材料结构表征与应用(ppt文档)

1.材料现代分析方法
材料现代分析、测试技术的发展，使得材料分 析不仅包括材料（整体）成分、结构分析，也 包括材料表面与界面分析、微区分析、形貌分 析等诸多内容。材料分析方法也不仅是以材料 成分、结构等分析、测试为唯一目的，而是成 为材料科学的重要手段，广泛应用于研究和解 决材料理论和工程实际问题。
1.材料现代分析方法
材料的现代分析方法是关于材料的成分、 结构、微观形貌与缺陷等的现代分析、测试技 术及相关的理论基础的科学。
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。
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。
晶体的相结构。各种相的结构，即晶体结构类 型和晶体常数。
SPM应用
材料表面与薄膜硬度，微载荷划痕，摩 擦力，弹性等力学性能研究
表面原子，分子形貌及电子结构研究 材料与薄膜表面粗糙度，各种缺陷，形
貌，相组成，表面污染情况研究
SPM
云母的表面原子阵列
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。
2.材料分析的内容
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。
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。
除了个别研究手段（如扫描探针显微镜，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。
SPM特点
首先，SPM具有极高的分辨率。它可以轻易的“看到” 原子，这是一般显微镜甚至电子显微镜所难以达到的。
其次，SPM得到的是实时的、真实的样品表面的高分 辨率图像。而不同于某些分析仪器是通过间接的或计 算的方法来推算样品的表面结构。也就是说，SPM是 真正看到了原子。
再次，SPM的使用环境宽松。电子显微镜等仪器对工 作环境要求比较苛刻，样品必须安放在高真空条件下 才能进行测试。而SPM既可以在真空中工作，又可以 在大气中、低温、常温、高温，甚至在溶液中使用。 因此SPM适用于各种工作环境下的科学实验。
材料结构分析
内蒙古科技大学
第一章 绪论
材料研究的基本内容
材料的制备工艺研究 材料的各种处理工艺研究（热处理、表面处理……） 材料的各种性能分析方法及测试（力学、电学、磁学、光 学……） 材料的组成表征方法及分析研究（成分、微观结构、显微组 织……）
归纳——材料的制备与处理工艺、材料的组成（成分、结构） 及材料的性能。 材料研究工作，不管具体干什么，总离不开这几个方面内容。
1.材料现代分析方法
材料分析是通过对表征材料的物理性质或 物理化学性质参数及其变化(称为测量信号或 表征信息)的检测实现的。即材料分析的基本 原理（或称技术基础）是指测量信号与材料成 分、结构等的特征关系。采用各种不同的测量 信号形成了各种不同的材料分析方法。
材料结构的表征（或材料的分析方法）就 其任务来说，主要有三个，即成分分析、结构 测定和形貌观察。
电子显微镜是以电子束为照明源，通过电子流 对样品的透射或反射及电磁透镜的多级放大后 在荧光屏上成像的大型仪器，而光学显微镜则 是利用可见光照明，将微小物体形成放大影像 的光学仪器。
由于电子流的波长远短于光波波长，故电镜的 放大及分辨率显著地高于光镜
光学显微镜（Optical Microscope, OM)
Ni-Cr合金的铸造组织
扫描电子显微镜（scanning electron microscope， SEM)
扫描电子显微镜是继透射电子显微镜后 发展起来的
SEM是聚焦电子束在试样表面逐点扫描 成像，试样为块状或粉末颗粒
理想中的SEM分析：保持样品原有形态； 得到样品真实表面形貌；最简单的处理 方法；实时观察样品的变化过程
SEM应用
1.材料表面形态观察
SEM应用
2.断口形貌观察
SEM应用
3.磨损表面形貌观察
SEM应用
4.纳米结构材料形态观察
扫描电子显微镜
扫描探针显微镜（scanning probe microscopy，SPM）
扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope， SPM）是在扫描隧道显微镜的基础上发展起来 的各种新型探针显微镜（原子力显微镜AFM,激 光力显微镜LFM，磁力显微镜MFM等等）的统 称，是国际上近年发展起来的表面分析仪器， 它是利用带有超细针尖的探针逼近样品，并利 用反馈回路控制探针在距表面纳米量级位置扫 描，获得其原子以及纳米级的有关信息图像
三种组织分析手段的比较
光学显微镜
分辨率
1000 0 10
扫描探针显微镜 扫描电子显微镜
1000 1
100
10
1ห้องสมุดไป่ตู้
0.1 0.01 0.001
观察倍率 ×10000000 ×1000000 ×100000 ×10000 ×1000 ×100 ×10
0.1 ｎｍ 0.0001 μｍ
光学和电子显微镜
光学显微镜是利用光学原理，把人眼所不能分 辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结 构信息的光学仪器