现代仪器分析及材料研究方法(绪论)

定 义：由两种以上组分组成，并且具有与其组成不同的新的性能的材料 （1）分类 • 按性能： 结构复合材料
功能复合材料
• 按增强剂形状及增强机理： 粒子增强 纤维增强 基体 Matrix 金属 增强体 Reinforcement 金属、无机非金
• 按复合方式
无机非金属
高分子（塑料，橡胶）
金属、无机非金属
现代仪器分析及材料研究方法
第一章 绪论
任祥忠 深圳大学化学与化工学院
1
（一）材料的定义 (Definition)
材料 Materials
Material：材料科学
物质科学
（工科）
（理科）
•Webster编著的“New International Dictionary（1971年） ”中关于材料（Materials）的定义为：材料是指用来制造某些 有形物体（如：机械、工具、建材、织物等的整体或部分）的 基本物质（如金属、木料、塑料、纤维、陶瓷等） •材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状
f. 优越的化学稳定性
g. 成型方法多
（3）用途 结构材料：电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件 绝缘材料：漆包线、电缆、绝缘版、电器零件 建筑材料：贴面板、地贴
包装材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料
涂 装：涂料
粘 合 剂：粘合剂 日 运 用：织物（衣服）胶鞋 输：轮胎，传送带
4、 复合材料（ composites）
的物质。
原料（Raw Materials）与材料 由原料到材料 ※原料一般不是为获得产品，而是生产材料，往往伴随化 学变化。 ※材料的特点往往是为获得产品，一般从材料到产品的转 变过程不发生化学变化。 材料与物质(Materials and Matter) ※ 材料可由一种或多种物质组成。 ※ 同一物质由于制备方法或加工方法不同可以得到用途各异 、类型不同的材料。
g. 成型方式为粉末制胚、烧制成型
（3） 用途
建筑卫生陶瓷：瓷砖、浴缸。 工程陶瓷 工程结构陶瓷：反应釜（耐酸、耐腐蚀）绝缘 瓷瓶。 功能陶瓷：磁性、导电。
3. 高分子材料 （polymers, Marcomolecules） (1) 分类
• 按主链结构 backebone • 碳链 –C–C–C 杂链 –C–N–C=O –C–O–C– 元素 Si 、P、B
8、从单层次到立体多层次材料；如：在高分子材料领域，借改变高分子材料
颗粒与不同粒径可溶性颗粒的混合重量比例，依据不同需要将原料颗粒依序填入 模具中形成所需要的层次，制得包括有不同孔径、不同孔隙率或不同材料组成的 双层或多层高分子材料，以满足组织工程的不同需求。
现代材料分析方法的主要内容
1、材料的元素成分分析；材料的成分分析就是分析材料中各种元素的组成，
按被分析物质的含量划分，分为三类
常量分析 （> 0.01 %) 痕量分析 (0.01- 0.00001%) 超痕量分析(< 0.00001%)
按取样量划分，分为三类
常量分析 （> 10 mg, > 1 ml) 微量分析 (0.1- 10 mg, 0.01-1 ml) 超微量分析(< 0.1 mg, <0.01 ml)
（二）材料的类别（ classfication）
材料可以根据化学组成、状态、作用和使用领域分类。 • 金属材料 • 化学组成分类 无机非金属材料 • components 有机高分子材料 • • • • • • • • • 状态分类 state 气态 液态 固态 单晶 多晶 非晶 复晶
作用分类 function 应用领域分类 application
金属、无机非金、高分子
（2）基本性质 a. 抗疲劳性能良好；
b. 结构件减震性好；
c. 比强度和比量高； d. 耐烧能性和耐高温性能好 e. 具有良好的减摩、耐摩和耐润滑性能
（3） 用途 无机—高分子 玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)——汽车,游艇， 碳纤维增强塑料——飞机机翼、高尔夫
球棍、 撑杆跳杆
性能小，是优良的高温绝热材料，但其抗热震性差，温度剧烈变化时易破裂，不
能急热骤冷。
8、材料的性能分析；材料工作者的理想目标是能够设计材料——用什么原料、
配成什么化合物或固溶体就可以制成具有什么性能的材料。因此，对材料的性能，
如光学性能、电学性能、热学性能、磁学性能、光电性能等进行分析，对于研发 新产品和产品的生产过程控制都具有积极的意义。
分析方法
重量法 定量分析 容量法（酸碱、络合、氧 化-还原、沉淀等滴定法） 光谱分析法
仪器分析
电化学分析法 分离法
光谱分析法是根据物质发射的电磁辐射或电磁辐射与物质 相互作用而建立起来的一类分析化学方法。 这些电磁辐射包括从射线到无线电波的所有电磁波谱 范围，而不只局限于光学光谱区。电磁辐射与物质相互作 用的方式有发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、 偏振等。 光谱分析法可分为光谱法和非光谱法两大类。 光谱法是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发 生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐 射的波长和强度进行分析的方法。
6、材料的表面与界面分析；材料的表面与界面性质是非常重要的，它同新材
料的研究与开发，制造工艺的制定与修改等关系非常密切。这是由于材料的表面
及本体，无论在细微结构上还是在化学组成上都存在明显的差别。如：固体物质 作为材料来应用，则它的各种性能虽然与组成本体有关，但不少性能是通过表面 来实现的，如表面硬度、表面电导等。因此，材料的表面与界面分析已经发展成 为纳米薄膜材料研究的重要分析方法，特别是对固体材料的元素化学价态分析、 元素三维分布分析以及微区成分分析。
增强其介电性能和耐磨性能。
7、从单功能到多功能和智能材料；（1）泡沫铝是一种在铝基体中均匀分布
着大量连通或不连通孔洞的新型轻质多功能材料，它兼有连续金属相和分散空气 相的特点，是集多种优良性能于一体的新型结构功能泡沫材料。（2）智能材料 是具有传感、反馈、自诊断、自修复、自适应、信息识别与积累、响应等功能， 如：形状记忆材料、电（磁）流变材料等。
有更为优良的功能。如在电子技术方面，涉及到半导体、电介质、超导体等材料。
4、从块体材料到薄膜材料；纳米薄膜是一类具有广泛应用前景的新材料，如
Fe2P薄膜具有优良的磁性能。
5、从纯物质到复合、掺杂材料；如：仅具有紫外线活性的纳米TiO2经N掺杂
后，具备了可见光的活性。
6、从宏观到微观的纳米材料；如：纳米Al2O3颗粒加入到橡胶中，可以大大
7、材料的热分析；材料研制和应用开发是热分析的主要领域。热分析通常是
指应用热力学或物理参数随温度变化的关系进行分析的方法。材料的热分析可以 研究材料的结晶和熔融、玻璃化转变、阻尼材料等性质，为材料的研制和开发提 供许多有用的信息，如：陶瓷的熔点很高，有很好的高温强度，高温抗蠕变能力 强，1000℃以上也不会氧化，故用作耐高温材料，又因其热膨胀系数低，导热
原子发射光谱法 原子光谱法 原子吸收光谱法
原子荧光光谱法
紫外-可见吸收光谱法 红外吸收光谱法 光谱法
拉曼光谱法
核磁共振波谱法 其它波谱法
质谱法
电导分析法 电位分析法（pH与离子选择性电极） 电化学分析法 电流分析法（库仑分析和电重量法） 伏安分析法（极谱和溶出伏安法） 气相色谱法 色谱分离法 分离法 电泳分离法 毛细管电泳法 毛细管电动色谱法 液相色谱法 超临界流体色谱法
材料科学的发展趋势
1、从简单物质到复杂物质；随着对材料功能化要求的不断提高，构成材料
的基本物质也越来越倾向于从简单物质到复杂物质。
2、从简单结构到结构控制；对于同种材料，结构上的改变可以带来许多崭新
的功能，而对简单的结构加以调控，才可能使功能得到优化。
3、从粉体材料到器件材料；相对于粉体材料而言，当材料制备成器件后会具
灰铸铁 可锻铸铁 铸铁 — 球墨铸铁 蠕墨铸铁 特殊性能铸铁
（2）有色金属 五大类 • • 轻金属 （<4.5g/cm2） 铝、镁、纳、钙 重金属 （>4.58/cm2） 铜、镍、铅、锌
•
• •
贵金属
类金属（半） 稀有金属 Mg、 Ni……
金、银、铂、铑
硅、硒、砷、硼 钛、锂、钨、钼、镭
常用的稀有金属材料有：Al、Cu 、Zn、 Sn、 Pb、
即检测材料中的元素种类及其相对含量的过程。包括原子吸收、原子发射 （ICP）、质谱以及X-射线荧光与衍射分析方法。其中前三种分析方法需要对样 品进行溶解后在进行测定，属于破坏性样品分析方法，而最后一种方法可以直接 对固体样品进行测定，因此又称为非破坏性元素分析方法。
2、材料的化学结构分析；在固体材料中拉曼激活的机制很多，反映的范围也
4、材料的表观形貌分析；材料的很多重要物理化学性能是由其形貌特征所决
定的。形貌分析的主要内容包括分析材料的几何形貌，材料的颗粒度及颗粒度的
分布，形貌微区的成分和物相结构等方面。
5、材料的键合分析；材料的性质不仅与构成材料的元素、结构、价态等因素
有关，还与其价键状态有关。价键分析是分析化学基团以及化学键的性质，主要 与分子结构有关，并且重点在于研究键的振动转动状态。在分析方法上主要包括 红外光谱、拉曼光谱和高分辨能量损失谱三种。
（3）基本特性 （Principal Properties）
a. 金属键，常规法生产的为晶体结构； b. 常温下固体熔点较高； c. 金属光泽； d. 纯金属范性大、展性、延性大； e. 强度较高； f. 导热、导电性好； g. 空气中易氧化，如钢、铁等生成氧化膜，合金可改性，抗氧化性。
（4） 用途 （Application）
a. 结构材料:如机床,建筑机械设备、工程交通工具；
b. 导体材料，电线芯（铜）
c. 工具
2、 无机非金属材料 （Inorganic nonmetals）