材料现代测试分析方法的应用与发展趋势

材料现代测试分析方法的应用现状与发展趋势
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材料现代测试分析方法的应用现状与发展趋势
目录
一、材料现代分析测试方法-------------------------------------------------------------- - 1 -
二、衍射分析 ------------------------------------------------------------------------------- - 1 -
X射线衍射分析法的应用与发展趋势 --------------------------------------------- - 1 - （一）X射线衍射分析 -------------------------------------------------------- - 1 -
（二）X射线衍射分析的应用 ----------------------------------------------- - 2 -
（三）X射线衍射分析法的发展趋势 -------------------------------------- - 2 -
三、光谱分析 ------------------------------------------------------------------------------- - 4 -
I、红外光谱分析法的应用与发展趋势 ------------------------------------------ - 4 -
（一) 红外光谱法 ---------------------------------------------------------------- - 4 -
（二) 红外光谱分析法的应用------------------------------------------------- - 5 -
（三) 红外光谱分析法的发展趋势------------------------------------------- - 5 - II、拉曼光谱分析法的应用与发展趋势 ----------------------------------------- - 6 - （一）拉曼光谱分析法 -------------------------------------------------------- - 6 -
（二）拉曼光谱分析法的应用 ----------------------------------------------- - 7 -
（三）拉曼光谱分析法的发展趋势 ----------------------------------------- - 7 -
四、电子能谱分析 ------------------------------------------------------------------------- - 8 -
I、俄歇电子能谱分析法的应用与发展趋势 ------------------------------------ - 8 -
（一）俄歇电子能谱分析法 -------------------------------------------------- - 8 -
（二）俄歇电子能谱法的应用 ----------------------------------------------- - 8 -
（三）俄歇电子能谱法的发展趋势 ----------------------------------------- - 8 - II、X射线光电子能谱分析法的应用与发展趋势 ----------------------------- - 9 - （一）X射线光电子能谱分析 ----------------------------------------------- - 9 -
（二）X射线光能谱法的应用 ----------------------------------------------- - 9 -
（三）X射线光能谱法的发展趋势 ---------------------------------------- - 10 - 五、材料电子显微分析 ------------------------------------------------------------------ - 10 -
（一）电子显微分析 ---------------------------------------------------------- - 10 -
（二）透射电镜 ---------------------------------------------------------------- - 11 -
（三）扫描电镜 ---------------------------------------------------------------- - 11 - 扫描电镜的应用------------------------------------------------------------- - 11 - （四）显微分析的发展趋势 ------------------------------------------------- - 11 - 六、总结 ------------------------------------------------------------------------------------ - 12 - 参考文献-------------------------------------------------------------------------------------- - 13 -
一、材料现代分析测试方法
材料分析测试方法是关于材料成分、结构、微观形貌与缺陷等的分析、测试技术及其有关理论基础。

基于电磁辐射及运动电子束和物质相互作用的各种性质建立的各种分析方法已经成为材料分析测试方法的重要组成部分，大体可分为衍射分析、光谱分析、能谱分析和电子显微分析四大类方法。

衍射分析是以材料结构分析为基本目的的分析方法，主要用于晶体的相结构分析，包括X射线衍射分析、电子衍射分析和中子衍射分析等。

光谱分析是以材料成分分析为基本目的的分析方法，主要用于有机物的分子结构分析，包括各种吸收光谱分析方法、发射光谱分析方法和散射光谱（拉曼散射谱〕分析方法。

能谱分析是以材料成分分析为基本目的的分析方法，主要用于化学成分和价键（电子）结构分析，包括光电子能谱、俄歇电子能谱、离子中和谱和电子能量损失谱。

电子显微分析是以材料微观形貌、结构与成分分析为基本目的。

其中的一些分析方法也可归于光谱分析（如电子探针）、能谱分析（如电子激发俄歇能谱）和衍射分析（如电子衍射）等范畴。

透射电子显微镜分析（ＴＥＭ）和扫描电子显微分析（ＳＥＭ）及电子探针分析（ＥＰＡ）是基本的电子显微分析方法。

二、衍射分析
X射线衍射分析法的应用与发展趋势
（一）X射线衍射分析
X射线衍射分析（X-ray diffraction，简称XRD），是利用晶体形成的Ｘ射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。

将具有一定波长的Ｘ射线照射到结晶性物质上时，Ｘ射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的Ｘ射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。

（如图1）
图1：X射线衍射的产生
由布拉格方程：可知：通过衍射X射线强度的比较，可
进行定量分析。

本法的特点在于可以获得元素存在的化合物状态、原子间相互结合的方式，从而可进行价态分析，可用于对环境固体污染物的物相鉴定，如大气颗粒物中的风砂和土壤成分、工业排放的金属及其化合物（粉尘）、汽车排气中卤化铅的组成、水体沉积物或悬浮物中金属存在的状态等等。

（二）X射线衍射分析的应用
X射线衍射的主要应用范围包括物相分析、点阵常数的精确测定、应力的测定、晶粒尺寸和点阵畸变的测定、单晶取向和多晶织构测定等。

因为X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。

所以，X射线衍射分析法作为材料结构和成分分析的一种现代科学方法，已逐步在各学科研究和生产中广泛应用。

其应用范围非常广泛，现已渗透到物理、化学、材料科学以及各种工程技术科学中，成为一种重要的物质结构分析方法。

尽管可以采用中子衍射、电子衍射、红外光谱、穆斯堡尔谱等方法，但是X 射线衍射是最有效的、应用最广泛的手段，而且X 射线衍射是人类用来研究物质微观结构的第一种方法。

由于晶体存在的普遍性和晶体的特殊性能使其在计算机、航空航天、能源、生物工程等工业领域得到最大限度的应用，随着人们对晶体的研究日益深入，使得X射线衍射分析成为研究晶体最方便、最重要的手段。

各种衍射实验方法中，基本方法有单晶法（劳埃法与周转晶体法）、多晶法（照相法与衍射仪法）和双晶法。

研究晶体材料时，X射线衍射方法在晶体结构，特别是纳米材料的结构、材料的相分析和原位无损化学成分分析、材料的织构分析、材料残余应力和微观应变（晶格畸变、点缺陷、层错等）等方面发挥了巨大的不可替代的作用。

测定残余应力的方法有电阻应变片法、机械引伸仪法、小孔松弛法、超声波、光弹性复膜法和X射线法等。

由于X射线应力测定本质是测定晶体材料在应力作用下晶体结构发生的变化，所以具有以下优点：
1、X射线法测定表面残余应力为非破坏性试验方法。

2、塑性变形时晶面间距并不变化，也就不会使衍射线位移，因此，X射线法测定的是纯弹性应变。

用其他方法测得的应变，实际上是弹性应变和塑性应变之和，两者无法分辨。

3、X射线法可以测定1~2mm以内的很小范围内的应变，而其他方法测定的应变，通常为20~30mm范围内的平均。

4、X射线法测定的是试样表层大约10μm深度内的二维应力。

采用剥层的办法，可以测定应力沿层深的分布。

5、可以测量材料中的三类应力。

但其缺点是由于测量精确度受组织结构的影响较大，X射线难以测定动态瞬时应力。

在金属材料的研究中，由于金属单晶很难得到，1916年，德拜（P.Debye ）和谢乐（P.Scherrer ）发表了多晶体衍射法，又称为X射线粉末法。

1917年，霍尔（A.W.Hull）也独立地创立这个方法，并测定α-Fe的结构。

金属材料及其制品在冷、热加工（如切削、装配、冷拉、冷轧、喷丸、铸造、锻造、热处理、电镀等）过程中，常常产生残余应力。

残余应力对制品的疲劳强
度、抗应力腐蚀疲劳、尺寸稳定性和使用寿命有着直接的影响。

研究和测定材料中的宏观残余应力有巨大的实际意义，例如可以通过应力测定检查消除应力的各种工艺的效果；可以通过应力测定间接检查一些表面处理的效果；可以预测零件疲劳强度的贮备等等。

因此研究和测定材料中的宏观残余应力在评价材料强度、控制加工工艺、检验产品质量、分析破坏事故等方面是有力的手段。

在无机合成中，X射线衍射分析被广泛用来表征待测化合物、探讨制备条件对组成结构的影响、推测反应机理及解决生产中的问题。

纳米材料由于颗粒细小，极易形成团粒，采用通常的粒度分析仪往往会给出错误的数据。

采用X 射线衍射线线宽法可以测定纳米粒子的平均粒径。

X射线粉末衍射分析的应用更为广泛，通过对衍射峰强度准确测量，使物相分折从定性发展到定量；点阵常数的测定；通过对衍射峰峰形〔也称衍射线线形〕的分析来测定多晶聚集体的某些性质，如晶粒尺寸、外形和尺寸分布等；在此基础上，又进一步发展到研究晶体的真实结构，如研究存在于晶体内的微应变、缺陷和堆垛层错等。

但是任何方法都有局限性，有时X射线衍射分析时往往要与其他方法配合才能得出正确结论。

例如，合金钢中常常碰到的TiC、VC、ZrC、NbC及TiN都具有NaCl结构，点阵常数也比较接近，同时它们的点阵常数又因固溶其他合金元素而变化，在此情况下，单纯用X射线分析可能得出错误的结论，这时应与化学分析、电子探针分析等相配合。

X射线衍射分析法的发展趋势
自1912年，劳埃提出劳埃方程起，随着机械和微电子学技术的快速发展，X射线光源、光学配件、探测器、软件以及样品台等方面不断进行革新和改进，使得X射线衍射仪检测精度及可靠性逐渐提高，特别是与计算机技术的结合，构成了现代X射线衍射分析技术。

随着技术手段的不断创新和设备的不断完善升级，X射线衍射理论已基本完善，是一门相当成熟的学科，而X射线衍射技术仍在不断发展，从X射线衍射发展方向可以看出，衍射仪的多用途一体化和自动化是未来发展趋，而且在材料分析领域必将拥有更广阔的应用前景。

随着各行业对金属材料的需求不断增长，一些复杂的金属材料应运而生。

这些高端而复杂的金属材料通常具有比较优良的性能，而对这些金属材料的成分进行表征分析，可以深入了解材料的组成元素及其内部构造，可以为我们更好地去研发设计复杂的金属材料提供依据。

金属X射线分析由于设备和技术的普及已逐步变成金属研究和有机材料，纳米材料测试的常规方法，而且还用于动态测量。

金属材料成分分析传统方法中有X 射线荧光光谱法，这是一种利用金属元素外层高能电子在做减速运动时或金属原子内层电子在进行跃迁时所产生电磁辐射波，然后金属原子对此电磁辐射波进行吸收并发射出相应的特征谱线的分析方法。

由于X射线荧光光谱法的分析范围比较广，且可以对金属材料的成分进行快捷的分析而得到了广泛地使用。

但该方法要求较高的样品均一性，并受到基体效应的影响，因而操作过程要求比较严格，通常需要进行一定程度地校正。

随着金属材料的复杂性越来越强，各种痕量元素的快速与简便测量变得愈加重要，而现有的一些传统方法由于操作复杂，灵敏度不高和受外部环境影响较大
已渐渐少用。

据此分析，金属材料的分析方法也会朝着快捷、方便、高精度地方向发展。

计算机的普遍使用让各种测量仪器的功能变得强大，测试过程变得简单快捷，双晶衍射、多重衍射也越来越完善。

但是，随之而来的软件也缺陷越来越明显，在各种分析过程中，软件分析检索的准确度都不尽人意。

纵观整个X射线衍射领域，可以看出仪器设备的精密化和多用途化是一个发展趋势然，而各种设备运行的软件明显落后于设备的发展，所以今后迫切的需要是软件系统的更新和完善,用以完善高技术带来的负面效果。

光谱分析
I、红外光谱分析法的应用与发展趋势
（一)红外光谱法
红外光谱法（Infrared Spectroscopy）：即以连续变化的各种波长的红外光为光源照射样品时，引起分子振动和转动能级之间的跃迁，所测得的吸收光谱为分子的振转光谱，又称红外光谱。

红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。

（如图2）
图2：红外光谱图
将分子吸收红外光的情况用仪器记录下来，就得到红外光谱图。

红外光谱图通常用波长(λ)或波数(σ)为横坐标，表示吸收峰的位置，用透光率(T%)或者吸光度(A)为纵坐标，表示吸收强度。

通常将红外光谱分为三个区域：近红外区(0.76~3μm)、中红外区(3~30μm)和远红外区(30~1000μm)。

（如图3）
图3：红外光谱的区分
一般说来，近红外光谱是由分子的倍频、合频产生的；中红外光谱属于分子的基频振动光谱；远红外光谱则属于分子的转动光谱和某些基团的振动光谱。

由于绝大多数有机物和无机物的基频吸收带都出现在中红外区，因此中红外区是研究和应用最多的区域，积累的资料也最多，仪器技术最为成熟。

通常所说的红外光谱即指中红外光谱。

红外光谱的定性分析主要包括：已知物的鉴定、未知物结构的测定和确定未知物的不饱和度。

它的解析能够提供许多关于官能团的信息，可以帮助确定部分乃至全部分子类型及结构，具有特征性高、分析时间短、需要的试样量少、不破坏试样、测定方便等优点。

而红外光谱定量分析是通过对特征吸收谱带强度的测量来求出组份含量的。

（二)红外光谱分析法的应用
因为红外吸收只有振转跃迁，所以能量低，且应用范围广，几乎所有有机物均有红外吸收，它已成为现代结构化学、分析化学最常用和不可缺少的工具，是鉴定化合物和测定分子结构的最有用方法之一。

材料的结构和性能是材料科学研究的重心,改进材料的微结构是改进材料的性能、开发新材料的有效途径。

红外线吸收光谱法可以对材料的研究提供各种信息，研究材料的结构和性能，从而改进材料性能开发新材料。

红外光谱经历了从棱镜红外、光栅红外，目前已进入傅里叶时期。

傅立叶变换红外光谱(FTIR) 实验技术进入现代化学家的实验室，成为结构分析的重要工具。

它以高灵敏度、高分辨率、快速扫描、联机操作和高度计算机化的全新面貌使经典的红外光谱技术再获新生。

随着傅立叶变换红外光谱技术的发展，远红外、近红外、偏振红外、高压红外、红外光声光谱、红外遥感技术、变温红外、拉曼光谱、色散光谱等技术也相继出现，这些技术的出现使红外成为物质结构和鉴定分析的有效方法。

目前，近红外光谱的应用技术获得了巨大发展，已广泛地应用于石油勘探-分析、地质矿物的鉴定，农业生物学、医学、法庭科学、气象科学、染织工业、原子能科学等方面的研究，对推进生产和科研领域的技术进步发挥了巨大作用。

例如对刑侦工作中对物证的鉴定；对食品的掺假检测；对珠宝玉石的检测；在医学上应用于活体癌变细胞的鉴别，胃镜样品无创、快速、准确的在体临床诊断的新方法等等。

金属材料的化学成份分析是评价材料质量的重要途径，目前采用的国内外标准方法和许多日常分析的实用方法对金属材料的成份进行测定。

在纳米金属氧化物材料的表征手段中，红外光谱法是非常重要的一种分析方法，它可以提供纳米材料中的空位、间隙原子、位错、晶界和相界等方面的信息，确定最佳的实验条件，考察材料的红外吸收特性等。

它在纳米金属氧化物材料的研究中被广泛应用着，并发挥着越来越重要的作用。

红外线吸收光谱法测定钢铁材料碳、硫的装置是集气体吸收池，高温加热炉（一般采用高频感应加热炉）于一体的专用分析仪器。

试样中的碳（或硫）经高温加热熔化并在氧气中氧化生成CO2或SO2气体，用红外光谱法对其含量作定量测定。

（三)红外光谱分析法的发展趋势
随着计算机科学的迅速发展，以及化学计量学方法在解决光谱信息提取和消
除背景干扰方面取得的良好效果，红外线光谱法的应用已经逐渐完善。

数字化光谱仪器与化学计量学方法的结合标志着现代近红外光谱技术的形成。

近红外光谱技术是90年代以来发展最快、最引人注目的光谱分析技术，测量信号的数字化和分析过程的绿色化使该技术具有典型的时代特征。

由于近红外光在常规光纤中有良好的传输特性，使近红外光谱技术在实时在线分析领域中得到非常全面的应用，并且还具有很大的发展前景。

但是就金属材料来看，目前对纳米金属氧化物的红外光谱研究仍然相对较少，且数据比较分散，规律上尚未形成统一的结论。

所以，下一步的目标除了继续发展红外光谱法的传统应用外，还需不断拓宽红外光谱法的应用范围，并进一步探求纳米金属氧化物红外光谱变化的本质原因，进而给出理论上定量的解释。

另外，红外光谱的模拟还需不断完善，为纳米金属氧化物材料的研究和应用提供强有力的工具。

当代红谱技术的发展已使红外光谱的意义远远超越了对样品进行简单的常规测试并从而推断化合物的组成的阶段。

红外光谱仪与其它多种测试手段联用衍生出许多新的分子光谱领域，近年来，利用计算机方法解析红外光谱，在国内外已有了比较广泛的研究，新的成果不断涌现，不仅提高了解谱的速度，而且成功率也很高。

随着计算机技术的不断进步和解谱思路的不断完善，计算机辅助红外解谱必将对教学、科研的工作效率产生更加积极的影响。

II、拉曼光谱分析法的应用与发展趋势
（一）、拉曼光谱分析法
拉曼光谱（Raman spectra），是一种散射光谱。

它是1928年印度物理学家C.V. Raman发现的。

对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。

（如图4）
图4：拉曼光谱
拉曼光谱分析法可提供快速、简单、可重复、无损伤的定性定量分析，拉曼谱线的数目、拉曼位移和谱线强度等参量提供了被散射分子及晶体结构的有关信息，揭示原子的空间排列和相互作用。

而且拉曼光谱分析法无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英和光纤测量。

拉曼光谱的分析方向有：定性分析、结构分析、定量分析。

在化学结构分析中，独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数量相关。

在分子结构分析中，拉曼光谱与红外光谱是相互补充的。

因此，一些在红外光谱仪无法检测的信息在拉曼光谱能很好地表现出来。

拉曼效应普遍存在于一切分子中，无论是气态，液态和固态，拉曼散射光谱
对于样品制备没有特殊要求；对于样品数量要求比较少，可以是毫克甚至微克的数量级。

拉曼散射最突出的优点是采用光子探针，对于样品是无损伤探测，尤其适合对那些稀有或珍贵的样品进行分析，甚至可以用拉曼光谱检测活体中的生物物质。

但是拉曼光谱的缺点之一是会产生荧光干扰，样品一旦产生荧光，拉曼光谱会被荧光所湮灭检测不到样品的拉曼信号。

二是检测灵敏度低。

（二）、拉曼光谱分析法的应用
拉曼光谱作为一种物质结构的分析测试手段而被广泛应用，尤其是60年代以后，激光光源的引入、微弱信号检测技术的提高和计算机的应用，拉曼光谱得到了迅速的发展，出现了很多新的拉曼光谱技术，使拉曼光谱分析在许多应用领域取得很大的发展。

目前，拉曼光谱已广泛应用于材料、化工、石油、高分子、生物、环保、地质等领域。

目前，拉曼技术在应用方面有几个热门：一是在生物学方面，可实现生物体的无损细胞水平的研究；二是在考古学和古生物学化石研究方面的应用；三是在天文学和地壳岩层的研究领域。

近几年，拉曼光谱已被用于漆膜下金属腐蚀产物的研究，研究大气腐蚀、局部腐蚀等。

这些多属于非电化学调制的原位或准原位的应用形式。

当然，激光拉曼光谱在材料中的应用远不止这些，它还应用与对一些材料结构的分析，金相的分析等等。

（三）、拉曼光谱分析法的发展趋势
随着纳米科学技术的迅速发展，各类制备不同纳米颗粒以及二维有序纳米图案的技术和方法将日益成熟，人们可以比较方便地在理论的指导下，寻找在过渡金属上产生强SERS效应的最佳实验条件。

这些突破无疑将为拉曼光谱技术广泛应用于各种过渡金属电极和单晶电极体系的研究开创新局面。

通过摸索合适的表面处理方法并采用新一代高灵敏度的拉曼谱仪，可将拉曼光谱研究拓展至一系列重要的过渡金属和半导体体系，进而将该技术发展成为一个适用性广、研究能力强的表面(界面)谱学工具，同时推动有关表面(界面)谱学理论的发展，就是纳米科技的迅猛发展。

它使得基于纳米结构的表面增强拉曼光谱（SERS）和针尖增强拉曼光谱（TERS）在超高灵敏度检测方面取得了长足的进步，推动拉曼光谱成为迄今很少的、可达到单分子检测水平的技术。

开展拉曼光谱与其他先进技术联用的研究势在必行。

近些年，实现拉曼与其它多种微区分析测试仪器的联用，其中有：拉曼与扫描电镜联用(Raman-SEM)；拉曼与原子力显微镜/近场光学显微镜联用(Raman-AFM/NSOM)；拉曼与红外联用(Raman-FTIR)；拉曼与激光扫描共聚焦显微镜联用(Raman-CLSM)，这些联用的着眼点是微区的原位检测。

通过联用可以获得更多的信息，并提高可靠度。

因此，国外的一些研究单位已经开始关注拉曼光谱仪和这些不同仪器的联用。

这无疑开拓新的发展方向，推动科学研究工作向更深更广的方面发展。

相信随着科学技术的进一步发展，拉曼技术的科研前景将会越来越广阔。

四、电子能谱分析
I、俄歇电子能谱分析法的应用与发展趋势
（一）、俄歇电子能谱分析法
俄歇电子能谱(AES、Auger)：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。

（如图5）
图5：俄歇电子能谱
入射电子束和物质作用，可以激发出原子的内层电子。

外层电子向内层跃迁过程中所释放的能量，可能以X光的形式放出，即产生特征X射线，也可能又使核外另一电子激发成为自由电子，这种自由电子就是俄歇电子。

（二）、俄歇电子能谱法的应用
俄歇电子能谱所考察的只是固体的表面层。

通常用电子束作辐射源，电子束可以聚焦、扫描，因此俄歇电子能谱可以作表面微区分析，并且可以从荧光屏上直接获得俄歇元素像。

它是近代考察固体表面的强有力工具，广泛用于各种材料分析以及催化、吸附、腐蚀、磨损等方面的研究。

俄歇电子能谱也可以分析除氢氦以外的所有元素。

现已发展成为表面元素定性、半定量分析、元素深度分布分析和微区分析的重要手段，大量用于定量组分分析。

定量分析的任务是根据测得的俄歇峰强度确定元素在表面的含量。

AES的最主要用途是表面的元素成份分析，主要优点是具有高的(亚单层)表面灵敏度、优异的空间分辨率、破坏性小，可分析除H、He以外的所有元素且可作零维一维二维和三维的表面分析，可作快速深度剖析微区分析和图象扫描都XPS优，但AES的化学信息可用性差。

材料的许多机械性质和腐蚀现象都与晶界化学有关，晶界断裂就是最明显的例子，AES很成功地研究许多钢和铁基合金脆断时晶界偏析的杂质。

AES可用于分析研究半导体器件。

欧姆接触和肖特基势垒二级管中金属/半导体结的组分、结构和界面化学等，进行质量控制、工艺分析和器件失效分析。

金属材料的许多性质，如腐蚀氧化应力疲劳磨损脆性粘着形变、摩擦等，不但与金属的表面形貌有关也同表面组成以及吸附分凝扩散等表面现象有关，更与金属晶界和界面情况有关，AES是这方面的一个有力的分析工具。

（三）、俄歇电子能谱法的发展趋势。