现代材料测试技术(陶文宏)绪论

主要参考书
1、杨南如.无机非金属材料测试方法. 武汉工业大学出 版社, 1993 2、王成国,等.材料分析测试方法.上海交通大学出版 社,1994 3、物相分析.武汉工业大学出版社, 1994 4、王英华.X光衍射技术基础. 原子能出版社, 1993 5、邵国有.硅酸盐岩相学. 武汉工业大学出版社, 2006 6、常铁军,等.材料近代分析测试方法. 哈尔滨工业大学 出版社, 1999 7、孙业英.光学显微分析.清华大学出版社，2003
• 在X射线衍射分析部分，要求掌握X射线衍射技术、单物 相定性分析、多晶混合物相定性分析、X射线定量相分析 、晶体晶粒大小和晶格畸变的测定、宏观残余应力的测定 、多晶体织构的测定等。 • 在电子显微分析部分，要着重掌握几种常用电子显微分析 仪器的基本概念和原理、熟悉仪器结构、性能、实验操作 方法，并了解和基本掌握它们在材料微观组织结构和成分 分析中的应用，掌握样品制备方法和实验参数的选择，并 学会对各种电镜图像和信息进行识别和分析。 • 了解热分析的应用，能够通过热分析，获得所需的实验数 据，并进行正确的分析。 • 了解材料现代电子显微分析领域的新技术及其发展动态。 • 了解成分测试的谱分析技术。
绪 论
材料科学的任务是研究、制造和使用材料。 材料是人类文明的物质基础，从远古的石器 时代到青铜器时代，然后再进入铁器时代、蒸汽 机时代，每一种新材料的出现和使用，都伴随着 生产力和科学技术的发展，标志着人类文明的进 步。
石器时代
青铜器时代
铁器时代
蒸汽机时代
绪论
材料的分类： 按化学成分分：金属材料、无机非金属材料、 有机高分子材料、复合材料等。
绪 论
什么是材料？
用以制造有用的构件、器件或其它物品的物质。
人类的生活和生产中，材料是必需的物质基础。 新材料的使用对人类历史的发展起了重要的作用。 20世纪70年代人们曾把材料、信息、能源归纳 为现代文明的三大支柱，现在又预言新的技术革命 即将来临，并且把信息技术、生物技术和新型材料 作为这次革命的重要标志。
现代材料测试技术
陶文宏 主编
现代材料测试技术
• • • • • • • • • • • 绪 论 第一章 X-射线衍射分析 第二章 电子光学基础 第三章 透射电子显微镜 第四章 扫描电子显微分析 第五章 晶体光学基础 第六章 光学显微分析 第七章 热分析技术 第八章 红外光谱分析 第九章 X光光谱显微分析 第十章 其他分析测试技术
按使用用途分：建筑材料、包装材料、信息材 料、生物医用材料等。
材料的组成、结构、生产工艺与性能的关系
高性能材料的发展促使材料工作者去探求材料 组成、结构、生产工艺和性能之间的关系。
生产工艺
组成
结构
性能
材料的性能是材料内部因素在一定外界因素作 用下的综合反映。 物质的组成和结构取决于材料的生产工艺和使 用条件。
用的分析手段，其次着重从每种分析手段的分析原理上介绍，而避免对
仪器细节和公式推导的过多铺陈，从而有助于学生抓住重点，获得明晰 的认识。
4）前沿性。使用大量典型研究成果作为范例，使学生对于仪器的使用效果
产生直观的认识，有助于将来的实际运用。
通过本课程的学习，并结合相配套的各 种实验、实践教学，达到以下目标：
考试
100
出勤率(20)
总 成 绩
作业(20)
考试(60)
授 课 方 式
课堂讲授（36学时） 课堂练习（10学时） 课堂讨论
课后思考题
专业文献阅读
1.材料测试分析技术主要包括哪些内容？ • • • • • • 材料的表面和内部的形貌、显微结构； 晶体材料的相结构； 化学成分分析； 分子结构分析； 热分析。 试列举以上测试分析技术对应分析手段有 哪些？
结构测定
包括晶体结构、薄膜结构、表面结构分析等
X射线衍射分析：晶体结构分析。
电子衍射：选区晶体结构分析。
中子衍射：晶体结构分析、晶体磁学性质研究等。
俄歇电子能谱：表面结构分析。
图像分析
光学显微分析
透射光显微镜、反射光显微镜 电子显微分析（扫描电镜、透 射电镜）
隧道扫描显微镜、原子力显微
镜等
OM
2.材料测试技术的共同之处在哪里？ • 除了个别的测试手段（扫描探针显微镜） 外，各种测试技术都是利用入射的电磁波 或物质波（如X射线、高能电子束、可见光 、红外线）与材料试样相互作用后产生的 各种各样的物理信号（射线、高能电子束 、可见光、红外线），探测这些出射的信 号并进行分析处理，就课获得材料的显微 结构、外观形貌、相组成、成分等信息。
不良品 良 品
Ｃ
浸炭不 良部
不良品
齿轮疲劳失效，是由于 渗碳处理不均匀，根本 原因在于硅的偏聚。
良 品
Ｓｉ
X射线荧光光谱（XPS）
本课程的特点
1）系统性。依照材料研究方法的基本原理，将各种分析手段按照材料研究
的本质分类。 2）本质性。提炼出每一类分析方法共同的本质，对共同原理进行深入分析 和介绍，便于学生从本质上理解基本原理。 3）选择性。现代材料分析手段纷繁复杂，很难也没有必要在一本教材里对 每种方法进行详细地介绍。本教材首先是精选出若干种最常规和广泛使
Ni-Cr合金的铸造组织
SEM
SPM
云母的表面原子阵列
XRD
Intensity
t-ZrO2 ZrSiO4
20
25
30
35
40
45
50ห้องสมุดไป่ตู้
55
60
Two Theta (degree)
理学D/max 2000自动X射线仪
图2 锆英石为主晶相的X射线谱
TEM
EPMA
島津EPMA-1600
EDS应用举例
材料的性能主要决定于其化学成分、矿物组成、 宏观结构以及微观结构。 其中物相组成，尤其是结晶矿物相组成和微观结 构特征是在化学成分确定后对物质的性质起着关键性 的作用。 因为物相组成及显微结构是无机材料生产过程和 生产工艺条件的直接记录，每个生产环节发生的变化 均在物相组成及显微结构上有所体现。 而材料的组成和结构特征，又直接影响甚至决定 着材料的性能、质量、应用性状和效果。 改变材料的化学组成、生产工艺，就能获得具有 不同物相组成和结构的制品，制品的性能也就不同。 为了获得具有所需要的使用性能的新型材 料，可 以通过物相组成和显微结构的设计，选用合适的原料 配方，采用特定的生产过程及工艺条件，通过试验和 研究而获得需要的产品。
材料分析的种类 化学成分分析、结构测定、图像分析 分析仪器 ������ 显微镜：显微组织观察 ������ 衍射仪：测定结构 ������ 谱仪：分析成分
化学成分分析
化学成分的表征包括元素成分分析和微区成分分析。 所用仪器包括： 光谱（紫外光谱、红外光谱、荧光光谱、激光拉曼光 谱等） 色谱（气相色谱、液相色谱、凝胶色谱等） 热谱（差热分析、热重分析、示差扫描量热分析等） 表面分析谱（X射线光电子能谱、俄歇电子能谱、电 子探针、原子探针、离子探针、激光探针等） 原子吸收光谱、质谱、核磁共振谱、穆斯堡尔谱等
材料的物相组成和显微结构的获得必须通过一 定的测试方法和手段。 “现代材料测试技术”课程就是为研究材料内 部的物相组成和结构而设置的一门专业技术基础课。 每一个从事材料科学研究的科技工作者、生产 者都必须掌握和了解一定的材料测试方法方面的知 识。
测试材料组成和结构的仪器方法
X射线衍射分析 电子显微分析 热分析 光谱分析 表面分析等
“现代材料测试技术”的教学目的
Why：了解研究材料结构、性能的重要性 Understand why materials characterization is important What：掌握材料结构、性能的测试方法 Know what techniques are available for materials characterization How：了解影响材料测试、分析结果的仪器因素 Understand how strengths and weaknesses of characterization techniques affect our interpretation of results