材料表征梳理

材料表征梳理

1.电子显微镜的类型

透射电子显微镜（TEM）：

透射电镜是投射成像，图像是二维的，靠欠焦形成一定的图像反差。分辨率可以达到两个埃（0.2nm）的水平

扫描电子显微镜（SEM）：

扫描电镜是反射成像，图像是三维的，有很好的立体感，但分辨率低于透射电镜，目前指标分辨率可以达到3nm。主要是利用样品表面产生的二次电子成像来对物质的表面结构进行研究，是探索微观世界的有力工具。

2.二次电子机理

扫描电镜是用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，成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子。其中二次电子是最主要的成像信号。由电子枪发射的能量为 5 ～35keV 的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射（以及其它物理信号），二次电子发射量随试样表面形貌而变化。二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。

3.试扼要叙述下列分析技术在聚合物研究方面的应用（10分）

SEM：材料的表面形貌，形貌特征。配合EDX可以获得材料的元素组成信息TEM：材料的表面形貌，结晶性。配合EDX可以获得材料的元素组成

FTIR：主要用于测试高分子有机材料，确定不同高分子键的存在，确定材料的结构。如单键，双键等等

a）SEM；

特点：

图像景深大，富有立体感。

试样制备比TEM简单。

可做综合分析：SEM装上波长色散X射线谱仪（WDX波谱仪）或能量色散X 射线谱仪（EDX能谱仪）后，在观察扫描形貌图像的同时，可对试样微区进行元素分析。

b）FTIR；傅里叶变换红外光谱

研究聚合物物理过程：

聚合物结晶熔融（HDPE升温过程中的熔融、ipp升温过程中的熔融、PV A升温过程中的熔融）

聚合物玻璃化转变（PS的玻璃化转变）

聚合物的结晶（iPS的结晶、聚偏二氟乙烯的拉伸结晶）

聚合物的取向（液晶聚氨酯升温过程中的取向）

研究聚合物化学过程

聚合物的氧化降解机理（SEBS的热氧化）

聚合物的化学反应（环氧树脂的）

c）AFM；

原子力显微镜的样本可以是生理状态的各种物质，在大气条件或溶液中都能进行，因而只需要很少或不需对样品作前期处理，这样就使AFM能观察任何活的生命样品及动态过程。

测试样品的硬度和弹性等；AFM还能产生和测量电化学反应。AFM还具有对标本的分子或原子进行加工的力行为，例如：可搬移原子，切割染色体，在细胞膜上打孔等等。

原子力显微镜(AFM)已被用来研究膜的孔径和孔径分布、膜孔的结构、表面粗糙度、表面接点结构、膜的表面整体形态、膜污染机制和膜材料的选择等7个方面。原子力显微镜作为一种崭新的、有效的物理观测工具，在聚合物膜研究方面仍具有应用潜力。

d）DSC

DSC是在程序控制温度下，测量输入到样品和参比样的热流差随温度（时间）变化的一种技术。该热流差能反映样品随温度或时间变化所发生的焓变：当样品吸收能量时，焓变为吸热；当样品释放能量时，焓变为放热。

在DSC曲线中，对诸如熔融、结晶、固-固相转变和化学反应等的热效应呈峰形；对诸如玻璃化转变等的比热容变化，则呈台阶形。

4. 简答题：（20分）

1）AFM和FTIR测试中会出现哪些假象？

AFM：针尖成像（AFM中大多数假象源于针尖成像）、钝的或污染的针尖产生假象（这种假象的特征是整幅图像都有同样的特征）、双针尖或多针尖假象（这种假象是由于一个探针末端带有两个或多个尖点所致）、样品上污物引起的假象、激光干涉的假象（条纹状，一般为1.5-2.5μm）、参数不当造成的假象（反馈参数不当所造成的，一般在敲击模式中出现，表现为“拖尾”）

FTIR：气氛、正弦叠加（由干涉引起，经常出现于聚合物薄膜、也出现于液体池中）、污染（KBr的纯度、硅油或硅树脂，往往来源于真空设备或干燥器）2）试简述红外光谱中判断氢键形成的基本依据?

聚合物的氢键

氢键的分类（根据离解能的大小D0(298K)）：

强氢键。F......H......F，D0>40kJ/mol;

中强氢键。H2O......HF，D0=10-40kJ/mol;

弱氢键。Ar.....HCl，D0<10kJ/mol;

能形成氢键的原子：O、N、F、Cl等

氢键在红外上的表现特征

形成氢键时与氢键相关的官能团（X-H）的波数会移动（V S伸缩振动的峰向低波数移动、V b弯曲振动的峰同时向高波数移动）

形成氢键时与氢键相关官能团（X-H）的峰往往十分宽化，包括V S和V b

形成氢键时与氢键相关官能团（X-H）峰的强度会明显增加，包括V S和V b

5 论述题（20分）

聚合物的结构决定其性能，结构又可分为分子结构和聚集态结构。以工程塑料为

例(POM，PA66，PA6，PET，PBT，PPO，PPS，PC，PMMA等其中之一）详细阐述怎样表征聚合物的分子结构和聚集态结构，并说明这些结构上的表征结果与工程塑料的哪些性能有直接的关系。

1)聚合物的化学结构表征方式

对于聚合物的化学结构分析最常采用的分析手段为核磁、红外。另外色谱、能谱、热分析也是研究聚合物结构的重要手段，如可利用裂解-气质联用仪对聚合物单体和聚合物进行定性和定量分析；也可以根据X射线光电子能谱(XPS)较好的表征聚合物的表面能和表面微相结构，得到表面元素的组成信息，以及距离表面不同深度的组成信息；也可采用热分析TGA和DSC分析聚合物的晶型转变、分解等变化，从而更加全面的剖析聚合物的结构和性能等等。

核磁共振技术主要可对聚合物作以下几种形式上的表征：共

混及三元共聚物的定性定量分析、异构体的鉴别、端基表征、官能团鉴别、均聚物立规性分析、序列分布及等规度的分析等,对该聚合物的碳氢化学位移进行了归属，确定了该聚合物的成分及其结构。

红外光谱对聚合物的表征有较为广泛的应用：(1)定性分析：可以帮助确定部分乃至全部分子类型及结构；(2)定量分析方面，红外光谱用于异构体的分析；

(3)辅助解析：红外谱图能对聚合物甚至是复杂的共混聚合物的剖析提供一个有效的辅助检测手段。

2）聚合物的聚集态结构表征方式

主要通过电镜分析形貌、介电谱分析高分子排列状态、核磁分析高分子的取向排列、X射线衍射分析聚合物空间结构等等。

对聚合物形貌结构的分析手段主要有扫描电镜(SEM)、透射

电镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)等，而其中AFM因具有分辨率

高、样品不需要复杂的预处理以及可在液体(水、氯化钠溶液)介

质中直接对物质的表面形貌、表面微结构、物理性质等信息观测

等优点。

通过介电谱得到弛豫数据、弛豫响应的变化可以检测带有相反电荷的聚合物和表面活性剂的相互作用过程。

粒径观察的方法有：电镜观察法、X-射线衍射线宽法、激光光散射法、扫描探针显微技术等，这些检测方法同样可以应用于聚合物粒径的分析。

用红外光谱检测聚甲醛是均聚还是共聚结构，用DSC检测它的结晶情况。