材料结构表征及应用知识点总结
最新材料结构表征重点知识总结
第一章，绪论材料研究的四大要素：材料的固有性质，材料的结构，材料的使用使用性能。
材料的固有性质大都取决于物质的电子结构，原子结构和化学键结构。
材料表征的三大任务及主要测试技术：1、化学成分分析：质谱，色谱，红外光谱，核磁共振；2、材料结构的测定，X射线衍射，电子衍射，中子衍射；3、形貌观察：光学显微镜，电子显微镜，投射显微镜。
第二章，红外光谱及激光拉曼光谱2.1红外光谱的基本原理红外光谱的定义：当一束具有连续性波长的红外光照射物质时，该物质的分子就有吸收一定的波长红外光的光能，并将其转变为分子的振动能和装动能，从而引起分子振动—转动能级的跃迁，通过仪器记录下来不同波长的透射率的变化曲线，就是该物质的红外吸收光谱。
中红外去波数范围（4000—400cm-1）简正振动自由度（3n-6或3n-5）及其特点：3n-6是分子振动自由度3n-5是直线分子的振动自由度特点：分子质点在振动过程中保持不变，所有的原子都在同一瞬间通过各自的平衡位置。
每个简谐振动代表一种振动方式，有它自己的特征频率简正振动的类型：1、伸缩振动2、弯曲振动分子吸收红外辐射必须满足的条件：主要振动过程中偶极矩的变化、振动能级跃迁几率2.2红外光谱与分子结构红外光谱分区：官能团去（4000-1330cm-1）指纹区（1330-400cm-1）基团特征频率定义：具有相同化学键或官能团的一系列化合物有共同的吸收频率，这种频率就叫基团特征频率影响因素，内部因素：诱导效应，共振效应，键应力的影响，氢键的影响，偶合效应，费米共振；外部因素：物态的变化的影响，折射率和粒度的影响，溶剂的影响诱导效应：在具有一定极性的共价键中，随着取代基的电负性不同而产生不同程度的静电诱导作用，引起分子中电荷分布的变化，从而改变了键的常熟，使振动的频率发生改变，这就是诱导效应。
2.3红外光谱图的解析方法普带的三个特征：1位置：基因存在的最有用的特征；2形状：有关基因存在的一些信息；3相对强度：把红外光谱中一条普带的强度和另一条谱带相比，可以得出一个定量的概念影响谱图质量的因素：1仪器参数的影响；2环境的影响：空气湿度，样品污染等;3厚度的影响（要求10——50um）2.7激光拉曼光谱基本概念：拉曼散射：人射光照射在样品上，人射光子与样品之间发生碰撞有能量交换称为拉曼散射斯托克斯线：拉曼散射中，散射光能量减少，在垂直方向测量到散射光中，可以检测到频率为（）的线，称为斯托克斯线。
材料结构表征及应用复习资料
材料结构表征及应用复习资料--2013材料化学第一章绪论1.材料研究的四大要素：材料的固有性质、材料的结构、材料的使用性能、材料的合成与加工；2.材料的固有性质大都取决于物质的电子结构、原子结构和化学键结构。
3.材料结构表征的三大任务及主要测试技术：①化学成分分析：传统的化学分析技术、质谱、色谱、红外光谱、核磁共振、X射线光电子能谱；②结构测定：X射线衍射、电子衍射、中子衍射、热分析；③形貌观察：光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜；第二章红外光谱及激光拉曼光谱2.1 红外光谱的基本原理1.红外光谱定义：当用一束具有连续波长的红外光照射物质时，该物质的分子就要吸收一定波长的红外光的光能，并将其转变为分子的振动能和转动能，从而引起分子振动—转动能级的跃迁。
通过仪器记录下不同波长的透过率(或吸光度)的变化曲线，即是该物质的红外吸收光谱。
2.中红外区波数范围：4000-400cm-1；3.简正振动振动自由度（3n-6或3n-5)。
4.简正振动的特点是，分子质心在振动过程中保持不变，所有的原子都在同一瞬间通过各自的平衡位置。
每个简正振动代表一种振动方式，有它自己的特征振动频率。
5.简正振动类型主要分为两大类，即伸缩振动和弯曲振动。
伸缩振动是指原子沿着键轴方向伸缩使键长发生变化的振动；弯曲振动即指的是键角发生变化的振动6.实际观测到的红外基频吸收数目却往往少于3n-6个,为什么?①如振动过程中分子不发生瞬间偶极矩变化，则不引起红外吸收；②频率完全相同的振动彼此发生简并；③强宽峰往往要覆盖与它频率相近的弱而窄的吸收峰；④吸收强度太弱，以致无法测定；⑤吸收峰落在中红外区之外。
7.分子吸收红外辐射必须满足的条件？①只有在振动过程中，偶极矩发生变化的那种振动方式才能吸收红外辐射，从而在红外光谱中出现吸收谱带。
这种振动方式称为红外活性的。
反之，在振动过程中偶极矩不发生改变的振动方式是红外非活性的，虽有振动，但不能吸收红外辐射。
材料结构表征及应用
材料结构表征及应用
材料结构表征及应用
材料结构表征是指材料结构特性之间的相互关系，它们决定了材料的性能。
材料结构表征包括材料的尺寸、形状、结构层次和热效应，这些结构特性可以通过材料的物理性能和机械性能来表示。
近年来，材料结构表征正变得越来越重要，在工业生产中得到了广泛应用。
材料结构表征对于提高材料性能和研发新材料至关重要。
材料结构表征可以更好地识别材料的特性，如耐磨性、耐腐蚀性和热稳定性，从而更好地满足应用材料的要求。
同时，材料结构表征还可以帮助研发新型材料，用于更多的应用领域。
材料结构表征在工业上被广泛应用，能够有效提高材料的性能。
它可以更准确地测量材料的厚度、宽度、形状和硬度，并用来检测材料表面缺陷、分析材料缺陷等，可以有效提高材料的效率和使用寿命。
同时，它还可以用来检测和控制工艺参数，如温度、时间和压力，以满足特定应用需求，并确保产品的高质量。
材料结构表征应用于许多不同领域，如航空航天、汽车制造、船舶制造、军事器材以及电子产品等，可以明显提升该领域的性能和效率。
此外，它还可以精确地测量金属材料、复合材料和非金属材料，以便在工业应用中更好地优化工艺，实现更高的性能。
材料结构表征是一项重要的技术，被广泛应用在工业生产中。
它提供了一种可靠的方式来测量材料的结构，可以明显提高材料的效率和使用寿命，满足工业需求，有助于提高整体的生产效率。
材料结构表征与应用
电子能谱分析方法概述
X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy， XPS）是用单色的X射线轰击样品导致电子的逸出，通过测 定逸出的光电子可以无标样直接确定元素及元素含量。
紫外光电子能谱(ultraviolet photoelectronspectroscopy, UPS)紫外光电谱的理论基础仍是光电效应，ups的谱仪设计 原理基本和xps一致，只是将X射线源改为紫外光源作为激 发器 俄歇电子能谱（ Auger Electron Spetroscopy, AES ）是一 种利用高能电子束为激发源的表面分析技术. AES分析区域 受激原子发射出具有元素特征的俄歇电子。
4.材料分析方法
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。
4.1组织形貌分析
微观结构的观察和分析对于理解材料的本 质至关重要，组织形貌分析借助各种显微 技术，认识材料的微观结构。形貌观察和 分析主要采用扫描电子显微镜和透射电 子显微镜。 表面形貌分析技术经历了光学显微镜(OM)、 电子显微镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM) 的发展过程，现在已经可以直接观测到原 子的图像。
X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）
XRD ，通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱， 获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态 等信息的研究手段。 XRD可以做定性，定量分析。即可以分析合金里面的相 成分和含量,可以测定晶格参数,可以测定结构方向、 含量，可以测定材料的内应力，材料晶体的大小等等。 一般主要是用来分析合金里面的相成分和含量。
三种组织分析手段的比较
扫描探针显微镜 观察倍率
材料结构表征及应用知识点总结
材料结构表征及应⽤知识点总结第⼀章绪论材料研究的四⼤要素：材料的固有性质、材料的结构、材料的使⽤性能、材料的合成与加⼯。
材料的固有性质⼤都取决于物质的电⼦结构、原⼦结构和化学键结构。
材料结构表征的三⼤任务及主要测试技术：1、化学成分分析：除了传统的化学分析技术外，还包括质谱（MC）、紫外（UV）、可见光、红外（IR）光谱分析、⽓、液相⾊谱、核磁共振、电⼦⾃旋共振、⼆次离⼦⾊谱、X射线荧光光谱、俄歇与X射线光电⼦谱、电⼦探针等。
如质谱已经是鉴定未知有机化合物的基本⼿段；IR在⾼分⼦材料的表征上有着特殊重要地位；X射线光电⼦能谱（XPS）是⽤单⾊的X射线轰击样品导致电⼦的逸出，通过测定逸出的光电⼦可以⽆标样直接确定元素及元素含量。
2、结构测定：主要以衍射⽅法为主。
衍射⽅法主要有X射线衍射、电⼦衍射、中⼦衍射、穆斯堡谱等，应⽤最多最普遍的是X射线衍射。
在材料结构测定⽅法中，值得⼀提的是热分析技术。
3、形貌观察：光学显微镜、扫描电⼦显微镜、透射电⼦显微镜、扫描隧道显微镜、原⼦⼒显微镜。
第⼆章X射线衍射分析1、X射线的本质是电磁辐射，具有波粒⼆像性。
X射线的波长范围：0.01~100 ? 或者10-8-10-12 m 1 ?=10-10m（1）波动性（在晶体作衍射光栅观察到的X射线的衍射现象，即证明了X射线的波动性）；（2）粒⼦性（特征表现为以光⼦（光量⼦）形式辐射和吸收时具有的⼀定的质量、能量和动量）。
2、X射线的特征：①X射线对物质有很强的穿透能⼒，可⽤于⽆损检测等。
②X射线的波长正好与物质微观结构中的原⼦、离⼦间的距离相当，使它能被晶体衍射。
晶体衍射波的⽅向与强度与晶体结构有关，这是X射线衍射分析的基础。
③X射线光⼦的能量与原⼦内层电⼦的激发能量相当，这使物质的X射线发射谱与吸收谱在物质的成分分析中有重要的应⽤。
⼀、X射线的产⽣1.产⽣原理⾼速运动的电⼦与物体碰撞时，发⽣能量转换，电⼦的运动受阻失去动能，其中⼀⼩部分（1％左右）能量转变为X射线，⽽绝⼤部分（99％左右）能量转变成热能使物体温度升⾼。
材料科学实训课程学习总结材料分析与表征技术应用
材料科学实训课程学习总结材料分析与表征技术应用材料科学是一门研究和应用材料的学科，也是工程学领域中的重要专业。
在材料科学的实际应用中，材料的分析与表征技术是至关重要的一环。
通过分析和表征技术，我们能够深入了解材料的结构、性质和性能，为材料的研究、设计和应用提供有力的支持。
在材料科学实训课程中，我们学习了各种材料分析与表征技术的原理和应用，收获颇丰。
一、扫描电子显微镜（SEM）SEM是一种通过扫描样品表面并利用电子束来观察材料表面形貌和结构的技术。
在实训课程中，我们学习了SEM的基本原理，并通过实验亲自操作了SEM仪器。
通过SEM观察样品的表面形貌，我们能够直观地了解材料的微观形貌特征，包括表面粗糙度、颗粒形状和尺寸等。
此外，SEM还可以用于元素成分分析，通过能谱仪可以获取样品表面元素的信息。
二、透射电子显微镜（TEM）TEM是一种通过透射电子束使样品内部形貌和结构可见的技术。
在实训课程中，我们学习了TEM的基本原理，并亲自操作了TEM仪器。
通过TEM观察样品的内部结构，我们能够了解材料的晶体结构、界面和缺陷等微观特征。
此外，TEM还可以用于纳米颗粒的尺寸和形貌分析，对于研究纳米材料的结构和性能非常重要。
三、X射线衍射（XRD）XRD是一种利用材料对X射线的衍射现象来分析其晶体结构和物相的技术。
在实训课程中，我们学习了XRD的基本原理，并通过实验使用XRD仪器进行了测量。
通过XRD测量，我们可以得到材料的衍射图谱，进而通过解析和匹配衍射峰来确定材料的晶体结构和物相组成。
XRD在材料研究中被广泛应用，是分析材料结构和质量方面非常重要的工具。
四、红外光谱（IR）红外光谱是一种利用材料对红外辐射的吸收特性来研究其分子结构和成分的技术。
在实训课程中，我们学习了红外光谱的基本原理，并使用红外光谱仪器对样品进行了测量。
通过红外光谱分析，我们可以得到材料的红外吸收图谱，从中可以推断出材料的化学成分和分子结构。
红外光谱在有机材料和聚合物材料研究中具有广泛应用，为我们深入了解材料的化学特性提供了有力工具。
材料科学中的结构表征与性能分析
材料科学中的结构表征与性能分析材料科学是一门研究材料的结构、性质和性能之间关系的学科。
在材料科学中，结构表征和性能分析是非常重要的研究方法，用于揭示材料的内部结构以及其对外界环境的响应。
本文将讨论材料科学中的结构表征与性能分析的相关内容。
一、材料的结构表征1. 光学显微镜观察光学显微镜是最常用且简单的材料结构表征方法之一。
通过光学显微镜可以观察到材料的表面形貌和内部微观结构，如晶界、颗粒分布等。
此外，还可以对材料进行晶体学分析，确定晶体结构和晶体取向。
2. 扫描电子显微镜（SEM）SEM是一种高分辨率的表面成像技术。
它利用电子束与样品表面相互作用的方式，获得材料表面的形貌和微观结构信息。
与光学显微镜相比，SEM可以获得更高的放大倍数和更详细的细节。
3. 透射电子显微镜（TEM）TEM是一种通过物质对电子的散射来观察材料内部结构的技术。
通过透射电子显微镜可以获得材料的高分辨率图像，并对材料的晶体结构、晶界、缺陷等进行详细分析。
4. X射线衍射（XRD）X射线衍射是一种通过材料对X射线进行衍射来确定材料晶体结构的方法。
XRD可以获得材料的晶体结构信息、晶格常数、晶体取向、影响材料性能的晶体缺陷等信息。
5. 核磁共振（NMR）核磁共振是一种通过观察核自旋在外加磁场下的行为来分析材料结构的方法。
核磁共振可以用于确定材料中不同原子核的类型和数量，了解材料的化学结构。
二、材料性能的分析1. 机械性能分析机械性能是材料重要的性能之一，包括强度、韧性、硬度、延展性等。
通过拉伸试验、硬度试验、冲击试验等可以测定材料的机械性能。
此外，还可以通过纳米压痕测试、微弯曲测试等方法对材料的力学性能进行研究。
2. 热性能分析热性能包括热膨胀系数、热导率、热稳定性等。
热膨胀系数可以通过热膨胀仪进行测量，热导率可以通过热导率仪进行测定。
热性能的分析可以为材料在高温环境下的应用提供重要的指导。
3. 导电性能分析导电性能是指材料对电流的导电能力。
材料结构的表征与分析
材料结构的表征与分析材料结构是指材料内部的原子、分子或晶体的排列方式，对于材料的性能和特性具有重要影响。
因此，准确地了解和表征材料结构是材料科学与工程领域的关键任务之一。
本文将探讨材料结构的表征与分析的方法和技术。
一、X射线衍射技术X射线衍射技术是一种常用的表征材料结构的方法。
通过使X射线束入射到材料上并测量衍射角度和强度，可以确定材料的晶体结构和晶体学参数。
这种方法适用于具有规则晶体结构的材料，如金属、陶瓷和无机晶体材料。
通过X射线衍射，可以确定晶格参数、晶面间距和晶体取向等重要信息。
二、扫描电子显微镜(SEM)扫描电子显微镜(SEM)是一种用来观察材料表面形貌和分析微观结构的强大工具。
它使用高能电子束对样品进行扫描，通过检测样品在电子束作用下发射的次级电子或背散射电子，可以获得高分辨率的表面形貌图像。
此外，通过SEM配合能谱仪，还可以进行元素分析，获得材料的成分信息。
三、透射电子显微镜(TEM)透射电子显微镜(TEM)通过透射电子束对样品进行照射和观察，可获得更高分辨率的材料图像。
TEM适用于研究纳米级材料结构和纳米颗粒的形貌与成分。
它可以观察到晶体缺陷、晶体结构和点缺陷等微观细节，以及观察到材料的析出相、晶体形态和晶体取向。
四、原子力显微镜(AFM)原子力显微镜(AFM)通过扫描样品表面与探针之间的相互作用力，可以获得样品表面的三维形貌信息。
相比于传统的光学显微镜，AFM具有更高的分辨率和更强的表征能力，能够观察到纳米级别的表面特征和纳米结构。
此外，AFM还可以通过力-距离曲线，获取样品的力学性能和材料刚度等信息。
五、核磁共振(NMR)核磁共振(NMR)技术是一种用来研究原子核自旋状态和材料内部有关结构的方法。
通过在外部磁场和射频辐射的作用下，激发样品中的原子核共振信号，并通过分析共振信号的频率和强度，可以获得材料的化学成分、分子结构和局域环境等信息。
NMR技术广泛应用于化学、生物学和材料科学领域。
材料结构表征及应用复习资料.
2.7激光拉曼光谱
1.几个基本概念？
1拉曼散射当一束频率为υ0的入射光照射到气体、液体或透明晶体样品上时，绝大部分可以通过，大约有0.1%的入射光子与样品发生碰撞后向各个方向散射。若入射光子与样品分子之间发生碰撞有能量交换，即称为非弹性碰撞，这种光的散射称为拉曼散射。
3肯定法这种分析方法主要针对谱图上强的吸收带，确定是属于什么官能团，然后再分析具有较强特征性的吸收带。
3.影响谱图质量的因素？
1仪器参数的影响光通量、增益、扫描次数等直接影响信噪比S/N.
2环境的影响光谱中的吸收带并非都是由样品本身产生的，潮湿的空气、样品的污染、残留溶剂、由玛瑙研钵或玻璃器皿所带入的二氧化硅，溴化钾压片时吸附的水等原因均可产生附加的吸收带，故在光谱解析时应特别注意。
材料结构表征及应用复习资料
--2013材料化学
第一章绪论
1.材料研究的四大要素：材料的固有性质、材料的结构、材料的使用性能、材料的合成与加工；
2.材料的固有性质大都取决于物质的电子结构、原子结构和化学键结构。
3.材料结构表征的三大任务及主要测试技术：
1化学成分分析：传统的化学分析技术、质谱、色谱、红外光谱、核磁共振、X射线光电子能谱；
2结构测定：X射线衍射、电子衍射、中子衍射、热分析；
3形貌观察：光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜；
第二章红外光谱及激光拉曼光谱
2.1红外光谱的基本原理
1.红外光谱定义：当用一束具有连续波长的红外光照射物质时，该物质的分子就要吸收一定波长的红外光的光能，并将其转变为分子的振动能和转动能，从而引起分子振动—转动能级的跃迁。通过仪器记录下不同波长的透过率(或吸光度)的变化曲线，即是该物质的红外吸收光谱。
材料结构表征及应用
材料结构表征及应用材料结构表征是材料科学领域中的重要研究内容，它涉及到材料的组成、结构、性能以及应用等方面。
材料的结构表征可以通过多种手段进行，例如X射线衍射、电子显微镜、原子力显微镜等，这些手段可以帮助科研人员深入了解材料的微观结构和性能，为材料的设计、制备和应用提供重要的参考依据。
X射线衍射是一种常用的材料结构表征手段，通过衍射图谱的分析可以得到材料的晶体结构信息，包括晶格常数、晶体取向、晶粒尺寸等。
电子显微镜则可以帮助科研人员观察材料的微观形貌和结构特征，包括晶粒形状、晶界分布、缺陷结构等。
原子力显微镜则可以实现对材料表面的原子尺度的观测，揭示材料表面的形貌和表面缺陷等信息。
除了以上提到的手段外，还有许多其他的材料结构表征手段，例如热分析技术、核磁共振、拉曼光谱等，这些手段可以从不同的侧面揭示材料的结构和性能信息。
通过综合运用这些手段，科研人员可以全面地了解材料的结构特征，为材料的应用提供更加可靠的支撑。
材料的结构表征不仅对于科研领域具有重要意义，也对于工业生产具有重要意义。
通过对材料结构的深入了解，可以实现对材料性能的精准调控，提高材料的性能指标，拓展材料的应用领域。
例如，通过对材料的晶体结构进行优化，可以实现对材料强度、硬度、导电性等性能的提升，从而提高材料的工程应用价值。
在材料科学领域，结构表征与应用是密不可分的。
只有深入了解材料的结构特征，才能实现对材料性能的准确把握，为材料的应用提供可靠的支撑。
因此，材料结构表征是材料科学研究中的重要环节，它为材料的设计、制备和应用提供了重要的科学依据。
总之，材料结构表征是材料科学研究中的重要内容，通过多种手段对材料的结构特征进行深入了解，可以为材料的应用提供可靠的支撑。
材料科学领域的研究人员应该不断探索新的结构表征手段，提高材料结构表征的准确性和可靠性，为材料的应用领域拓展提供更加有力的支持。
材料结构表征大全
目录一XRD衍射分析 (2)二红外光谱 (3)三紫外光谱 (4)四光电子能谱分析(XPS) (5)五热重分析 (6)六差热分析 (7)七TEM (8)八SEM (9)九核磁共振 (9)十质谱分析 (10)十一拉曼光谱 (11)十二EXAFS (12)十三热滞回线 (13)十四IV曲线测量 (14)十五DSC 差示扫描量热法 (15)十六流阻抗谱 (16)十七磁力显微术 (16)十八AFM分析 (18)十九STM（扫描隧道显微镜） (20)一XRD衍射分析XRD即X-ray diffraction 的缩写，X射线衍射，通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。
工作原理X射线是一种波长很短(约为20～0.06埃)的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。
在用电子束轰击金属“靶”产生的X射线中,包含与靶中各种元素对应的具有特定波长的X射线，称为特征（或标识）X射线。
X射线是原子内层电子在高速运动电子的轰击下跃迁而产生的光辐射，主要有连续X射线和特征X射线两种。
晶体可被用作X光的光栅，这些很大数目的原子或离子/分子所产生的相干散射将会发生光的干涉作用，从而影响散射的X射线的强度增强或减弱由于大量原子散射波的叠加，互相干涉而产生最大强度的光束称为X射线的衍射线。
满足衍射条件，可应用布拉格公式：2dsinθ=nλ表征内容应用已知波长的X射线来测量θ角，从而计算出晶面间距d，这是用于X射线结构分析；另一个是应用已知d的晶体来测量θ角，从而计算出特征X射线的波长，进而可在已有资料查出试样中所含的元素。
用途目前X射线衍射(包括散射)已经成为研究晶体物质和某些非晶态物质微观结构的有效方法。
主要应用有以下方面：1 物相分析是 X射线衍射在金属中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。
前者把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相；后者则根据衍射花样的强度，确定材料中各相的含量。
材料结构表征与应用第一章
第一章 绪论
红外吸收光谱分 未知物定性分析、结构分析，定
析（IR）
量分析，反应机理研究
核磁共振波谱分 定性分析（有机物结构鉴定）； 析（NMR） 定量分析；相对分子质量的测定；
化学键性质研究
拉曼光谱分析
定性分析（有机物结构），分子 结构分析，高聚物研究（结晶度、 取向性、碳链结构等）
第十八页，共34页
第一章 绪论
分析方法
基本分析项目与应用
原子发射光谱分析 （AES）
原子吸收光谱分析 （AAS） X射线荧光光谱分析 （XFS） 紫外、可见（分子） 吸收光谱分析（UV、 VIS）
元素定性、半定量、定量分析。对于 无机物分析是最好的定性、半定量分 析方法。 元素定量分析
元素定性、半定量、定量分析。（适 合于Z≥5的元素） 结构定性分析（有机物）、有机物构 型和构象的测定、组分定量分析、化 学和物理数据测定（氢键强度、化合 物相对分子质量测定等）
第十一页，共34页
第一章 绪论
衍射方向（衍射线在空间分布的方位）和衍 射强度是据以实现材料结构分析等工作的两个基 本特征。
衍射方向以衍射角即入射线与衍射线的夹角
2θ表达。其角度θ满足布拉格方程。
多晶体X射线衍射分析基本方法为衍射仪法与 （粉末）照相法；单晶体X射线衍射分析基本方法为
劳埃法与周转晶体法。四圆衍射仪是近年来在综合 衍射仪法与周转晶体法基础上发展起来的单晶体衍 射方法，已成为单晶体结构分析的最有效方法。
方法或仪器
分析原理
透射电镜（TEM）透射与衍射
检测信号
透射电子与衍 射电子
基本应用
1形貌分析（显微组织、晶体缺陷） 2晶体结构分析 3成分分析（配附件）
材料表征知识点总结
材料表征知识点总结一、材料表征的基本概念1.1 材料表征的概念材料表征是指通过一系列的手段和方法对材料进行结构、性能分析的过程。
它是材料科学研究的重要手段，对于认识和理解材料的微观结构、物理性质、化学性质、力学性质等具有重要意义。
材料表征的目的是为了揭示材料的内在特征，解析材料的结构和性质之间的关系，为材料设计、改进和应用提供科学依据。
1.2 材料表征的内容材料表征的内容主要包括以下几个方面：结构表征、性质表征、表面表征、界面表征、缺陷表征等。
结构表征主要是对材料的晶体结构、非晶结构、微观结构、纳米结构等进行研究与分析；性质表征主要是对材料的物理性质、化学性质、力学性质、热性质等进行研究与分析；表面表征主要是对材料的表面形貌、表面性质、表面活性等进行研究与分析；界面表征主要是对材料的各种界面性质、界面相互作用、界面扩散等进行研究与分析；缺陷表征主要是对材料的各种缺陷类型、缺陷形成、缺陷演变等进行研究与分析。
1.3 材料表征的方法材料表征的方法主要包括物理方法、化学方法、电子显微镜方法、X射线衍射方法、光学显微镜方法、谱学方法、表面分析方法等。
这些方法可以对材料的结构、性质、表面、界面、缺陷等进行多角度、多层次的表征与分析，从而全面地了解材料的内在特征。
二、材料表征的常用方法与技术2.1 物理方法物理方法是材料表征中最常用的方法之一，主要包括X射线衍射法、电子显微镜法、磁共振法、核磁共振法、拉曼光谱法、光谱学方法、热分析法、热敏电阻法、热释电法等。
这些方法可以通过对材料的物理性质、电磁性质、热力学性质等进行分析，揭示材料的内部结构和性质之间的相互关系。
2.2 化学方法化学方法是材料表征中另一个重要的方法，主要包括原子吸收光谱法、光度法、电化学方法、色谱法、荧光分析法、偏振光分析法等。
这些方法可以通过对材料的化学性质、化学成分、化学反应等进行分析，揭示材料的化学本质和特征。
2.3 电子显微镜方法电子显微镜方法是材料表征中一种重要的方法，主要包括透射电子显微镜法、扫描电子显微镜法、透射电镜能谱法等。
材料表征方法及其在材料研究中的应用
材料表征方法及其在材料研究中的应用一、引言材料科学及其实践的复杂性使其成为一个既重要又具挑战性的领域。
材料的复杂性需要我们掌握精细的实验技术和理论知识，以便对材料进行深入的表征和分析。
本文将介绍表征方法及其在材料研究中的应用。
二、材料表征的基本原理材料表征是分析材料性质、组成和结构的科学，它利用各种技术手段进行各种测定，以得出关于材料的定量或定性信息。
表征方法可以简单的分为三类，即外观表征、物理表征和化学表征。
1. 外观表征：外观表征是指通过直接观察材料的外部形貌和结构，来推断材料的性质和组成。
常用的外观表征方法有光学显微镜、扫描电镜、透射电镜等。
2. 物理表征：物理表征是指通过物理现象进行材料测量，以获得材料的性质和结构的信息。
常用的物理表征方法有热重分析、X 射线衍射、核磁共振、拉曼光谱等。
3. 化学表征：化学表征是指通过化学反应或物质相互作用，测定材料的化学组成和化学性质。
常用的化学表征方法有气相色谱、液相色谱、电化学分析法、质谱分析等。
三、材料表征方法在材料研究中的应用材料表征方法在研究中得到广泛的应用，可以用于材料的开发，设计和改进，以及一些基础科学研究。
1. 材料的开发、设计和改进：材料的表征方法可以帮助我们了解材料的特性、组成和结构，以便设计和开发出新的材料。
例如，通过热重分析确定样品的热稳定性，并选择适当的添加剂改进材料的耐热性和力学性能。
2. 基础科学研究：材料表征方法还可以促进材料科学中的基础科学研究。
例如，通过扫描电子显微镜观察晶体的形貌，可以揭示晶体生长的机理。
3. 材料的性质和结构研究：各种表征方法可以通过测量和分析材料的性质和结构来帮助我们更深入地了解材料。
例如，通过X射线衍射、拉曼光谱和电子顺磁共振谱等表征方法，可以了解一种新型能源材料的晶体结构、电子结构和磁性等特性。
四、材料表征方法的进一步发展和趋势材料表征技术正在不断发展，并引入新的技术和方法。
在未来，材料表征技术将会越来越重要，并且将会有以下一些主要的发展趋势：1. 自动化：材料表征方法将会趋向自动化和智能化，例如自动扫描电子显微镜、智能拉曼光谱仪等。
材料结构的基本知识
材料结构的基本知识目录一、材料结构概述 (2)1. 材料结构定义与重要性 (3)2. 材料结构分类 (4)3. 材料结构研究的意义 (5)二、材料的基本结构类型 (6)1. 晶体结构 (7)1.1 晶体结构定义与特点 (8)1.2 晶体结构的分类 (9)1.3 典型晶体结构实例 (11)2. 非晶体结构 (12)2.1 非晶体结构定义与特点 (13)2.2 非晶体结构的形成原因 (14)2.3 典型非晶体结构实例 (15)三、材料结构的表征与检测 (16)1. 微观结构表征 (17)1.1 光学显微镜观察 (18)1.2 电子显微镜观察 (19)1.3 X射线衍射分析 (20)2. 宏观结构检测 (22)2.1 硬度测试 (23)2.2 强度测试 (25)2.3 耐磨性测试 (26)四、材料结构对性能的影响 (28)1. 晶体结构对材料性能的影响 (29)2. 非晶体结构对材料性能的影响 (29)3. 结构与性能的关系分析 (30)五、材料结构设计的方法与趋势 (32)1. 传统材料结构设计方法 (33)2. 现代材料结构设计方法 (34)3. 材料结构设计的发展趋势 (36)六、材料结构的优化与应用 (37)1. 优化材料结构的途径与方法 (39)2. 材料结构优化在各个领域的应用实例 (40)3. 材料结构优化对产业发展的影响 (42)一、材料结构概述材料结构是研究和设计各种材料的物理、力学和化学特性的过程，以满足特定应用场景的需求。
材料结构的基本知识包括材料的分类、性能、制备方法以及在不同工程领域的应用等方面。
本文档将对这些方面进行简要介绍，以帮助读者了解材料结构的基本概念和原理。
根据材料的性质和用途，可以将材料分为以下几类：金属材料(如钢、铝、铜等)、非金属材料(如陶瓷、玻璃、塑料等)、复合材料(由两种或多种材料组成的具有特殊性能的材料)以及新型材料(如纳米材料、生物材料等)。
材料性能是指材料在外力作用下所表现出的物理、力学和化学特性。
材料结构的表征(七)
在测定聚氯乙烯中增塑剂含量 的过程中，先以每分钟160℃的升 温速度加热，达到200℃后等温 4nim，这4nim足以使98%增塑剂扩 散到样品表面而挥发掉。这一阶段 主要是增塑剂的失重过程，失重约 29%。然后用每分钟80℃的升温速 度加热，并且在200℃以后通过气 体转换阀将氮气流转化为氧气，以 保证有机物完全燃烧。该阶段主要 是聚氯乙烯的失重过程，失重约 67%，最后剩下惰性无机填料约为 3.5%。
14
随后根据压力信号的变化，自动气体转换开关会 立即与空气气流接通，此时因聚苯醚分解产生的短链 碳化合物立即氧化成CO2，在TG曲线中出现第二个失重 台阶，对应的失重量约为29.50%。
15
最后在712.4℃以上温度获得一稳定的平台， 说明剩余的残渣为惰性的无机填料或灰分，其质量 含量约为5.44%。因此由热重法测定获得的分析结 果为：聚苯醚65.31%，含碳量29.50%，残渣含量
22
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
加热炉， 试样， 参比物， 测温热电偶， 温差热电偶， 测温元件， 温控元件。
23
由差热分析仪记录的∆T随温度变化的关系曲线称 为差热分析曲线，下图为典型的DTA曲线。其横坐标为 温度，纵坐标为温差△T/K，当试样发生任何物理或化 学变化时，所释放或吸收的热量使样品温度高于或低于 参比物的温度，从而在相应的差热曲线上得到放热或吸 热峰。吸热峰向下，放热峰向上。
30
差示扫描量热法（DSC）
含义： 在程序控制温度下，测量输给试样与参比 物的功率差与温度之间关系的一种技术。 分类： 根据测量方法的不同，又分为功率补偿型DSC和 热流型DSC两种类型。DSC主要特点是使用的温度范 围(-175℃-725℃)比较宽，分辨能力高，灵敏度高。 除不能测量腐蚀性材料外，DSC不仅可以涵盖DTA的 一般功能，而且还可定量测定各种热力学参数，如 31 热焓、熵和比热等。
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第一章绪论材料研究的四大要素：材料的固有性质、材料的结构、材料的使用性能、材料的合成与加工。
材料的固有性质大都取决于物质的电子结构、原子结构和化学键结构。
材料结构表征的三大任务及主要测试技术：1、化学成分分析：除了传统的化学分析技术外，还包括质谱（MC）、紫外（UV）、可见光、红外（IR）光谱分析、气、液相色谱、核磁共振、电子自旋共振、二次离子色谱、X射线荧光光谱、俄歇与X射线光电子谱、电子探针等。
如质谱已经是鉴定未知有机化合物的基本手段；IR在高分子材料的表征上有着特殊重要地位；X射线光电子能谱（XPS）是用单色的X射线轰击样品导致电子的逸出，通过测定逸出的光电子可以无标样直接确定元素及元素含量。
2、结构测定：主要以衍射方法为主。
衍射方法主要有X射线衍射、电子衍射、中子衍射、穆斯堡谱等，应用最多最普遍的是X射线衍射。
在材料结构测定方法中，值得一提的是热分析技术。
3、形貌观察：光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜。
第二章X射线衍射分析1、X射线的本质是电磁辐射，具有波粒二像性。
X射线的波长范围：0.01~100 Å 或者10-8-10-12 m 1 Å=10-10m（1）波动性（在晶体作衍射光栅观察到的X射线的衍射现象，即证明了X射线的波动性）；（2）粒子性（特征表现为以光子（光量子）形式辐射和吸收时具有的一定的质量、能量和动量）。
2、X射线的特征：①X射线对物质有很强的穿透能力，可用于无损检测等。
②X射线的波长正好与物质微观结构中的原子、离子间的距离相当，使它能被晶体衍射。
晶体衍射波的方向与强度与晶体结构有关，这是X射线衍射分析的基础。
③X射线光子的能量与原子内层电子的激发能量相当，这使物质的X射线发射谱与吸收谱在物质的成分分析中有重要的应用。
一、X射线的产生1.产生原理高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1％左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99％左右）能量转变成热能使物体温度升高。
2.产生条件（1）产生自由电子；（2）使电子作定向的高速运动；（3）在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止。
3.X射线管的结构封闭式X射线管实质上就是一个大的真空二极管。
基本组成包括：①阴极：阴极是发射电子的地方。
②阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方。
③窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。
④焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从这块面积上发射出X射线。
二、X射线谱由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型：(1)连续X射线；(2)标识X射线。
1、连续X射线具有连续波长的X射线，构成连续X射线谱，它和可见光相似，亦称多色X射线。
（1）产生机理能量为eV 的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hv 的光子，这样的光子流即为X 射线。
单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续X 射线谱。
（2）短波限连续X 射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限λ0.它是由电子一次碰撞就耗尽能量所产生的X 射线。
它只与管电压有关，不受其它因素的影响。
相互关系为：max 0hceV h νλ==式中e —电子电荷，等于1.602×10-19C ；V —电子通过两极时的电压降；h —普朗克常数，等于6.625×10-34j.s 随着管电压的增加，每条曲线都有一强度最大值和一个波长极限值（此波长极限值称短波限，用λ0表示，管电压越大，λ0越小。
短波限只与管电压有关，与阳极靶材料无关 （3）X 射线的强度X 射线的强度是指行垂直X 射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。
常用的单位是J/cm 2.s.X 射线的强度I 是由光子能量hv 和它的数目n 两个因素决定的,即I=nhv.连续X 射线强度最大值在1.5λ0,而不在λ0处。
连续X 射线谱中每条曲线下的面积表示连续X 射线的总强度。
也是阳极靶发射出的X 射线的总能量。
实验证明，I 与管电流、管电压、阳极靶的原子序数存在如下关系：1m I K iZV =连且X 射线管的效率为:211=X ==K ZV X K iZV iVη=射线功率射线管效率电子流功率2、标识X 射线是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，它和可见光中的单色相似，亦称单色X 射线。
这些谱线不随X 射线光管的工作条件而变，只决定于阳极物质。
（1）标识X 射线的特征当电压达到临界电压时，标识谱线的波长不再变，强度随电压增加。
如钼靶K 系标识X 射线有两个强度高峰为K α和K β，波长分别为0.71A 和0.63A. （2）产生机理标识X 射线谱的产生相理与阳极物质的原子内部结构紧密相关的。
原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。
在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。
较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X 射线谱。
（3）K 系激发机理K 层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K 激发态，高能级电子向K 层空位填充时产生K 系辐射。
L 层电子填充空位时，产生K α辐射；M 层电子填充空位时产生K β辐射。
由能级可知K β辐射的光子能量大于K α的能量，但K 层与L 层为相邻能级，故L 层电子填充几率大，所以K α的强度约为K β的5倍。
产生K 系激发要阴极电子的能量eVk 至少等于击出一个K 层电子所作的功Wk 。
Vk 就是激发电压。
（4）莫塞莱定律标识X 射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，是物质的固有特性。
且存在如下关系： 莫塞莱定律：标识X 射线谱的波长λ与原子序数Z关系为：()C Z σ-三、X 射线与物质相互作用X 射线与物质相互作用时，产生各种不同的和复杂的过程。
就其能量转换而言，一束X 射线通过物质时，可分为三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。
1、X 射线的散射X 射线被物质散射时，产生两种现象：相干散射、非相干散射。
（1）相干散射物质中的电子在X 射线电场的作用下，产生强迫振动。
这样每个电子在各方向产生与入射X 射线同频率的电磁波。
新的散射波之间发生的干涉现象称为相干散射。
（2）非相干散射X 射线光子与束缚力不大的外层电子 或自由电子碰撞时电子获得一部分动能成为反冲电子，X 射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。
非相干散射是康普顿（pton ）和我国物理学家吴有训等人发现的，亦称康普顿效应。
非相干散射突出地表现出X 射线的微粒特性，只能用量子理论来描述，亦称量子散射。
它会增加连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别对轻元素。
2、X 射线的吸收物质对X 射线的吸收指的是X 射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量，X 射线发生了能量损耗。
物质对X 射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。
这个过程中发生X 射线的光电效应和俄歇效应。
（1）光电效应以X 光子激发原子所发生的激发和辐射过程。
被击出的电子称为光电子，辐射出的次级标识X 射线称为荧光X 射线。
产生光电效应，X 射线光子波长必须小于吸收限λk 。
（2）俄歇效应原子在入射X 射线光子或电子的作用下失掉K 层电子，处于K 激发态；当L 层电子填充空位时，放出EK-EL 能量，产生两种效应：①荧光X 射线；②产生二次电离，使另一个核外电子成为二次电子——俄歇电子。
3、X 射线的衰减规律当一束X 射线通过物质时，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的强度衰减。
衰减的程度与所经过物质中的距离成正比。
()H H H x xx dx x x m e I e I I dx I dI I I I ρμρρμμ--+==-==-0/0μL 为线吸收系数（cm -1），与入射X 射线束的波长及被照射物质的元素组成和状态有关。
μm 为质量衰减系数，表示单位重量物质对X 射线强度的衰减程度。
等于散射系数和吸收系数的和。
质量衰减系数与波长和原子序数Z 存在如下近似关系：33m K Z μλ≈，K 为常数。
这表明，当吸收物质一定时，X 射线的波长越长越容易被吸收，吸收体的原子序数越高，X 射线越容易被吸收。
μm 随λ的变化是不连续的其间被尖锐的突变分开。
其中一些突变对应于相应的波长称吸收限， 与K 层电子对应的吸收称为K 吸收限λk 。
4、吸收限的应用吸收限主要是由光电效应引起的：当X 射线的波长等于或小于λk 时光子的能量E 到击出一个K 层电子的功W ，X 射线被吸收，激发光电效应。
使μm 突变性增大。
吸收限与原子能级的精细结构对应。
如L 系有三个副层，有三个吸收限。
滤波片的选择: (1)它的吸收限位于辐射源的K α和K β之间，且尽量靠近K α。
强烈吸收K β，K α吸收很小；(2)滤波片的以将K α强度降低一半最佳。
Z 靶<40时 Z 滤片=Z 靶-1；Z 靶>40时 Z 滤片=Z 靶-2。
利用这一原理，可以合理地选用滤波材料。
例如为使K α和K β两条特征谱线中去掉一条，可以选择一种合适的材料制成薄片，置于入射线束的光路中，滤片将强烈地吸收其中的某个特征谱峰，而对另外一条则很少吸收，这样就可以实现单色的特征辐射。
阳极靶的选择:在X 射线衍射实验中，阳极靶的荧光X 射线是一种不利因素，为此（1）阳极靶K 波长稍大于试样的K 吸收限；（2）试样对X 射线的吸收最小。
Z 靶≤Z 试样+1。
例如在研究纯铁时，最好选用钴钯或铁钯，而不能用镍钯，更不能用铜钯，因为铁的λk ＝0.17429nm ，钴钯的Ka 波长＝0.17902nm, 因此钴钯不能激发铁的K 系荧光辐射，同样铁钯也不能激发自身的荧光辐射。
四、晶体学基本知识衍射线的分布规律由晶胞的大小、形状和位向决定；而强度则由原子在晶胞中的位置、数量和种类决定。
晶格：这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，称为晶格。
其示意图如右图所示。
晶胞：从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元来分析晶体中原子排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。
【晶胞知识要点】①晶胞一定是一个平行六面体，其三边长度a,b,c 不一定相等，也不一定垂直。
②划分晶胞要遵循2个原则：一是尽可能反映 晶体内结构的对称性；二是尽可能小。
③整个晶体就是由晶胞周期性的在三维空间并置堆砌而成的。
晶格常数：在结晶学中规定用晶格常数来表示晶胞的形状和大小。