同济-材料学专业-《材料研究方法》专业课考研-08真题

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材料研究方法08年真题

1,试推导布拉格方程,分析物质产生X衍射的充要条件(必考题)。

2,红外光谱与拉曼光谱的比较。

3,电子束轰击到固体样品表面会产生那些主要物理信号?研究材料的表面形貌一般收集那种物理信号?以及这些信号有那些应用。

4,说明电子探针中波谱的原理和应用,简述波谱和能谱应用方面的异同。

5,简述红外光谱用于分子结构分析的基础,说明其应用。

6,核磁共振中不同质子产生不同化学位移的根本原因是什么?核磁共振光谱在材料分析中的应用。

7,影响红外光谱谱带频率和强度的因素是什么?举例说明其在材料分析中的应用?

8,请阐述多晶、非晶、纳米晶体材料在透射电子显微镜选区稍微图像中的区别。9,采用合适的现代技术表征法分析硅酸盐水泥水化进程,

10,请简要叙述布拉格方程在材料微观结构分析和表征领域中的应用。

11,简述X衍射物相分析的过程。

12,试讨论影响差热分析结果的因素,为什么说差热分析只能进行定性或半定量分析,而示差扫描量热分析则可进行定性分析。

13,如何利用差热分析,热重分析,热膨胀分析来区分无机材料中脱水、分解、氧化、多晶转变、烧结等现象。

14,举例说明SEM和TEM在材料分析中的应用。

说明:以上是08年材料研究方法的考研试题,总共有18道。由于时间间隔太长,只记得14题。08年试题给我们的感觉是各种研究方法的应用考的很多,几乎每个都考了。还有一点值得注意的是,在08的试题中,第二章光学显微分析考了一题。

以下是试题的参考答案:

1.试推导布拉格方程,分析物质产生X衍射的充要条件。

X-ray作为一电磁波被投射到晶体中时,会受到晶体中原子的散射,而散射波就好像从原子中心出发,每个原子中心发出的散射波就好比一个源球面波。由于原子在晶体中是按周期排列的,这些散射球波之间存在固定的相位关系,他们之间会在空间产生干涉,结果在某些散射方向上相互加强,某些方向上相互抵消,即衍射。

如图书图3-15所示,1、2、3代表(hkl)的一唯平行网,面网之间间距为d,入射X-rayS0波长为λ,沿与面网成θ角入射,与S1方向散射线满足光学境面反射条件。

此时,各原子的散射波将有相同的位相,干涉结果加强。相临两原子A、B的散射波光程差为零。相邻面网的反射线光程差为入射波长λ的整数倍,即:DB+BF=nλ(2d sinθ=nλ),n为衍射级数。

物质产生X衍射的充要条件是满足布拉格方程但衍射线强度不为零。

2.红外光谱与拉曼光谱的比较

红外光谱与拉曼光谱既有相同之处,又有不同之处。

相同之处在于:1,两者都属于分子振动光谱。拉曼效应产生于入射光子与分子振动能级的能量交换,在许多情况下,拉曼频率位移的程度正好相当于红外吸收频率。因此,红外测量能够得到的信息同样出现在拉曼光谱中。红外光谱分析中的定性三要素:吸收频率、强度、带移。在拉曼光谱解析中也同样适用。2,两者皆要服从一定的选择定则,即分子振动时,只有伴随分子偶极矩发生变化的振动才能产生红外吸收。同样,在拉曼光谱中,只有伴随分子极化度发生变化的分子振动模式,才能具有拉曼活性,产生拉曼散射。

不同之处在于:1,两者光源不同。红外光谱辐射源是波长大于750nm的多色光,而拉曼光谱则是单色光很强的激光辐射,频率在可见光范围。2,两种光谱分析机理不同,提供信息上也是有差别的。一般来说,分子的对称性越高,红外与拉曼的差别就越大,非极性官能团的拉曼散射光谱较为强烈,极性官能团的红外谱带较为强烈。对于链状聚合物而言,链上的取代基用红外光谱较易检测出来,而碳链的振动用拉曼光谱表征更为方便。此外,拉曼光谱是散射现象,红外光谱属于吸收现象。红外是由于分子振动时引起偶极矩的变化而产生的,而拉曼光谱则是由于分子极化度的变化而产生的。因此红外对分子的极性基团敏感,而拉曼对分子的非极性基团敏感。

3.电子束轰击到固体样品表面会产生那些主要物理信号?研究材料的表面形貌一般收集那种物理信号?以及这些信号有那些应用。

电子束轰击到固体样品表面会产生主要物理信号有背散射电子、二次电子、吸收电子、透射电子、特征X射线、俄歇电子。

4.电子探针的原理和应用,简述波谱和能谱应用方面的异同。

由莫塞莱(Moseley)定律,我们知道X 射线特征谱线的波长和产生此射线的样品材料的原子序数Z有一确定的关系。只要测出特征X 射线的波长,就可确定相应元素的原子序数。又因为某种元素的特征X射线强度与该元素在样品中的浓度成比例,所以只要测出这种特征X射线的强度,就可计算出该元素的相对含量。这就是利用电子探针仪作定性、定量分析的理论根据。

能谱仪和波谱仪应用方面的异同:

1)能谱仪所用的Si(Li)探测器尺寸小,可以装在靠近样品的区域。这样,X射线出射角φ大,接收X 射线的立体角大,X 射线利用率高,在低束流情况下工作,仍能达到适当的计数率;电子束流小,束斑尺寸小、采样的体积也较小,最少可达0.1μm3,而波谱仪大于1μm3。

2)分析速度快,可在2~3min 内完成元素定性全分析。

3)能谱仪工作时,不需要象波谱仪那样聚焦,因而不受聚焦圆的限制,样品的位置可起伏2~3mm,适用于粗糙表面成分分析。

4)工作束流小,对样品的污染作用小。

5)能进行低倍X 射线扫描成象,得到大视域的元素分布图。

6)分辨本领比较低(图4.81),只有150eV(波谱仪可达10eV)。

7)峰背比小,一般为100,而波谱仪为1000。

8)Si(Li)探测器必须在液氮温度(77K)下使用,维护费用高,用超纯锗探测器虽无此缺点,但其分辨本领低。

6.核磁共振中不同质子产生不同化学位移的根本原因是什么?核磁共振光谱在材料分析中的应用。

在分子中,磁性核外有电子包围,电子在外部磁场垂直的平面上环流,会产生与外部磁场方向相反的感应磁场。因此使氢核实际“感受”到的磁场强度要比外加磁场的强度稍弱。为了发生核磁共振,必须提高外加磁场强度,去抵消电子远动产生的对抗磁场的作用,结果吸收峰就出现在在磁场强度较高的位置。把核周围的电子对抗外加磁场强度所起的作用,叫做屏蔽作用。同类核在分子内或分子间所处化学环境不同,核外电子云的分布也不同,因而屏蔽作用也不同。质子周围的电子云密度越高,屏蔽效应越大,即在较高的磁场强度处发生核磁共振,反之,屏蔽效应越小,即在较低的磁场强度处发生核磁共振。由于化合物分子中各种质子受到的不同程度的屏蔽效应,因而在NMR谱的不同位置上出现吸收峰。

影响质子化学位移的影响因素:

1.取代基的诱导效应和共轭效应:取代基的电负性直接影响与它相连的碳原子上质子的化学位移,并通过诱导方式传递非相邻的碳上的质子。这主要是电负性较高的基团或原子,使质子周围的电子云密度减低(去屏蔽),导致该质子的共振信号向低场移动。取代基的电负性越大,质子化学位移值就越大。

2.各向异性效应:在分子中,质子与某一官能团的空间关系,有时会影响质子的化学位移。这种效应称各向异性效应。各向异性效应是通过空间而起作用的,它与通过化学键而起作用的效应(例如上述电负性对C-H键及O-H键的作用)是不一样的。

3.氢键和溶剂效应:除了以上讨论的影响质子位移的主要因素之外,由于NMR试验样品配成溶液或采用纯液体,因此溶质和溶剂分子之间的相互作用(溶剂效应)和氢键的形成,对化学位移的影响有时也很明显。采用不同的溶剂,化学位移也会发生变化,强极性溶剂的作用更加明显。此外,温度、pH值、同位素效应等因素也会影响化学位移的改变。

NMR谱在材料研究中的应用:

核磁共振与红外光谱一样,单独一种方法不足以鉴定一种化合物,但如果与其他测试手段,如元素分析、紫外、红外等相互配合,NMR谱则是鉴定化合物的一种重要工具。一张NMR

谱从三个方面给人们提供了化合物结构的信息,即化学位移、峰的裂分和偶合常数、各峰的相对面积。

1. 材料的定性鉴别

未知化合物的定性鉴别,可利用标准谱图。例如,高分子NMR标准谱图主要由Sadler标准谱图集。使用时,必须注意测定条件,主要有溶剂、共振频率等。

2. 化合物数均分子量的测定

基于端基分析的化合物数均分子量的NMR测定,往往无需标准校正,而且快速,尤其适用于线形分子的数均分子量的测定。

3. 共聚物组成的测定

对共聚物的NMR谱作了定性分析后,根据峰面积与共振核数目成比例的原则,就可以定量计算共聚组成。

4.几何异构体的测定

双烯类高分子的几何异构体大多有不同的化学位移,可用于定性和定量分析。

5.共聚物序列结构的研究

NMR不仅能直接测定共聚组成,还能测定共聚序列分布,这是NMR的一个重要应用。

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