同濟大學材料研究方法《材料研究方法》課后習題答案

1 材料研究方法課后習題答案 第 1 章 1、材料是如何分類的？材料的結(jié)構(gòu)層次有哪些？ 答：材料按化學組成和結(jié)構(gòu)分為：金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、復合材料； 按性能特征分為：結(jié)構(gòu)材料 、 功能材料； 按用途分為：建筑材料 、 航空材料、電子材料、半導體材料、生物材料、醫(yī)用材料。 材料的結(jié)構(gòu)層次有：微觀結(jié)構(gòu) 、 亞微觀結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)、宏觀結(jié)構(gòu)。 2、材料研究的主要任務和對象是什么，有哪些相應的研究方法？ 答： 任務 ：材料研究應著重于探索制備過程前后和使用過程中的物質(zhì)變化規(guī)律，也就是在此基礎(chǔ)上探明材料的組成 (結(jié)構(gòu) )、合成 (工藝過程 )、性能和效能及其之間的相互關(guān)系，或者說找出經(jīng)一定工藝流程獲得的材料的組成 (結(jié)構(gòu) )對于材料性能與用途的影響規(guī)律，以達到對材料優(yōu)化設(shè)計的目的，從而將經(jīng)驗性工藝逐步納入材料科學與工程的軌道 . 研究對象和相應方法見書第三頁表格。 3、材料研究方法是如何分類的？如何理解現(xiàn)代研究方法的重要性？ 答：按研究儀器測試的信息形式分為圖像分析法和非圖像分析法；按工作原理，前者為顯微術(shù)，后者為衍射法和成分譜分析。 第 2 章 1、 簡述現(xiàn)代材料研究的主 答：現(xiàn)代材料研究的主 （ 1） 于確定物質(zhì)中的物相組成 （ 2） 于測定某物相在物質(zhì)中的含量 （ 3） 于推斷測定晶體的結(jié)構(gòu) 2、試推導 并對方程中的主要參數(shù)的范圍確定進行討論 . 答：見書第 97頁。 3、 X 射線衍射試驗主要有那些方法 , 他們各有哪些應用，方 法及研究對象 . 答： 實驗方法 所用 輻射 樣品 照相法 衍射儀法 粉末法 勞厄法 轉(zhuǎn)晶法 單色輻射 連續(xù)輻射 單色輻射 多 晶 或 晶體粉末 單晶體 單晶體 樣品轉(zhuǎn)動或固定 樣品固定 樣品轉(zhuǎn)動或固定 德拜照相機 勞厄相機轉(zhuǎn)晶 粉末衍射儀 單晶或粉末衍射儀 單晶衍射儀 最基本的衍射實驗方法有：粉末法，勞厄法和轉(zhuǎn)晶法三種。由于粉末法在晶體學研究中應用最廣泛，而且實驗方法及樣品的制備簡單，所以，在科學研究和實際生產(chǎn)中的應用不可缺少；而勞厄法和轉(zhuǎn) 晶法主要應用于單晶體的研究，特別是在晶體結(jié)構(gòu)的分析中必不可少，在某種場合下是無法替代的。 第 3 章 1、如何提高顯微鏡分辨本領(lǐng)，電子透鏡的分辨本領(lǐng)受哪些條件的限制？ 2 答：分辨本領(lǐng)：指顯微鏡能分辨的樣品上兩點間的最小距離；以物鏡的分辨本領(lǐng)來定義顯微鏡的分辨本領(lǐng)。光學透鏡： n = N A，式中：是照明束波長；是透鏡孔徑半角； n 是物方介質(zhì)折射率； n 在物方介質(zhì)為空氣的情況下， N 。即使采用油浸透鏡 (n=一般為 70 75 )， N 以 1/2 。因此，要顯著地提高顯微鏡的分辨本領(lǐng)，必須使用波長比可見光短得多的照明源。 實際上，透鏡的分辨本領(lǐng)除了與衍射效應有關(guān)以外，還與透鏡的像差有關(guān)（球差）。 2、透射電子顯微鏡的成像原理是什么，為什么必須小孔徑成像？ 答：成像原理：質(zhì)厚和衍射襯度。 為了確保透射電鏡的分辨本領(lǐng)，物鏡的孔徑半角必須很小，即采用小孔徑角成像。一般是在物鏡的背焦平面上放一稱為物鏡光闌的小孔徑的光闌來達到這個目的。透鏡的分辨本領(lǐng)除了與衍射效應有關(guān)以外，還與透鏡的像差有 關(guān)（球差）。球差范圍內(nèi)距高斯像平面 3/4 有 。習慣上稱它為最小截面圓。在試樣上相應的兩個物點間距為： s/M= （高斯平面） ， r s=1/4 （最小截面圓所在平面）式中， 電磁透鏡的球差系數(shù)，為電磁透鏡的孔徑半角。 r s 或 球差系數(shù) 孔徑半角的立方成正比，隨著的增大，分辨本領(lǐng)也急劇地下降。 所以選擇小孔徑成像。 3、 電子顯微鏡的工作原理什什么？掃描電鏡各有哪些優(yōu)點？ 答：工作原理：由三極電子槍發(fā)射出來的電子 束，在加速電壓作用下，經(jīng)過電子透鏡聚焦后，在樣品表面按順序逐行進行掃描，激發(fā)樣品產(chǎn)生各種物理信號，如二次電子、背散射電子、吸收電子、 歇電子等。這些物理信號的強度隨樣品表面特征而變。它們分別被相應的收集器接受，經(jīng)放大器按順序、成比例地放大后，送到顯像管的柵極上，用來同步地調(diào)制顯像管的電子束強度，即顯像管熒光屏上的亮度。由于供給電子光學系統(tǒng)使電子束偏向的掃描線圈的電源也就是供給陰極射線顯像管的掃描線圈的電源，此電源發(fā)出的鋸齒波信號同時控制兩束電子束作同步掃描。因此，樣品上電子束的位置與顯像管熒光屏上電 子束的位置是一一對應的。這樣，在長余輝熒光屏上就形成一幅與樣品表面特征相對應的畫面 某種信息圖，如二次電子像、背散射電子像等。畫面上亮度的疏密程度表示該信息的強弱分布。 優(yōu)點：樣品制備非常方便，直接觀察大塊試樣 ； 景深大； 放大倍數(shù)連續(xù)調(diào)節(jié)范圍大； 分辨本領(lǐng)比較高； 4、 電子探針 譜儀和譜儀的特點是什么？ 答：電子探針 線面三種 能譜儀的特點： 1)所用的 i)探測器尺寸小，可裝在靠近樣品的區(qū)域：接收 可達 10000脈沖 /s 10波譜儀僅幾十到幾百脈沖 /s 10譜儀在低束流下 (1010作，仍能達到適當?shù)挠嫈?shù)率，束斑尺寸小，最少可達 波譜儀大于 1 2)分析速度快，可在 2 3 3)能譜儀不受聚焦圓的限制，樣品的位置可起伏 2 34) 3 5)能進行低倍 X 6)分辨本領(lǐng)比較低，只有 150譜儀可達 10 7)峰背比小，一般為 100，而波譜儀為 1000 8)i)探測器必須在液氮溫度 (77K)下使用，維護費用高。 5、 為什么透射電鏡的樣品要求非常薄，而掃描電鏡無此要求？ 答：透射電鏡中，電子束穿透樣品成像，而電子束的透射本領(lǐng)不大，這就要求將試樣制成很薄的薄膜樣品。掃描電鏡是通過電子束轟擊樣品表面激發(fā)產(chǎn)生的物理信號成像的，電子束不用穿過樣品。 6、 電鏡有哪些性質(zhì)，環(huán)境掃描電鏡中“環(huán)境”指什么？ 1) 用電子束作照明源，顯微鏡的分辨本領(lǐng)要高得多 , 分辨本領(lǐng)： 以直接分辨原子，并且還能進行納米尺度的晶體結(jié)構(gòu)及化學組成的分析 2) 但 :電磁透鏡的孔徑半角的典型值僅為 1010) 幾何像差：由透鏡磁場幾何形狀上的缺陷而造成的 4) 色差：由電子波的波長發(fā)生一定幅度的改變而造成的 環(huán)境掃描電子顯微鏡 (所指環(huán)境并非真正意義上的大氣環(huán)境，與傳統(tǒng) 010品室的真空度很低，從 120常接近大氣環(huán)境，但不等同于平均 760 7、高分辨電鏡是否指分辨率高的電鏡？ 答：高分辨電鏡可用來觀察晶體的點陣像或單原子像等所謂的高分辨像。這種高 分辨像直接給出晶體結(jié)構(gòu)在電子束方向上的投影，因此又稱為結(jié)構(gòu)像。 加速電壓為 10000或掃描透射電鏡 )，只要其分辨本領(lǐng)足夠的高，在適當?shù)臈l件下，就可以得到結(jié)構(gòu)像或單原子像。 并不是所有分辨率高的電鏡都能進行結(jié)構(gòu)像的分析。 8、電子探針儀與 答：電子探針儀的工作原理： 莫塞萊 (律 =K/(2 K 為常數(shù) 為屏蔽系數(shù) Z 為原子序數(shù) 要測出特征 可確定相應元素的原子序數(shù)。又因為某種元素的特征 以只要測出這種特征 可計算出該元素的相對含量。 布拉格方程： 2 11、與 尤其透射電鏡中的）電子衍射的特點是什么？ 答：（ 1） 斑直徑為 12 m，經(jīng)過雙聚光鏡的照明束相干性較好。 （ 2） 助它可以提高電子衍射相機長度。普通電子衍射裝置相機長度一般為 500透射電鏡長度可達 10005000 （ 3） 行選區(qū)電子衍射，使成像區(qū)域和電子衍射區(qū)域統(tǒng)一起來，達到樣品微區(qū)形貌分析和原位晶體學性質(zhì)測定的目的。 12、選區(qū)電子衍射和選區(qū)成像的工作原理是什么，這兩種工作方式有什么應用意義？ 答： “ 選區(qū)電子衍射 ” 指在物鏡像平面上放置一個光闌 (選區(qū)光闌 )限定產(chǎn)生衍射花樣的樣 品區(qū)域，從而分析該微區(qū)范圍內(nèi)樣品的晶體結(jié)構(gòu)特性。 當電鏡以成像方式操作時，中間鏡物平面與物鏡像平面重合，熒光屏上顯示樣品的放大圖像。此時，在物鏡像平面內(nèi)插入一個孔徑可變的選區(qū)光闌，光闌孔套住想要分析的那個微區(qū)。因為在物鏡適焦的條件下，物平 4 面上同一物點所散射的電子將會聚于像平面上一點，所以對應于像平面上光闌孔的選擇范圍 A B，只有樣品上 區(qū)以內(nèi)物點的散射波可以穿過光闌孔進入中間鏡和投影鏡參與成像，選區(qū)以外的物點如 當調(diào)節(jié)中間鏡的激磁電流，使電鏡轉(zhuǎn)變?yōu)檠苌浞绞讲僮?時，中間鏡物平面與物鏡背焦面相重合。盡管物鏡背焦平面上第一幅花樣是由受到入射束幅照的全部樣品區(qū)域內(nèi)晶體的衍射所產(chǎn)生，但只有 區(qū)以內(nèi)物點散射的電子波可以通過選區(qū)光闌進入下面的透鏡系統(tǒng)，所以熒屏上顯示的只限于選區(qū)范圍以內(nèi)晶體所產(chǎn)生的衍射花樣，實現(xiàn)了選區(qū)形貌觀察與晶體結(jié)構(gòu)分析的微區(qū)對應性。 這兩種方法可以研究我們感興趣的微區(qū)的晶體產(chǎn)生的衍射花樣，從而實現(xiàn)了選區(qū)觀察和衍射的對應。 第 4 章 1、 述差熱分析的原理，并畫出 答：差熱分析是在程序控制溫度下測定物質(zhì)和參比物之間的溫度差和溫度關(guān)系 的一種技術(shù)。 由于物質(zhì)在加熱或冷卻過程中的某一特定溫度下，往往會發(fā)生伴隨有吸熱或放熱效應的物理、化學變化。將差熱電偶的一個熱端插在被測試試樣中，另一個熱端插在待測溫度區(qū)間內(nèi)不發(fā)生熱效應的參比物中，試樣和參比物同時升溫，測定升溫過程中兩者的溫度差，就構(gòu)成了熱分析的基本原理。 、 何用外延始點作為 答：外延始點指峰的起始邊陡峭部分的切線與外延基線的交點。國際熱分析協(xié)會 大量的式樣測定結(jié)果表明，外延起始溫度與其他實驗測得的反應起始溫度最為接近，因此用外延始點作為 反應起始溫度。 3、熱分析的參比物有何性能要求？ 答：參比物是一定溫度下不發(fā)生分解、相變、破壞的物質(zhì)，要求在熱分析過程中熱性質(zhì)、質(zhì)量、密度等與試樣盡量接近。 4、影響差熱分析的儀器、試樣、操作因素是什么？ 答：儀器： 1）爐子的結(jié)構(gòu)和尺寸 2）坩堝材料和形狀 3）差熱電偶性能 4）測溫熱電偶與試樣之間的相對位置 5）記錄儀或其他顯示系統(tǒng)精度 試樣： 1）熱容量和熱導率變化 2）試樣的顆粒度、用量及裝 填密度 3）試樣的結(jié)晶度、純度 4）參比物 操作： 1）升溫速度 2）爐內(nèi)壓力和氣氛 3）記錄儀量程及走紙速度 5、為何 答：在差熱分析中當試樣發(fā)生熱效應時，試樣本身的升溫速度是非線性的，而且在發(fā)生熱效應時，試樣與參比物及試樣周圍的環(huán)境有較大的溫差，它們之間會進行熱傳遞，降低了熱效應測量的靈敏度和精確度，所以 而 服這些不足，通過對試樣因發(fā)生熱效應而發(fā)生的能量變化進行及時的應有的補償，保持試樣與參比物之間溫度始終保持相同，無溫差、無熱傳遞，使熱損失小檢測信號大，可進行實現(xiàn)定量分析。 5 6、闡述 答： 量輸入到試樣和參比物的能量差隨溫度或時間變化的一種技術(shù)。 差示掃描量熱分析法就是為克服差熱分析在定量測定上存在的這些不足而發(fā)展起來的一種新的熱分析技術(shù)。該法通過對試樣因發(fā)生熱效應而發(fā)生的能量變化進行及時的應有的補償，保持試樣與參比物之間溫度始終保持相同 ，無溫差、無熱傳遞，使熱損失小，檢測信號大。因此在靈敏度和精度方面都大有提高。 術(shù)的特點：由于試樣用量少，試樣內(nèi)的溫度梯度較小且氣體的擴散阻力下降，對于功率補償型 7、簡述 答： 析樣品要求：應選擇熱容量及熱導率和試樣相近的作為參比物； 試樣的顆粒度要求： 100 目 試樣的結(jié)晶度、純度和離子取代要求：結(jié)晶度好，峰形尖銳；結(jié)晶度不好，則峰面積要小，純度、離子取代同樣會影響 線；試樣的用量： 以少為原則，硅酸鹽試樣用量： ；試樣的裝填要求：薄而均勻，試樣和參比物的裝填情況一致 ；熱中性體（參比物）：整個測溫范圍無熱反應，比熱與導熱性與試樣相近，粒度與試樣相近（ 100 300 目篩），常用的參比物： 1270K 煅燒的高純氧化鋁粉， 果分析方法： 析樣品要求： 果分析方法： 1） 稱量法：用硫酸紙沿確定的峰面積界限描剪下來，用微量天平稱量后進行換算，其讀數(shù)誤差在 2之內(nèi)。 2） 數(shù)格法：在已確定的峰面積界限內(nèi)，統(tǒng)計占據(jù)記錄紙小格數(shù)進行換 算，其讀數(shù)誤差一般為 2 4。 3） 用求積儀，讀數(shù)誤差為 4。 4） 用計算機，誤差為 8、簡述熱重分析的特點和影響因素 。 答：熱重分析的特點：熱重分析就是在程序控制溫度下測量獲得物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。其特點是定量性強，能準確地測量物質(zhì)的質(zhì)量變化及變化的速率。 影響因素： 1） 熱重曲線的基線漂移：基線漂移是指試樣沒有變化而記錄曲線卻指示出有質(zhì)量變化的現(xiàn)象，它造成試樣失重或增重的假象。這種漂移主要與加熱爐內(nèi)氣體的浮力效應和對流影響、 及溫度與靜電對天平機構(gòu)等的作用緊密相關(guān)。 2） 升溫速率： 升溫速率直接影響爐壁與試樣、外層試樣與內(nèi)部試樣間的傳熱和溫度梯度。但一般地說升溫速率并不影響失重量。對于單步吸熱反應，升溫速率慢，起始分解溫度和終止溫度通常均向低溫移動，且反應區(qū)間縮小，但失重百分比一般并不改變。 3） 爐內(nèi)氣氛。 4） 記錄紙走紙速度：記錄紙走紙速度對熱重曲線的清晰度和形狀有很大影響。 5） 坩堝形式：坩堝的結(jié)構(gòu)及幾何形狀都會影響熱重分析的結(jié)果。 6） 熱電偶位置。 7） 試樣因素：試樣量從兩個方面影響熱重曲線： a、試樣的吸熱或放熱反應會引起試樣溫度發(fā)生偏差，用量越大，偏差越大；試樣用量對逸出氣體擴散和傳熱梯度都有影響 ，用量大則不利于熱擴散和熱傳遞。 b、試樣粒度對熱傳導和氣體的擴散同樣有較大的影響：試樣粒度越細，反應速率越快，將導致熱重曲線上的反應起始溫度和終止溫度降低，反應區(qū)間變窄；粗顆粒的試樣反應較慢。 c、試樣裝填方式對熱重曲線的影響，一般地說，裝填越緊密，試樣顆粒間接觸就越好，也就越利于熱傳導，但不利于氣氛氣體向試樣內(nèi)的擴散或分解的氣體產(chǎn)物的擴散和逸出。通常試樣裝填得薄而均勻，可以得到重復性好的實驗結(jié)果。 d、試樣的反應熱、導熱性和比熱容對熱重曲線也有影響，而且彼此還相互聯(lián)系。 e、試樣的熱反應性，歷史和前處理、雜質(zhì)、 氣體產(chǎn)物性質(zhì)、生成速率及質(zhì)量，固體試樣對氣體有無吸附作用等試樣因素也會對熱重曲線產(chǎn)生影響。 9 舉例說明熱分析技術(shù)在材料研究中的應用。 差熱分析和示差量熱掃描法的應用 成分分析 每種物質(zhì)在加熱過程中都有自己獨特的 定量分析 純度分析 6 無機材料中 水泥化學上 確定原料中所含的碳酸鈣和碳酸鎂的含量 500 度形成水泥熟料的物理化學過程 玻璃 金屬與合金材料 測定熔點（凝固點），制作合金的相圖以及測定相變熱 于低溫實效現(xiàn)象的解釋 里溫度）的變化 常用來確定化學熱處理 高分子材料中 熱重分析的應用 含水礦物的結(jié)構(gòu)和熱反應過程，強磁性物質(zhì)的居里點溫度，測定計算熱分解反應的反應級數(shù)和活化能； 玻璃工藝和結(jié)構(gòu) 研究高溫下玻璃組分的揮發(fā)，驗證伴有失重現(xiàn)象的玻璃化學反應等 水泥化學 研究水合硅酸鹽的水合作用動力學過程，精確測定加熱過程中水合硅酸鈣中游離氧化鈣和碳酸鈣的含量 硬化混凝土 結(jié)合逸氣分析研究其中的水含量 高分子材料中 測定高聚物材料中添加劑含量和水分含量，鑒定和分析共混和共聚的高聚物，研究高 聚物裂解反應動力學和測定活化能，估算高聚物化學老化壽命和評價老化性能 熱膨脹分析 陶瓷材料 研究和掌握各種原料的熱膨脹特性確定陶瓷材料的配方和燒成制度， 確定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 熱機械分析 測定高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，研究高聚物的松弛運動，固化過程，分析增塑劑含量，表征高聚物合金組分的相容性 熱綜合分析 幾種手段相互補充相互驗證 第 5 章 1. 了解各種波長的電磁波對原子（基團）的作用及其相應的光譜分析手段。 電磁波 對原子基團的作用 光譜分析手段 紫外光 波長較短，能量較高，引 起分子中價電子的躍遷 紫外光譜 紅外光 波長較長，能量稍低，只能引起分子中成鍵原子和轉(zhuǎn)動能級的躍遷 紅外光譜 核磁共振波 能量更低，產(chǎn)生原子核自旋能級的躍遷 核磁共振譜 光子和分子非彈性碰撞產(chǎn)生的光散射效應 拉曼光譜 原子對特征波長光的吸收 原子吸收光譜 可見光 ： 380起外層電子躍遷。 7 2、產(chǎn)生紅外吸收的原因是什么？闡述分子振動的形式和紅外光譜振動吸收帶的類型。 原因：（ 1）輻射具有剛好能滿足物質(zhì)躍遷時所需的能量，分子中某個基團的的振動頻率和紅外輻射的頻率一致就滿足了 （ 2）輻射與物質(zhì)之間有相互作用，分子的偶極距必須發(fā)生變化的振動， 分子振動的形式： 1伸縮振動 對稱伸縮振動 反對稱伸縮振動 2變形和彎曲伸縮振動 面內(nèi)變形 剪式振動 面內(nèi)搖擺振動 面外變形 面外搖擺振動 扭曲變形掘動 紅外光譜振動吸收帶的類型： （） 伸縮振動區(qū) （） 叁鍵和累積雙鍵區(qū) （） 雙鍵伸縮振動區(qū) （） 伸縮振動區(qū)和變形振動區(qū) 3、 闡述紅外光譜吸收帶強度及其位置的影響因素。 答：吸收帶強度的因素： （ 1） 振動吸收帶強度與分子振動偶極矩變化的平方成正比； （ 2） 同一類型化學鍵，偶極矩變化與結(jié)構(gòu)的對 稱性有關(guān)； （ 3） 氫鍵導致原子間距增大，偶極矩變化增大； （ 4） 與振動形式有關(guān)。 影響吸收帶位置的因素： （ 1） 外部因素。與試樣狀態(tài)、測定條件、溶劑極性等有關(guān)。 （ 2） 內(nèi)部因素。 A. 電效應，包括 (a) 誘導效應，某些電負性大的元素的加入，會引起鍵強變化，導致其振動頻率向高頻或低頻移動； (b) 共軛效應，共軛效應使共軛體系中的電子云密度平均化，使原來的雙鍵電子云密度降低，振動頻率降低； (c) 偶極場效應，分子內(nèi)空間中的電子、鍵分布會導致鍵性變化，使振動頻率偏移； B. 氫鍵。氫鍵使電子云密度平均化，羰基的鍵性減弱，振動頻率降低。 C. 振動 的偶合。 如果兩個基團的振動頻率相近，其相互作用會使譜帶裂分成兩個，一個低于正常頻率，一個高于正常頻率，稱振動偶合。 D. 費米共振。 當一振動的倍頻與另一振動的基頻接近時，因相互作用而產(chǎn)生很強的吸收峰或發(fā)生裂分，稱為費米共振現(xiàn)象。 E. 其他因素。如立體障礙、環(huán)的張力等。 4、簡述紅外光譜樣品的制備方法 答：樣品制備： 要求：濃度、厚度適宜，不含游離水多組分；測量前盡量進行組分預分離。 制備方法： （ 1） 氣態(tài)樣品：使用氣體吸收池； （ 2） 液體和溶液試樣：沸點較高的試樣，直接滴在兩塊鹽片之間 形成液膜；沸點較低、揮發(fā)性較大的試樣，可注入封閉液體池中； （ 3） 固體試樣： a. 粉末法； b. 糊狀法； c. 壓片法； d. 薄膜法； e. 溶液法 8 第 6 章 1、 什么是弛豫？為什么 答：由于核磁共振中氫核發(fā)生共振時吸收的能量是很小的，因而躍遷到高能態(tài)的氫核不可能通過發(fā)射譜線的形式失去能量而返回到低能態(tài)，這種由高能態(tài)回復到低能態(tài)而不發(fā)射原來所吸收的能量