同济-材料学专业-《材料研究方法》专业课考研-08真题

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。

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？影响红外光谱谱带频率和强度的因素大致可分为两类：1，外部因素：试样状态，测定条件的不同，及溶剂极性的影响等外部因素都会引起频率位移。

一般气态时，C=O伸缩振动频率最高，非极性溶剂的稀溶液次之；而液态或固态的振动频率最低。

2，内部因素：⑴电效应：包括诱导效应、共轭效应和偶极场效应。

他们是由于化学键的电子分布不均匀而引起的。

⑵氢键：羟基和基之间易形成氢键，使碳基的频率降低。

⑶其他还有振动的偶合，费米共振和立体障碍等内部影响因素。

红外光谱在材料分析中的应用有：1，红外光谱在有机高分子材料中的应用：分析与鉴定材料；定量测定高聚物的链结构；高聚物取向研究。

2，在无机非金属材料研究中的应用：与有机物相比，无机化合物的红外鉴定较少。

但是其红外光谱图比有机物简单，谱带较少，并且大部分是在低频区。

由于在无机化合物中红外区的吸收主要是由于其阴离子团的晶格振动引起的，与阳离子的关系较小。

因此，在鉴别无机化合物的红外光谱图时，主要是着重于阴离子团的振动频率。

3，红外光谱在材料表面结构分析中的应用。

11.X衍射物相分析的过程。

⑴首先用粉末照相法或粉末衍射仪法获取被测试样物相的衍射图样；⑵通过对所获衍射图样的分析和计算，获得各衍射线条的2θ，d及相对强度大小I/I1，在这机数据中，要求对2θ和d进行高精度的测量计算，而I/I1相对精度要求不高。

目前，一般的衍射仪均由计算机直接给出所测物相衍射线条的d值。

⑶使用检索手册，查寻物相PDF卡片号。

根据需要使用字母检索、Hanawalt检索或Fink检索手册，查寻物相PDF卡片号。

一般常采用Hanawalt检索，用最强线d值判定卡片所在位置，最后用8条强线d值检验判断结果。

若8强线d值均已基本符合，则可根据手册提供的物相卡片号在卡片库中取出此PDF卡片。

⑷若是多物相分析，则在⑶步完成后，对剩余的衍射线重新根据相对强度排序，重复⑶步骤，直至全部衍射线能基本得到解释。

简述现代材料研究的主要X射线实验方法在材料研究中有哪些应用？一，X衍射物相定性分析：用于确定物质中物相组成，确定物质中包含的结晶物质以何种结晶状态存在。

一般采用粉末照相法或粉末衍射仪法。