定的，此波长可作为阳极靶材的标志或特征。本讲稿第五十页，共八十页本讲稿第五十一页，共八十页LK为K，MK为K 3、特征谱的产生X射线频率和波长：本讲稿第五十二页，共八十页 电能级间的能量差并不是均等分布的，愈靠近原子核的相邻能级间能级差愈大，所以同一靶材的K、LM系谱线中，以K系谱线的波长最短；同一线系各谱线间，本讲稿第五十三页，共八十页K波长比K长，K与K强度比约为5:1。K还分为K1和K2两条线。K1和K2强度比约为2:1，本讲稿第五十四页，共八十页不同靶材的同名特征谱线，其波长随靶材原子序数Z的增大而变短-莫塞莱定律 特征X射线的辐射强度随管压U和管流i的增大而增大，K系谱线强度的经验公式为：U=3Uk-5Ukn约为1.5，本讲稿第五十五页，共八十页本讲稿第五十六页，共八十页五、五、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 I0,0热能热能透射透射X射线射线散射散射X射线射线(=0相干散射和相干散射和0非相干散射非相干散射)电子（反冲电子，俄歇电子，光电子）电子（反冲电子，俄歇电子，光电子）荧光荧光X射线射线 X X射线与物质的作用射线与物质的作用本讲稿第五十七页，共八十页1、X射线的散射1 1）相干散射（汤姆逊散射）相干散射（汤姆逊散射）A、与物质原子中束缚较紧的电子作用。B、散射波随入射X射线的方向改变了，但频率 （波长）相同。C、各散射波之间符合振动方向相同、频率相 同、位相差恒定的干涉条件（=n），可产生干涉作用。相干散射是X射线在晶体产生衍射的基础。本讲稿第五十八页，共八十页2）非相干散射（康普顿散射）非相干散射（康普顿散射）A、X射线作用于束缚较小的 外层电子或自由电子。B、散射X射线的波长变长了。本讲稿第五十九页，共八十页散射X射线波长的改变与传播方向存在如下的关系：C、由于散射X射线的波长随散射方向而变，不能产生 干涉效应。故这种X射线散射称为非相干散射。非相干散射不能参与晶体对X射线的衍射，只会在衍射图上形成不利的背景。本讲稿第六十页，共八十页2 2、X X射线的吸收射线的吸收 I0,0热能热能透射透射X射线射线散射散射X射线射线(=0相干散射和相干散射和0非相干散射非相干散射)电子（反冲电子，俄歇电子，光电子）电子（反冲电子，俄歇电子，光电子）荧光荧光X射线射线 X X射线与物质的作用射线与物质的作用本讲稿第六十一页，共八十页 物质对X射线的吸收指X射线能量在经过物质时转变为其它形式能量的效应。它主要包括光电效应（二次特征幅射）和俄歇效应等。本讲稿第六十二页，共八十页 1）光电效应当用X射线轰击物质时，若X射线的能量大于物质原子对其内层电子的束缚力时，入射X射线光子的能量就会被吸收，从而导致其内层电子（如K层电子）被激发，并使高能级上的电子产生跃迁，发射新的特新的特征征X X射线射线。本讲稿第六十三页，共八十页 我们称X射线激发的特征X射线为二次特征X射线或荧光X射线。这种以光子激发电子所发生的激发和幅射过程称为光电效应。被击出的电子称光电子。本讲稿第六十四页，共八十页 2）俄歇效应当高能级的电子向低能级跃迁时，能量不是产生二次X射线，而是被周围某个壳层上的电子所吸收，并促使该电子受激发逸出原子成为二次电子。这种效应是俄歇1925年发现的。故称俄歇效应，产生的二次电子称俄歇电子。本讲稿第六十五页，共八十页 二次电子具有特定的能量值。可以用来表征这些原子。利用该原理制造的俄歇能谱仪主要用于分析材料表面的成分。本讲稿第六十六页，共八十页3 3、X X射线的衰减规律与吸收系数射线的衰减规律与吸收系数 X射线通过物质时，X射线强度衰减了。其中，因散射引起的衰减远远小于因吸收导致的衰减量。因此，可以近似地认为，X射线通过物质后其强度的衰减是由于物质对它的吸收所造成的。本讲稿第六十七页，共八十页 衰减的程度可以用吸收系数来表征：I0和IX分别是入射和透过物质后X射线的强度,x为厚度，为物质的线吸收系数。本讲稿第六十八页，共八十页 线吸收系数的意义是当X射线通过物质时,在X射线传播方向上,单位长度上X射线强度的衰减程度(cm-1)。它与物质的种类、密度和X射线波长有关。由于线吸收系数与物质的密度有关，计算起来不方便。因此，实际中最常用的是物质的质量吸收系数 m:本讲稿第六十九页，共八十页质量吸收系数的意义是单位质量物质对X射线的衰减程度。质量吸收系数与物质的密度和状态无关，而与物质的原子序数（即原子的种类）和入射X射线的波长有关。它们的关系为：K为常数。吸收系数反映了不同物质对X射线的吸收程度。本讲稿第七十页，共八十页吸收限吸收限是吸收元素的特征量，不随实验条件而变。其波长对应特征X射线的激发电压。（K吸收限)本讲稿第七十一页，共八十页4、吸收限的应用（1）阳极靶的选择 对于每一试样而言，所选靶的K应比试样的吸收限稍长一些，或者短很多，这样不会引起样品的荧光辐射。本讲稿第七十二页，共八十页原则是：Z靶Z样品+1 或 Z靶Z样品应当避免使用比样品中的主元素的原子序数大2-6(尤其是2)的材料作靶材的X射线管。实际工作中最常用的是Cu及Fe和Co靶的管。Cu靶适用于除Co、Fe、Mn、Cr等元素为主的样品本讲稿第七十三页，共八十页例如:铁为主的样品，选用Co靶,不选用Ni或Cu靶。本讲稿第七十四页，共八十页(2)滤光片的选择 利用吸收限两边吸收系数相差十分悬殊的特点，可制成X射线滤光片。K系特征谱线包括K和K两条线，如果选择适当的材料，使其K吸收限波长k正好位于所用的K和K的波长之间，通过强烈吸收K线，而对K线吸收很少，从而获得单色K辐射。本讲稿第七十五页，共八十页本讲稿第七十六页，共八十页几种元素几种元素K K系射线波长和常用的滤波片及其吸收限系射线波长和常用的滤波片及其吸收限 。本讲稿第七十七页，共八十页滤波片的材料依靶的材料而定：一般采用比靶材的原子序数小1或2的材料。当Z靶40时，Z滤=Z靶-1 当Z靶40时，Z滤=Z靶-2本讲稿第七十八页，共八十页 晶体单色器实际上就是一种反射本领强的晶体，其表面做成与某个反射本领大的晶面平行。当一束多色X射线照射到此单晶片上时，就只有符合布拉格条件的单色射线才能被反射，因而就得到了纯的单色X射线。本讲稿第七十九页，共八十页六、六、X X射线的安全防护射线的安全防护 X射线对人体有一定的危害。长时间的照射，会引起不良的后果。在进行X射线分析应该注意对X射线的防护，不要让X射线直接照射人体。可用一些重金属材料，如铅等进行屏蔽。本讲稿第八十页，共八十页