材料现代分析方法绪论

扫描电镜
扫描隧道电 镜
OM
Ni-Cr合金的铸造组织
SEM
人类血细胞SEM照片
TEM
碳纳米管TEM照片
SPM
云母的表面原子阵列
图为IBM公司的Eigler博士用扫描探针显微镜(SPM)搬动 35个氙原子绘制的“IBM”字样。如果这种原子搬动技术 被巧妙使用的话，就完全可以绘制成美妙的原子艺术画。
不良品
良品
齿轮疲劳失效，是由于渗 碳处理不均匀，根本原因 在于硅的偏聚。
浸炭不 良部
不良品
Ｃ
良品
Ｓｉ
XPS X射线光电子能谱
3. 4 分子结构分析
利用电磁波与分子键和原子核的作用，获得分 子结构信息。
红外光谱（IR）、拉曼光谱（Raman）、荧 光光谱（PL）等是利用电磁波与分子键作用 时的吸收或发射效应；
而核磁共振（NMR）则是利用原子核与电磁 波的作用来获得分子结构信息的。
4设计材料的开发
对于新材料的发现和研制，材料开发循环过程为：
功能需求分析一确定性能指标一确定材料体系 和加工方法一材料成分设计和工艺参数优化性能 评价一应用产品失效分析，然后进入下一乾循环， 直至达到预定要求(如图)。
例：如何分析聚合物材料
绪论
1.材料现代分析方法的概念 2.材料分析的内容及相应的分析方法 3.材料分析的理论依据
3.1 组织形貌分析 3.2 相结构分析 3.3 成分和价键分析 3.4分子结构分析
4.设计材料的开发 5.本课程的结构和特点
1.材料现代分析方法
材料现代分析方法是关于材料分析测试技术及其有关理论的 一门课程。 成分、结构、加工和性能是材料科学与工程的四个基本要素， 成分和结构从根本上决定了材料的性能，对材料的成分和结 构的进行精确表征是材料研究的基本要求，也是实现性能控 制的前提。
通过力学性质变化研究分子运动——静态与动态热机械 分析仪；
通过电磁性质变化研究分子运动——介电松弛与核磁共 振；
通过体积变化研究分子运动——热膨胀计
课程内容
材料测试与研究方法概述 X射线衍射分析 透射电子显微分析 扫描电子显微分析 紫外、可见吸收光谱法 红外吸收光谱法 热分析 其它分析方法
第四部分 核磁共振波谱分析
基本知识点：
1、掌握核磁共振谱法的基本原理； 2、掌握核磁共振NMR化学位移和偶合常数的概念，核磁共振NMR化学位移的影响因素。 3、掌握核磁共振NMR自旋偶合峰分裂的规则。 4、掌握利用基团化学位移和自旋偶合峰分裂规则、积分面积分析H核磁共振谱图，确定物质的化学结构。 5、了解核磁共振谱法的仪器构造及分析过程。 6、掌握核磁共振谱法分析方法的应用，图谱解析。
X光谱包括X射线荧光光谱(XFS)和电子探计X射线显微分析 （EPMA）两种技术，
电子能谱包括X射线光电子能谱(XPS)、俄歇电子能谱 (AES)、电子能量损失谱(EELS)等分析手段。
EPMA
島津EPMA-1600
EDS应用举例（能量色散型X射线谱，Energy
Dispersive X-Ray Spectroscopy ）
基于其它物理性质或电化学性质与材料的 特征关系建立的色谱分析、质谱分析、电 化学分析及热分析等方法也是材料现代分 析的重要方法。但相对而言，上述四大类 方法在材料研究中应用得更加频繁，因此 本教材侧重介绍这四类常见的分析方法。
3. 材料分析的理论依据
尽管材料分析手段纷繁复杂，但它们也具有共 同之处。Βιβλιοθήκη 宏观结构肉眼的分辨率
显微结构 亚微观结构 微观结构
光学显微镜的分辨率
普通扫描电子显微镜的 分辨率
材料结构的层次：
结构层次 物体尺寸
研究对象
研究方法
宏观结构 > 100 m 大晶粒、颗粒集 团
显微结构 0.2-100m
多晶集团
肉眼、放大 镜
显微镜
亚显微结 构
微观结构
10-200 nm
< 10 nm
微晶集团 晶格点阵
这是中国科学院化 学所的科技人员利 用纳米加工技术在 石墨表面通过搬迁 碳原子而绘制出的 世界上最小的中国 地图。
纳米刻蚀是“从上而下”纳米制造方法的典型。北京大学 纳米中心的学者通过AFM针尖对基质Au-Pa合金上的机械 刻蚀，书写了世界上最小的唐诗（10微米×10微米)
3.2 物相分析
其共同的原理是： 利用电磁波或运动电子束、 中子束等与材料内部规则排列的原子作用产生 相干散射，获得材料内部原子排列的信息，从 而重组出物质的结构。
我们的目的
❖（1）正确选择材料分析、测试方法；
❖（2）看懂或分析一般的测试结果（图谱、图像等）；
❖（3）可以与分析测试人员共同商讨有关材料分析研 究的实验方案和分析较复杂的测试结果；
❖（4）具备专业从事材料分析测试工作的初步基础， 具备通过继续学习掌握材料分析测试的新方法、新技术 的能力。
五、本课程的重点与难点
材料分析方法定义
广义：包括
技术路线
实验技术
数据分析
狭义：某一种测试方法，如：
X射线衍射方法
电子显微术
红外光谱分析
核磁共振分析等
2.材料分析的内容
表面和内部组织形貌。包括材料的外观形貌（如纳米 线、断口、裂纹等）、晶粒大小与形态、各种相的尺 寸与形态、含量与分布、界面（表面、相界、晶界）、 位向关系（新相与母相、孪生相）、晶体缺陷（点缺 陷、位错、层错）、夹杂物、内应力。
五、本课程的重点与难点
第二部分 电子显微分析
基础知识点：
一、透射电子显微分析 1．掌握透射电子显微镜工作原理及构造。 2．掌握透射电镜基本成像操作，掌握成像操作、电子衍射操作、明场像、暗场像、中心暗场像的电子光路图。 3．掌握衬度、质厚衬度、衍射衬度的概念，掌握透射电子显微镜的像衬度原理和特点。 4．了解电子衍射的基本原理，电子衍射基本公式和电子波波长计算公式。 5．掌握透射电子显微镜的样品制备技术；掌握复型、投影、染色的概念及应用。 6．了解透射电子显微分析的在材料研究中的应用。 二、扫描电子显微分析 1．掌握电子与材料的相互作用所产生的各种信号（二次电子、背散射电子）及其特点。 2．掌握扫描电子显微镜的工作原理，了解扫描电子显微镜的构造。 3．掌握扫描电镜表面形貌衬度和成分衬度（原子序数衬度）的概念、衬度特点。 4．掌握扫描电镜的制样方法及要求，掌握扫描电镜在材料研究中的应用。 5．掌握电子探针的工作原理及工作方式。
利用衍射分析的方法探测晶格类型和晶胞常数， 确定物质的相结构。
主要的物相分析的手段有三种：x射线衍射 (XRD)、电子衍射(ED)及中子衍射(ND)。
XRD
t-ZrO2 ZrSiO4
Intensity
理学D/max 2000自动X射线仪
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Two Theta (degree)
晶体的相结构。各种相的结构，即晶体结构类型和晶 体常数，和相组成。
化学成分和价键（电子）结构。包括宏观和微区化学 成份（不同相的成份、基体与析出相的成份）、同种 元素的不同价键类型和化学环境。
有机物的分子结构和官能团。
四大类材料分析方法
相应地，材料分析方法分可以分为为形貌 分析、物相分析、成分与价键分析与分子 结构分析四大类方法。
重点：
• 第一部分 材料结构基础与X射线衍射分析----XRD
• 第二部分 电子显微分析 -----TEM，SEM
• 第三部分 红外光谱分析 -----FTIR
• 第四部分 核磁共振波谱分析 -----NMR
• 第五部分 热分析-----TA（DSC、DTA、TG、TMA、DMA）
• 综合分析
•
材料研究
聚合物结构的分析表征——
链结构——红外光谱、紫外光谱、荧光光谱、拉曼光谱、 电子能谱、核磁共振、顺磁共振、X射线衍射（广角）、 电子衍射、中子散射……；
聚集态结构——X射线衍射（小角）、固体小角激光光 散射、电子衍射、电子显微镜、光学显微镜、原子力显 微镜、热分析……。
聚合物性能的测定——
力学性能——拉伸、弯曲、剪切、压缩试验、冲击试验、 蠕变曲线、应力松弛曲线、高低频疲劳试验……；
五、本课程的重点与难点
第三部分 红外光谱分析
基本知识点：
1．理解红外吸收光谱分析的基本原理； 2．掌握红外光谱仪器基本构造及工作原理； 3．掌握红外光谱基团特征频率，基团特征频率的影响因素； 4．掌握利用红外光谱解析化合物基团频率的方法，图谱解析。典型基团的基团频率，如：－OH、－NH2、 C≡N、饱和C－H、不饱和C－H、苯环上C－H、苯环骨架、C＝C等。 5．了解激光拉曼光谱法的基本原理及应用，退偏比；
五、本课程的重点与难点
重点：基本知识点：
第一部分 材料结构基础与X射线衍射分析
一、电磁辐射与材料结构 （此部分可参考教师课件或左演声的《材料现代分析方法》） 1、掌握电磁辐射、物质波、电磁波谱。 2、掌握晶体结构中空间点阵，晶胞，14种布拉菲阵胞。 3、掌握晶向指数和晶面指数标识，干涉指数，晶面间距的计算公式（立方晶系和斜方晶系），了解晶带定理。 4、了解倒易空间，倒易点阵，倒易矢量，掌握倒易矢量的基本性质。 5、掌握X-射线的产生及其与物质的相互作用。 二、X-射线衍射分析 1、了解X-ray的历史；了解X-ray管的构造； 2、掌握X-射线的产生机理；连续X射线和特征X射线、X射线光电子、俄歇电子。 3、掌握布拉格方程的推导及各参数的物理意义，布拉格方程及讨论。 4、掌握计算晶胞的结构因子的方法和系统消光规律。 5、了解照相法的成像原理与衍射花样特征，德拜相机与实验技术，平板照相实验技术。 6、掌握利用X-射线衍射仪法的原理与应用，物相分析的方法，PDF卡片。
除了个别研究手段（如SPM）以外，基本上是 利用入射电磁波或物质波（X射线、电子束、可 见光、红外光）与材料作用，产生携带样品信 息的各种出射电磁波或物质波（X射线、电子束、 可见光、红外光），探测这些出射的信号，进 行分析处理，即可获得材料的组织、结构、成 分、价键信息。