《材料研究方法》(研)

3、在1912年前后，William Henry Bragg用电离分光计研究X射 线谱，并用以测量衍射线的方向和强度。他发现X射线谱中 除有连续光谱外，尚有波长取决于靶材的特征光谱，它可 为晶体衍射提供波长单一、强度集中的特征X射线。金刚石 是第一个应用特征射线的衍射数据测定结构的晶体，下图 中示出了金刚石的结构。 W.H.Bragg的儿子William Lawrence Bragg对X射线衍射研 究也感兴趣。1912年夏，W.L.Bragg利用NaCl、KCl、ZnS 等晶体进行X射线衍射实验，他将晶体出现衍射看作晶体中 原子面的反射，测定出NaCl、KCl、ZnS等第一批晶体的结 构，同时推导出满足衍射条件的Bragg方程。 1914年，W.L.Bragg发表了金属铜的晶体结构。这一结构 提供了金属中原子进行密堆积的实验数据。证实了 W.Barlow（巴罗）关于金属中原子密堆积的模型。1915年 布拉格父子获得诺贝尔奖。
1 . 单晶晶体结构研究 早期研究晶体结构主要采用单晶的劳埃法和晶体旋转法， 特别是与计算机配合后，四圆衍射法使晶体结构的测定效率 和精度大提高了。 2 . 物相定性、定量分析和点阵参数测定 3. 宏观残余应力测定与织构研究 通过对残余应力和织构的研究，对生产和应用材料很有 意义。 4. 微结构研究 包括晶粒尺寸、外形、尺寸分布和晶体内的微应变、缺 陷和堆垛层错等，这些都与线形有关。 5. 从头解晶体结构 6. 原位动态分析 7. 薄膜分析 8 . 微区试样分析
第一节： X射线 的物理基础
一、 X射线的源自文库质
1、 X射线的性质 2、 X射线的获得
二、 X射线谱
1、定义 2、分类
三、 X射线与物质的相互作用
四、 X射线的衰减
一、 X射线的性质
1、 X射线的性质
肉眼看不见，但可使底片感光； 沿直线传播，传播方向不受电磁场的影响； 具有很强的穿透能力； 穿过物质时，可被偏振化，并被物质吸收而使 强度衰减； 能使空气或其他气体电离； 能杀伤生物细胞、对人体有害等。
我们研究材料就是通过改变材料的组成、 结构、组织，来达到提高和改善材料的 使用性能的目的。
我们可用材料四面体来形象的进行描述：
使用性能
晶体结构 显微组 织
化学组成
在材料四面体中，生产工艺决定 晶体结构和显微组织。 材料科学与材料工程的区别就在 于：材料科学主要研究四组元之 间的关系；而材料工程则研究如 何利用这四组元间的关系来研究 开发新材料、新产品。
二、 X射线谱
1、定义： X射线强度随波长变化的曲线。 2、分类 （1）连续的X射线谱 （2）特征的X射线谱 Kβ
衍射现象，确定了X射线的电磁波性和晶体结构的周期性。
1914年劳埃获得诺贝尔物理奖。 Laue Equation:
Laue实验及后来证实了： • X射线具有波粒二象性，它波长短，光子能量(E=hυ) 大。
• X射线和其它电磁波一样，能产生反射、折射、散射、干涉、 衍射、偏振和吸收等现象。
• X射线波长介于紫外线和γ-射线之间，波长范围0.01-100Å。
2.微观结构分析
▲ 微观结构分析主要分析材料的微观晶 体结构，即材料由哪几种晶体组成，晶 体的晶胞尺寸如何，各种晶体的相对含 量多少等。 ▲ 结构分析常用的方法有：ＸＲＤ法、 TEM法、TG法、ＤＴＡ法、红外法等。 这些方法以及所用的仪器设备是我们要 学习的重点。
3.显微组织分析
• 主要是分析材料的微观组织形貌。 • 显微组织分析常用的分析手段有：普通光 学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、 透射电子显微镜(TEM)以及原子力显微镜 (AFM)等。 • 本课程主要学习ＳＥＭ和ＴＥＭ的原理及 分析方法。
参考书：
• 《材料研究与测试方法》张国栋主编，冶金工 业出版社 • 《材料近代分析测试方法》常铁钧 邹欣主编 哈工大版 • 《无机材料显微结构分析》周志超等编、浙大 版 • 《材料现代分析方法》左演声等主编、北京工 大版 • 《现代材料研究方法》 王世中 臧鑫士主编 北 京航空航天大学版 • 《材料分析方法》周玉主编，机械工业出版社
4、1922年10月，美国芝加哥大学康普顿（Arthur Holly Compton）教授与中国研究生吴有训研究X射线非相干散
射促进了X射线学的发展。他们发现当X射线光子与照射
物质中束缚力不太大的外层电子碰撞时，电子一部分能量 成为反冲电子，而原光子却因碰撞而损失能量，使X射线 波长增加，以减少能量增加波长的形式改变传播方向，成 为非相干散射。这是从量子论出发设想的，而实验现象是
1922年10月康普顿和吴有训发现的，故称康-吴效应。这
一实验的成功为爱因斯坦1905年提出的光量子假说提供了 有力证据。1927年康普顿也因此获得诺贝尔奖。
二、X射线衍射仪的发展 1 、从劳埃的简单的硫酸铜单晶装置、旋转晶体法到四圆衍射 仪，研究单晶晶体结构、对称性等。 2 、1916年德国科学家德拜（Debye）、谢乐（Scherrer）， 1917年美国科学家Hull提出通过粉末状晶体研究物相组成、 含量等，并发明了Debye照相法。 3 ．20世纪 40年代后期，基于光子计数器的发明，根据Bragg和 Brentano提出思想，采用计数器作为X射线探测器的衍射仪的 研制，使衍射谱图的测量分析方便、快速、准确。粉末衍射 仪在各主要领域中取代了照相法成为进行晶体结构分析的最 主要设备。 4 、20世纪70年代．同步辐射强光源和计算机技术的应用使得 多晶体衍射技术更有了突飞猛进，大大提高X射线衍射的分 辨率和准确性，实现仪器运行与图谱分析自动化。特别是数 字衍射谱的获得，Rietveld全谱拟合技术的应用，拓展了应用 范围，使多晶体衍射从头解晶体结构成为可能。
本课程研究的内容:
研究生产无机非金属材料的原料和 制品的化学组成、显微结构以及生 产工艺过程中的变化规律的研究方 法。即用什么设备、仪器、如何研究？
在材料研究中,做形貌和结构分析一般可根据分析目的选用下面的分析方法: 分析方法 分析目的
光学显微术(如金相、岩相等) 透射电子显微术﹡ 扫描电子显微术﹡ 投影式或接触式X射线显微术 显微自射线照相术 各种常量化学分析 微区分析
X射线的本质：属于电磁波 波长：10-2—102埃之间，介于射线和紫外线之间
2、 X射线的强度
定义：指单位时间内通过垂直X射线方向的单位 面积上的光子数目（单位面积上的光子流率） 单位：尔格/ 厘米2· 秒（实际使用的单位是CPS 表示每秒钟探测到光子数） X射线的强度用大写字母I表示， X射线的剂量 表示光子的能量大小，单位用伦琴（R）表示。 在X射线衍射分析中，用的是强度而不是剂量。
第一章 射线衍射分析 第一章 X X 射线衍射分析
本章主要讲以下内容： ● X射线的物理基础； ●晶体的点阵结构（简介）； ●X射线衍射几何条件（重点讲Bragg定律）； ●X射线衍射束的强度； ●多晶体的物相定性分析和定量分析； ●X射线衍射仪（XRD）的原理、结构和应用； ●晶粒度的测定及X射线衍射分析在其他方面的 应用。
1922年10月康普顿和吴有训发现的，故称康-吴效应。这
一实验的成功为爱因斯坦1905年提出的光量子假说提供了 有力证据。1927年康普顿也因此获得诺贝尔奖。
三、在材料科学研究中的应用 X射线衍射分析的应用在材料研究中发挥重大作用。X射 线衍射分析在晶体结构，特别是纳米材料的结构研究、材料 的相分析和原位无损化学成分分析、材料的织构分析、材料 残余应力和微观应变（晶格畸变、点缺陷、层错等）研究等 方面发挥了巨大和不可替代的作用。 X射线粉末衍射分析的应用更为广泛，通过对衍射峰强度 准确测量，使物相分折从定性发展到定量；点阵常数的测定 ；通过对衍射峰峰形〔也称衍射线线形〕的分析来测定多晶 聚集体的某些性质，如晶粒尺寸、外形和尺寸分布等；在此 基础上，又进一步发展到研究晶体的真实结构，如研究存在 于晶体内的微应变、缺陷和堆垛层错等，使X射线多晶体衍 射技术成为最重要的材料表征技术之一。
研究材料必须以正确的研究方法为前提。
研究方法从广义来讲，包括技术路线、实验 技术、数据分析等。其中，技术路线是非常 重要的，实验方法的选择也是十分关键的。 从狭义来说，研究方法就是某一种测试方法。 因为每一种实验方法均需要一定的仪器，所 以也可以说，研究方法指测试材料组成和结 构的仪器方法。
二、本课程研究的内容: 首先介绍材料科学的概念:材料科学 是研究材料的化学组成、晶体结构、 显微组织、使用性能四者之间关系 的一门科学。
形态学分析
(即组织形貌分析)
相分分析
X射线光谱和能谱术﹡ 各种电子能谱分析 X射线衍射﹡
结构分析
电子衍射﹡
红外光谱
穆斯堡尔谱等
1.化学组成分析：
主要研究原料和制品的化学组成。化学 组成分析也叫化学成分分析。常用的分 析方法有：普通化学分析；仪器化学分 析（包括ICP光谱、直读光谱、Ｘ射线荧 光光谱、激光光谱等等）。化学分析本 课程不介绍。因为化学分析的目的就是 知道化学成分含量，不管用那个分析方 法，只要能精确告诉我们结果就行。
四圆衍射仪(X射线单晶影像板系统)
4、1922年10月，美国芝加哥大学康普顿（Arthur Holly Compton）教授与中国研究生吴有训研究X射线非相干散
射促进了X射线学的发展。他们发现当X射线光子与照射
物质中束缚力不太大的外层电子碰撞时，电子一部分能量 成为反冲电子，而原光子却因碰撞而损失能量，使X射线 波长增加，以减少能量增加波长的形式改变传播方向，成 为非相干散射。这是从量子论出发设想的，而实验现象是
3、 X射线的发生
在高压作用下，阴极灯丝产生的电子在真空中 以极高的速度撞向阳极靶时，将产生X射线。 阳极靶的材料一般用重元素如：Cr、Fe、Co、 Cu、Mo、Au、W等，常规实验使用Cu靶。
图、 密封式X射线管构造示意图
管子的核心部件是阴极灯丝和阳极靶。灯丝一般由细的钨丝绕成一长的螺旋制 成，用来发射电子。热发射的电子在聚焦罩的作用下汇聚成线状，轰击在阳极靶面 上，发出韧致辐射及特征辐射。电子在靶面上焦斑的标准尺寸为1 mm ×10mm。由 于能转变为X射线的电子的能量只是总电子能量的一小部分，不足百分之几，其余的 均转变为热能，有可能把靶子烧熔。因此，为了连续得到X射线，阳极靶必须用流动 冷水冷却以带走热量，同时，靶子材料一般由传热性能良好的铜构成。在需要用非 铜辐射时，一般将其他金属涂敷或镶嵌于铜的基底上。管壳由金属和玻璃对接而成。
绪 论
一、X射线的发现与X射线学的发展 1、1895年11月W.C.Roentgen研究阴极射线 管时，发现一种有穿透力的肉眼看不见 的射线，称为X射线(伦琴射线)。当即在 医学上应用X射线透视技术。 Rontgen因 为发现了X射线，于1901年获得第一个诺 贝尔物理奖。
2、1912年劳埃(M.Von Laue)以晶体为光栅，发现了晶体的X射线
材料现代研究方法及测试技术
主讲: 吴建鹏
绪 论
一、材料研究的意义和内容：
材料科学的主要任务是研究材料。材料一般是指 可以用来制造有用的构件、器件或其他物品的物质， 也可以说是将原料通过物理或化学方法加工制成的 金属、无机非金属、有机高分子和复合材料的固体 物质。
不论何种材料都有一定的性能。材料的不同性能 是材料内部因素在一定外界因素作用下的综合反映。 材料的内部因素一般来说包括物质的组成和结构。
由于在阴阳极之间一般需加数万伏的高压，阳极接地而阴极为负高压，玻璃就是在
阴阳极之间及阴极和管座之间起绝缘作用。在X射线管壳上，一般开有四个窗口，两 个在长条形螺旋灯丝的两端，其中心与靶面中心的连线与靶面成5~100的角度，称取
出角。因此在垂直于上述连线的垂直面上看到的是一个点，是为点光源；而另两个
开在与长形灯丝平行的方向，其中心连线方向与长形螺旋灯丝的轴垂直，故得到的 是线焦点。四个窗口在同一个平面上。这种X射线管比之伦琴当时所用的阴极射线管 更复杂、精密和完善。更重要的是其功率大了许多，从几十瓦发展到几百瓦，甚至 数千瓦，一般铜靶的功率在2000W左右，钨、钼靶的功率可以更高。