现代材料检测技术及检测方法复习要点

现代材料检测技术及检测方法复习要点
一．热分析
定义：热分析是在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度之间关系的一类技术。

1.热重分析（Thermogravimetry，TG）
定义：热重法是在程序控温下，测量物质的质量与温度或时间的关系的方法，通常是测量试样的质量变化与温度的关系。

影响因素：升温速度，气氛，样品的粒度和用量，试样皿温度的标定
2.差热分析（Differential Thermal Analysis，DTA）
定义：差热分析是在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差与温度关系的一种技术。

差热分析曲线描述了样品与参比物之间的温差(ΔT)随温度或时间的变化关系。

影响因素：气氛和压力的选择，升温速率的影响和选择，试样的预处理和粒度，参比物的选择，纸速的选择
3.差示扫描量热分析（Differential Scanning Calorimetry，DSC）；
定义：差示扫描量热法(DSC)是在程序控温下，测量物质和参比物之间的能量差随温度变化关系的一种技术
4.差热重分析（Differential Thermogravimetry, DTG）
DTG曲线是TG曲线对温度或时间的一阶导数，即质量变化率
5.在DTA曲线中，吸热效应用谷来表示，放热效应用峰来表示所不同的是：在DSC曲线中，吸热(endothermic)效应用凸起正向的峰表示凹下的谷表示(热焓增加)，放热(exothermic)效应用凹下的谷表示(热焓减少)。

二．电镜分析
1.定义：TEM用聚焦电子束作照明源，使用于对电子束透明的薄膜试样，以透过试样的透射电子束或衍射电子束所形成的图像来分析试样内部的显微组织结构。

2.为什么采用电子束而不用自然光？
决定因素1）显微镜的分辨率2）自然光与电子束的波长3）有效放大倍数
透射电镜的有效放大倍数M=人眼的分辨率（0.2mm）/投射电镜的分辨率
（0.1nm），而光学显微镜的分辨率为200mm。

由显微镜的分辨率与光源的波长决定了透射电子显微镜的放大倍率远大于普通光学显微镜；
3.场深是指在保持象清晰的前提下，试样在物平面上下沿镜轴可移动的距离，或者说试样超越物平面所允许的厚度。

焦深是指在保持象清晰的前提下，象平面沿镜轴可移动的距离，或者说观察屏或照相底版沿镜轴所允许的移动距离。

4.TEM的制样方法：a.粉末法b.化学减薄法c.双喷电解减薄法d.离子减薄法
e.复型法
5.衬度：是指两像点间的明暗差异，差异越大，衬度越高，图像就越清晰
质厚衬度（又称吸收衬度）：由于试样的质量和厚度不同，各部分与入射电子发生相互作用，产生的吸收与散射程度不同，而使得透射电子束的强度分布不同，形成反差，称为质厚衬度（非晶体成像）
衍射衬度：衍射衬度主要是由于晶体试样满足布拉格衍射条件的程度差异以及结构振幅不同而形成电子图象反差。

（晶体成像）
6.明场像（BF）：让透射束通过物镜光阑，将衍射电子束挡去（仅让透射束通过）而得到图像。

直射电子成像，像清晰。

暗场像（DF）：将物镜光阑移动到挡住透射束的位置，仅让hkl衍射束通过所形成的图像。

散射电子成像，像有畸变、分辨率低
7.影响因素：原子种类和厚度，质量和密度差异及晶面取向
质厚衬度受物镜光阑孔径和加速V的响影响
8.SEM:利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的
9.SEM的特点：1）分辨本领高2）有效放大倍数高3）景深长4）制样简单5）电子损伤小
10.（1）背散射电子是被固体样品中原子反弹回来的一部分入射电子。

（不仅能做形貌分析，还可定性作成分分析）特点：其产额能随样品原子序数的增大而增多
（2）二次电子是指入射电子束轰击出来并离开样品表面的样品中的核外电子（样品表面形貌分析）特点：能量较低；一般在表层深度范围内发射出来，对样品表面形貌非常敏感（3）如果被分析的样品很薄，则有一部入射电子穿过薄样品而成为透射电子。

特点：只有样品的厚度小于入射电子的有效穿入深度时，才会产生
（4)当入射电子的能量足够大，使样品原子的内层电子被激发或电离，此时外层电子向内层跃迁以填补内层电子的空位，从而辐射出具有原子序数特征的特征X射线,特点：反映了样品中原子序数特征。

外层的另一个电子吸收而摆脱原子核的束缚而逃离出来，这个被电离的电子称为俄歇电子。

(表面层成分分析)特点：俄歇电子能量很低，并且具有反映原子序数的特征能量；
11.扫描电镜的结构：电子光学系统. 信号收集处理、图像显示和记录系统.真空系统。

12.TEM的主要性能参数：（1）分辨率：影响因素电子束直径约细，分辨率越高；信号种类；检测部位的原则系数（2）放大倍数：介于光学显微镜和透射电镜之间（3）场深：是指电子束在试样上扫描时，可获得清晰图像的深度范围。

13.SEM原理与TEM的主要区别：1）在SEM中电子束并不像TEM中一样是静态的在扫描线圈产生的电磁场的作用下，细聚焦电子束在样品表面扫描。

2）由于不需要穿过样品，SEM的加速电压远比TEM低；在SEM中加速电压一般在200V 到50 kV范围内。

3）
样品不需要复杂的准备过程，制样非常简单
三．色谱分析
1.定义：利用物质的物理化学性质建立的分离、分析方法
2.色谱法的特点优点：高选择性；高效能；高灵敏度分析速度快；应用范围广
缺点：对未知物分析的定性专属性差；需要与其他分析方法联用3.四种分离机制
（1）吸附色谱法
分离机制：各组分与流动相分子争夺吸附剂表面活性中心利用吸附剂对不同组分的吸附能力差异而实现分离
要求：固定相→吸附剂（硅胶或AL2O3）具有表面活性吸附中心
Ka与组分的性质、吸附剂的活性、流动相的性质及温度有关
（2）分配色谱法
分离机制：利用组分在流动相和固定相间溶解度差别实现分离连续萃取过程
要求：固定相→机械吸附在惰性载体上的液体；流动相→必须与固定相不为互溶
载体→惰性，性质稳定，不与固定相和流动相发生化学反应
K与组分的性质、流动相的性质、固定相的性质以及柱温有关
（3）离子交换色谱法
分离机制：依据被测组分与离子交换剂交换能力（亲和力）不同而实现分离
要求：固定相→离子交换树脂；流动相→水为溶剂的缓冲溶液
被分离组分→离子型的有机物或无机物
Ks与离子的电荷数、水合离子半径、流动相性质、离子交换树脂性质以及温度有关
（4）空间排阻色谱法
分离机制：利用被测组分分子大小不同、在固定相上选择性渗透实现分离
要求：固定相→多孔性凝胶流动相→水——凝胶过滤色谱
流动相→有机溶剂——凝胶渗透色谱
Kp仅取决于待测分子尺寸和凝胶孔径大小，与流动相的性质无关
总结:四种色谱的分离机制各不相同，分别形成吸附平衡、分配平衡.离子交换平衡和渗透平衡K分别为吸附系数，狭义分配系数，选择性系数和渗透系数;除了凝胶色谱法中的K仅与待测分子大小尺寸、凝胶孔径大小有关外，其他三种K值都受组分的性质、流动相的性质、固定相的性质以及柱温的影响
4.保留时间tR：从进样开始到某组分色谱峰顶（浓度极大点）的时间，即组分在色谱柱中的停留时间或组分流经色谱柱所需要的时间。

死时间t0或tm：分配系数为零的组分的保留时间，即流动相流经色谱柱所需要的时间（又称流动相保留时间）。

分配系数K（平衡常数）：指在一定温度和压力下，组分在色谱柱中达分配平衡后，在固定相与流动相中的浓度比
色谱分离前提→各组分分配系数不等;色谱条件一定时，tR主要取决K的大小
tR=t0(1+K*(vS/vM))
四．光谱分析
1定义：利用物质与电磁辐射作用时，物质内部发生量子化能级跃迁而产生的吸收、发射或散射辐射等电磁辐射的强度随波长变化的定性、定量分析方法。

2 红外光来自分子振动和转动能级的跃迁γ射线能量最高，来源于核能级跃迁紫外光来自原子和分子外层电子能级的跃迁χ射线来自内层电子能级的跃迁3.紫外-可见吸收光谱（UV）的产生：由于分子吸收紫外-可见光区的电磁辐射，分子中价电子（或外层电子）的能级跃迁而产生（吸收能量=两个跃迁能级之差）
4.能量：σ<π<n <π*<σ*（激发态）
5.σ→σ*跃迁：饱和烃（甲烷，乙烷）E很高，λ<150nm（远紫外区）
n →σ*跃迁：含杂原子饱和基团（—OH，—NH2）E较大，λ150~250nm（真空紫外区）π→π*跃迁：（K带）不饱和基团（—C＝C—，—C ＝O ）E较小，λ~ 200nm体系共轭，E更小，λ更大
E带：由苯环环形共轭系统的π→π*跃迁产生B带：芳香族化合物的主要特征吸收带
n→π*跃迁：（R带）含杂原子不饱和基团（—C ≡N ，C＝O ）E最小，λ200~400nm （近紫外区）注：1.紫外光谱电子跃迁类型属于第三第四种
2.饱和化合物无紫外吸收电子跃迁类型与分子结构及存在基团有密切联系6.生色团（发色团）：能吸收紫外-可见光的基团有机化合物：具有不饱和键和未成对电子的基团具n 电子和π电子的基团产生n→π*跃迁和π→π*跃迁跃迁E较低例：C＝C；C＝O；C＝N；—N＝N—
7.助色团：本身无紫外吸收，但可以使生色团吸收峰加强同时使吸收峰长移的基团
有机物：连有杂原子的饱和基团例：—OH，—OR，—NH—，—NR2—，—X
8. 吸收峰位置向长波方向的移动，叫红移（长移），向短波方向移动，叫蓝移（紫移，短移）
9.振动光谱：所谓振动光谱是指物质分子或原子基团的振动所产生的光谱。

10.振动类型：伸缩振动（键长变化，双原子振动类型）分为对称伸缩振动和非对称伸缩振动；弯曲振动（键角变化，多原子）分为面内振动（简式振动和平面摇摆）面外振动（非平面摇摆和扭曲振动）
11.对于非线性分子，振动自由度 = 3n - 6 （H2O 3）对于线性分子，振动自由
度 = 3n - 5 (H2O 4)
12振动吸收的条件：1.振动的频率（IR）与光谱中某段频率相同，或者说，IR光的某些光子能量要与振动能相吻合。

2.振动必须引起偶极矩变化，才是IR活性的。

即正负电荷中心的间距发生变化。

——IR活性振动。

13定义：物质因受红外光的作用，引起分子或原子基团的振动（热振动），从而产生对红外光的吸收。

利用物质对不同波长红外光的吸收程度进行研究物质分子的组成和结构的方法，称为红外吸收光谱法
14.红外光谱的制样方法：固体样品（压片法，调糊法，薄膜法，粉末法）液体样品（液膜法）气体样品
15.红外吸收光谱的特点：优点：特征性高。

特征性高。

操作方便、速度快、重复性好。

测量范围广缺点：灵敏度和精度不够高。

多用于定性分析。

有些物质不能产生红外吸收光谱。

例如原子（Ar、Ne、He等），单原子离子（K+、Ca2+等），同质双原子分子（H2、O2、N2
16.影响基团特征频率的因素：1.诱导效应2 .共轭效应3. 环张力效应4.氢键效应5.耦合效应
17.拉曼光谱：由分子振动、固体中的光学声子等元激发与激发光相互作用产生的非弹性散射称为拉曼散射，一般把瑞利散射和拉曼散射合起来所形成的光谱称为拉曼光谱
18.电子能谱学的定义:电子能谱学可以定义为利用具有一定能量的粒子（光子，电子，粒子）轰击特定的样品，研究从样品中释放出来的电子或离子的能量分布和空间分布，从而了解样品的基本特征的方法
五．能谱分析
1.为什么说能谱分析是表面分析技术？
电子能谱学与表面分析有着不可分割的关系。

电子能谱学中的主要技术均具有非常灵敏的表面性，是表面分析的主要工具。

表面分析技术的发展，同样也就促进了电子能谱学的发展。

电子能谱学的特点是其表面性以及价态关系，这决定了电子能谱在表面分析中的地位。

2.光电效应：hv = EB + EK其中hv为光子的频率，EB 是内层电子的轨道结合能，EK 是被入射光子所激发出的光电子的动能。

3.AES的特点：受价态,结合态，表面势厽影响。

与XPS相比，优点如下：
（1 可用电子激发，并形成聚焦（XPS只能用X、UV）；
（2可扫描得到AuE象，直观反映表面；（3电子束流可调小，使空间分辨率提高。

4.AES的应用：（1元素定性（2 定量分析（3 元素价态、结合态的研究。

六．X射线衍射
1.。

定义：X 射线物相定性分析是根据晶体对X射线的衍射特征即衍射线的方向及强度来达到鉴定结晶物质的。

2.布拉格方程：光程差&＝AB＋BC＝2dhkl/sinθ
衍射条件：2dhkl sin=n得2dsinθ=nλ（n为衍射级数，2角是入射线和衍射线之间的夹角，习惯上称2角为衍射角，称为Bragg角，或衍射半
角。

λ为射线波长，d为晶面间距）一级衍射，Bragg方程可以改写为：
2d sinθ=λ
七．电子能谱。