第1章-材料現(xiàn)代分析方法

1、材料現(xiàn)代分析方法材料現(xiàn)代分析方法 Modern Methods of Materials Analysis Modern Methods of Materials Analysis 理學(xué)院理學(xué)院 郭敏杰郭敏杰 框架框架 1.1.材料現(xiàn)代分析方法的概念材料現(xiàn)代分析方法的概念 2.2.材料分析的內(nèi)容及相應(yīng)的分析方法材料分析的內(nèi)容及相應(yīng)的分析方法 3.3.材料材料分析的理論依據(jù)分析的理論依據(jù) 3.1 3.1 組織形貌分析組織形貌分析 3.2 3.2 相結(jié)構(gòu)分析相結(jié)構(gòu)分析 3.3 3.3 成分和價鍵分析成分和價鍵分析 3.4 3.4 分子結(jié)構(gòu)分析分子結(jié)構(gòu)分析 1.1.材料現(xiàn)代分析方法概念材料現(xiàn)代分析方

2、法概念 l材料現(xiàn)代分析方法是關(guān)于材料分析測試材料現(xiàn)代分析方法是關(guān)于材料分析測試 技術(shù)及其有關(guān)理論的一門課程。技術(shù)及其有關(guān)理論的一門課程。 l成分、結(jié)構(gòu)、加工和性能成分、結(jié)構(gòu)、加工和性能是材料科學(xué)與是材料科學(xué)與 工程的四個基本要素，工程的四個基本要素，成分和結(jié)構(gòu)成分和結(jié)構(gòu)從根本從根本 上決定了材料的性能，對材料的成分和結(jié)上決定了材料的性能，對材料的成分和結(jié) 構(gòu)的進(jìn)行精確表征是材料研究的基本要求，構(gòu)的進(jìn)行精確表征是材料研究的基本要求， 也是實(shí)現(xiàn)性能控制的前提。也是實(shí)現(xiàn)性能控制的前提。 圖中，圖中， “應(yīng)用需求應(yīng)用需求”提供了本學(xué)科與社會交互作用的通道，經(jīng)提供了本學(xué)科與社會交互作用的通道，經(jīng) 由這一

3、通道，社會向材料工作者提供需求信息，材料工由這一通道，社會向材料工作者提供需求信息，材料工 作者向社會提供能滿足需求的材料或材料產(chǎn)品；作者向社會提供能滿足需求的材料或材料產(chǎn)品； “合成與加工合成與加工”與社會存在著一定的相互作用，這主要與社會存在著一定的相互作用，這主要 體現(xiàn)在對環(huán)境的影響方面，例如，加工過程中污染物的體現(xiàn)在對環(huán)境的影響方面，例如，加工過程中污染物的 排放、能耗大小等；排放、能耗大小等； “材料結(jié)構(gòu)成分材料結(jié)構(gòu)成分”主要研究材料內(nèi)部的化學(xué)成分、晶體主要研究材料內(nèi)部的化學(xué)成分、晶體 結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)構(gòu)的成因，以及這些結(jié)構(gòu)對性結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)構(gòu)的成因，以及這些結(jié)構(gòu)對性

4、能的影響；能的影響； “材料性能材料性能”主要研究性能的評價方法、測試方法及影主要研究性能的評價方法、測試方法及影 響因素。響因素。 材料分析方法定義材料分析方法定義 l廣義：包括廣義：包括 l技術(shù)路線技術(shù)路線 l實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)技術(shù) l數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析 l狹義：某一種測試方法，如：狹義：某一種測試方法，如： lX X射線衍射方法射線衍射方法 l電子顯微術(shù)電子顯微術(shù) l紅外光譜分析紅外光譜分析 l核磁共振分析等核磁共振分析等 材料結(jié)構(gòu)的層次材料結(jié)構(gòu)的層次（按照觀察用具或設(shè)備的分辨能力來劃分按照觀察用具或設(shè)備的分辨能力來劃分） 宏觀結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu) 顯微結(jié)構(gòu)顯微結(jié)構(gòu) 亞微觀結(jié)構(gòu)亞微觀結(jié)構(gòu) 微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)

5、構(gòu) 肉眼的分辨率肉眼的分辨率 光學(xué)顯微鏡的分辨率光學(xué)顯微鏡的分辨率 普通掃描電子顯微鏡普通掃描電子顯微鏡 的分辨率的分辨率 結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)層次物體尺寸物體尺寸研究對象研究對象研究方法研究方法 宏觀結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu) 100 100 m m大晶粒、顆粒集大晶粒、顆粒集 團(tuán)團(tuán) 肉眼、放大肉眼、放大 鏡鏡 顯微結(jié)構(gòu)顯微結(jié)構(gòu)0.2-1000.2-100 m m多晶集團(tuán)多晶集團(tuán)顯微鏡顯微鏡 亞顯微結(jié)亞顯微結(jié) 構(gòu)構(gòu) 10-200 nm10-200 nm微晶集團(tuán)微晶集團(tuán)掃描電鏡掃描電鏡 微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu) 10 nm 10 nm晶格點(diǎn)陣晶格點(diǎn)陣掃描隧道電掃描隧道電 鏡鏡 材料結(jié)構(gòu)的層次材料結(jié)構(gòu)的層次： 2.2.材料分

6、析的內(nèi)容材料分析的內(nèi)容 l表面和內(nèi)部組織形貌表面和內(nèi)部組織形貌。包括材料的外觀形貌（如納米。包括材料的外觀形貌（如納米 線、斷口、裂紋等）、晶粒大小與形態(tài)、各種相的尺線、斷口、裂紋等）、晶粒大小與形態(tài)、各種相的尺 寸與形態(tài)、含量與分布、界面（表面、相界、晶界）、寸與形態(tài)、含量與分布、界面（表面、相界、晶界）、 位向關(guān)系（新相與母相、孿生相）、晶體缺陷（點(diǎn)缺位向關(guān)系（新相與母相、孿生相）、晶體缺陷（點(diǎn)缺 陷、位錯、層錯）、夾雜物、內(nèi)應(yīng)力。陷、位錯、層錯）、夾雜物、內(nèi)應(yīng)力。 l晶體的相結(jié)構(gòu)晶體的相結(jié)構(gòu)。各種相的結(jié)構(gòu)，即晶體結(jié)構(gòu)類型和晶。各種相的結(jié)構(gòu)，即晶體結(jié)構(gòu)類型和晶 體常數(shù)，和相組成。體常數(shù)，和

7、相組成。 l化學(xué)成分和價鍵（電子）結(jié)構(gòu)化學(xué)成分和價鍵（電子）結(jié)構(gòu)。包括宏觀和微區(qū)化學(xué)。包括宏觀和微區(qū)化學(xué) 成份（不同相的成份、基體與析出相的成份）、同種成份（不同相的成份、基體與析出相的成份）、同種 元素的不同價鍵類型和化學(xué)環(huán)境。元素的不同價鍵類型和化學(xué)環(huán)境。 l有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)。 四大類材料分析方法四大類材料分析方法 l相應(yīng)地，材料分析方法分可以分為為相應(yīng)地，材料分析方法分可以分為為形貌分析、形貌分析、 物相分析、成分與價鍵分析與分子結(jié)構(gòu)分析物相分析、成分與價鍵分析與分子結(jié)構(gòu)分析四四 大類方法。大類方法。 l基于其它物理性質(zhì)或電化學(xué)性質(zhì)與材料的特征基于其它物理

8、性質(zhì)或電化學(xué)性質(zhì)與材料的特征 關(guān)系建立的關(guān)系建立的色譜分析、質(zhì)譜分析、電化學(xué)分析色譜分析、質(zhì)譜分析、電化學(xué)分析 及熱分析等方法也是材料現(xiàn)代分析的重要方法。及熱分析等方法也是材料現(xiàn)代分析的重要方法。 相對而言，上述四大類方法在材料研究中應(yīng)用相對而言，上述四大類方法在材料研究中應(yīng)用 得更加頻繁。得更加頻繁。 3. 3. 材料分析的理論依據(jù)材料分析的理論依據(jù) l盡管材料分析手段紛繁復(fù)雜，但它們也具有共盡管材料分析手段紛繁復(fù)雜，但它們也具有共 同之處。除了個別研究手段（如同之處。除了個別研究手段（如SPMSPM）以外，）以外， l基本上是利用入射電磁波或物質(zhì)波（基本上是利用入射電磁波或物質(zhì)波（X X射

9、線、射線、 電子束、可見光、紅外光）與材料作用，產(chǎn)生電子束、可見光、紅外光）與材料作用，產(chǎn)生 攜帶樣品信息的各種出射電磁波或物質(zhì)波（攜帶樣品信息的各種出射電磁波或物質(zhì)波（X X 射線、電子束、可見光、紅外光），探測這些射線、電子束、可見光、紅外光），探測這些 出射的信號，進(jìn)行分析處理，即可獲得材料的出射的信號，進(jìn)行分析處理，即可獲得材料的 組織、結(jié)構(gòu)、成分、價鍵信息。組織、結(jié)構(gòu)、成分、價鍵信息。 3.13.1組織形貌分析組織形貌分析 l微觀結(jié)構(gòu)的觀察和分析對于理解材料的本微觀結(jié)構(gòu)的觀察和分析對于理解材料的本 質(zhì)至關(guān)重要，質(zhì)至關(guān)重要，組織形貌分析借助各種顯微組織形貌分析借助各種顯微 技術(shù)，認(rèn)識材

10、料的微觀結(jié)構(gòu)。技術(shù)，認(rèn)識材料的微觀結(jié)構(gòu)。 l表面形貌分析技術(shù)經(jīng)歷了表面形貌分析技術(shù)經(jīng)歷了光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡(OM)(OM)、 電子顯微鏡電子顯微鏡(SEM)(SEM)、掃描探針顯微鏡、掃描探針顯微鏡(SPM)(SPM) 的發(fā)展過程，現(xiàn)在已經(jīng)可以直接觀測到原的發(fā)展過程，現(xiàn)在已經(jīng)可以直接觀測到原 子的圖像。子的圖像。 三種組織分析手段的比較 0.111010010001000 0 10.10.010.0010.000110 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000 觀觀察倍率察倍率 掃掃描探描探針顯針顯微微鏡鏡 掃掃描描電電子子顯顯微微鏡鏡 光學(xué)光學(xué)顯顯

11、微微鏡鏡 分辨率分辨率 OM Ni-Cr合金的鑄造組織 SEM 人類血細(xì)胞人類血細(xì)胞SEM照片照片 酵母酵母 人類精子人類精子 19901990年，年，IBMIBM公公 司的科學(xué)家展示司的科學(xué)家展示 了一項(xiàng)令世人瞠了一項(xiàng)令世人瞠 目結(jié)舌的成果，目結(jié)舌的成果， 他們在金屬鎳表他們在金屬鎳表 面用面用3535個惰性氣個惰性氣 體氙原子組成體氙原子組成 “IBM”IBM”三個英三個英 文字母。文字母。 圖為圖為IBMIBM公司的公司的EiglerEigler博士用博士用掃描探針顯微鏡掃描探針顯微鏡(SPM)搬動搬動3535 個氙原子繪制的個氙原子繪制的“IBM”IBM”字樣字樣。如果這種原子搬動技術(shù)

12、被。如果這種原子搬動技術(shù)被 巧妙使用的話，就完全可以繪制成美妙的原子藝術(shù)畫。巧妙使用的話，就完全可以繪制成美妙的原子藝術(shù)畫。 中科院化學(xué)所的科學(xué)家，利用中科院化學(xué)所的科學(xué)家，利用掃描隧道電子顯微鏡掃描隧道電子顯微鏡(STM)(STM) 針尖在石墨表面刻蝕的方法，形成各種納米圖案。下圖是針尖在石墨表面刻蝕的方法，形成各種納米圖案。下圖是 他們刻蝕的納米級中國地圖，刻線粗細(xì)為他們刻蝕的納米級中國地圖，刻線粗細(xì)為1010納米。納米。 這是中國科學(xué)院化這是中國科學(xué)院化 學(xué)所的科技人員利學(xué)所的科技人員利 用納米加工技術(shù)用納米加工技術(shù)在在 石墨表面通過搬遷石墨表面通過搬遷 碳原子而繪制碳原子而繪制出的出的

13、 世界上最小的中國世界上最小的中國 地圖。地圖。 納米刻蝕是納米刻蝕是“從上而下從上而下”納米制造方法的典型。北京大學(xué)納米制造方法的典型。北京大學(xué) 納米中心的學(xué)者通過納米中心的學(xué)者通過AFMAFM針尖對基質(zhì)針尖對基質(zhì)Au-PaAu-Pa合金上合金上的機(jī)械刻的機(jī)械刻 蝕，書寫了世界上最小的唐詩（蝕，書寫了世界上最小的唐詩（1010微米微米1010微米微米) ) SPM 云母的表面原子陣列 3.2 3.2 物相分析物相分析 l利用衍射分析的方法探測晶格類型和晶胞常數(shù)，確定利用衍射分析的方法探測晶格類型和晶胞常數(shù)，確定 物質(zhì)的相結(jié)構(gòu)。物質(zhì)的相結(jié)構(gòu)。 l主要的物相分析的手段有三種：主要的物相分析的手段

14、有三種：x x射線衍射射線衍射(XRD)(XRD)、電、電 子衍射子衍射(ED)(ED)及中子衍射及中子衍射(ND)(ND)。 l其共同的原理是：其共同的原理是：利用電磁波或運(yùn)動電子束、中子束利用電磁波或運(yùn)動電子束、中子束 等與材料內(nèi)部規(guī)則排列的原子作用產(chǎn)生等與材料內(nèi)部規(guī)則排列的原子作用產(chǎn)生相干散射相干散射，獲，獲 得材料內(nèi)部原子排列的信息，從而重組出物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。得材料內(nèi)部原子排列的信息，從而重組出物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。 物質(zhì)對物質(zhì)對X X射線散射的實(shí)質(zhì)是物質(zhì)中的電子與射線散射的實(shí)質(zhì)是物質(zhì)中的電子與X X光子的相互作用。當(dāng)入射光子光子的相互作用。當(dāng)入射光子 碰撞電子后，若電子能牢固地保持在原來位置上（原

15、子對電子的束縛力很碰撞電子后，若電子能牢固地保持在原來位置上（原子對電子的束縛力很 強(qiáng)），則光子將產(chǎn)生剛性碰撞，其作用效果是輻射出電磁波強(qiáng)），則光子將產(chǎn)生剛性碰撞，其作用效果是輻射出電磁波-散射波。散射波。 這種散射波的波長和頻率與入射波完全相同，新的散射波之間將可以發(fā)生這種散射波的波長和頻率與入射波完全相同，新的散射波之間將可以發(fā)生 相互干涉相互干涉-相干散射相干散射。X X射線的衍射現(xiàn)象正是基于相干散射之上的射線的衍射現(xiàn)象正是基于相干散射之上的。 XRD 理學(xué)D/max 2000自動X射線儀 202530354045505560 Two Theta (degree) Intensity 圖

16、2 鋯英石為主晶相的X射線譜 t-ZrO2 ZrSiO4 TEM 3.3 3.3 成分和價鍵分析成分和價鍵分析 l大部分成分和價鍵分析手段都是基于同一個原理，大部分成分和價鍵分析手段都是基于同一個原理，即核外即核外 電子的能級分布反應(yīng)了原子的特征信息。利用不同的入射電子的能級分布反應(yīng)了原子的特征信息。利用不同的入射 波激發(fā)核外電子，使之發(fā)生層間躍遷、在此過程中產(chǎn)生元波激發(fā)核外電子，使之發(fā)生層間躍遷、在此過程中產(chǎn)生元 素的特征信息。素的特征信息。 l按照出射信號的不同，成分分析手段可以分為兩類：按照出射信號的不同，成分分析手段可以分為兩類：X X光譜光譜 和電子能譜，出射信號分別是和電子能譜，出

17、射信號分別是X X射線和電子。射線和電子。 lX X光譜包括光譜包括X X射線熒光光譜射線熒光光譜(XFS)(XFS)和電子探針和電子探針X X射線顯微分析射線顯微分析 （EPMAEPMA）兩種技術(shù)，）兩種技術(shù)， l電子能譜包括電子能譜包括X X射線光電子能譜射線光電子能譜(XPS)(XPS)、俄歇電子能譜、俄歇電子能譜(AES)(AES)、 電子能量損失譜電子能量損失譜(EELS)(EELS)等分析手段。等分析手段。 EPMA電子探針電子探針X X射線顯微分析射線顯微分析 島津EPMA-1600 EDS應(yīng)用舉例（能量色散型X射線譜，Energy Dispersive X-Ray Spectr

18、oscopy ） 浸炭不浸炭不 良部良部 不良品不良品良品良品 不良品不良品良品良品 齒輪疲勞失效，是由于 滲碳處理不均勻，根本 原因在于硅的偏聚。 XPS X X射線光電子能譜射線光電子能譜 3.4 3.4 分子結(jié)構(gòu)分析分子結(jié)構(gòu)分析 l利用利用電磁波與分子鍵和原子核的作用，獲得分電磁波與分子鍵和原子核的作用，獲得分 子結(jié)構(gòu)信息子結(jié)構(gòu)信息。 l紅外光譜（紅外光譜（IRIR）、拉曼光譜（）、拉曼光譜（RamanRaman）、熒光）、熒光 光譜（光譜（PLPL）等是等是利用電磁波與分子鍵作用時的利用電磁波與分子鍵作用時的 吸收或發(fā)射效應(yīng)吸收或發(fā)射效應(yīng)； l而核磁共振（而核磁共振（NMRNMR）則是

19、則是利用原子核與電磁波利用原子核與電磁波 的作用來獲得分子結(jié)構(gòu)信息的的作用來獲得分子結(jié)構(gòu)信息的。 4設(shè)計材料的開發(fā)設(shè)計材料的開發(fā) 對于新材料的發(fā)現(xiàn)和研制，材料開發(fā)循環(huán)過程對于新材料的發(fā)現(xiàn)和研制，材料開發(fā)循環(huán)過程 為：為： 功能需求分析一確定性能指標(biāo)一確定材料體功能需求分析一確定性能指標(biāo)一確定材料體 系和加工方法一材料成分設(shè)計和工藝參數(shù)優(yōu)化系和加工方法一材料成分設(shè)計和工藝參數(shù)優(yōu)化 斗性能評價一應(yīng)用葉產(chǎn)品失效分析，然后進(jìn)入斗性能評價一應(yīng)用葉產(chǎn)品失效分析，然后進(jìn)入 下一乾循環(huán)，直至達(dá)到預(yù)定要求下一乾循環(huán)，直至達(dá)到預(yù)定要求( (如圖如圖) )。 5 5 例：如何分析聚合物材料例：如何分析聚合物材料 l

20、 聚合物結(jié)構(gòu)的表征聚合物結(jié)構(gòu)的表征了解聚合物的微觀結(jié)構(gòu)、亞微觀了解聚合物的微觀結(jié)構(gòu)、亞微觀 結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)。 l 聚合物性能的測定聚合物性能的測定評價和應(yīng)用新材料、控制產(chǎn)品的評價和應(yīng)用新材料、控制產(chǎn)品的 質(zhì)量、研究聚合物結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。質(zhì)量、研究聚合物結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。 l 聚合物分子運(yùn)動的測定聚合物分子運(yùn)動的測定分子運(yùn)動方式不同會導(dǎo)致聚分子運(yùn)動方式不同會導(dǎo)致聚 合物所處的力學(xué)狀態(tài)發(fā)生改變合物所處的力學(xué)狀態(tài)發(fā)生改變轉(zhuǎn)變。每種聚合物都轉(zhuǎn)變。每種聚合物都 有其特定的轉(zhuǎn)變。研究聚合物的松弛與轉(zhuǎn)變可以幫助人有其特定的轉(zhuǎn)變。研究聚合物的松弛與轉(zhuǎn)變可以幫助人 們了解聚合物的結(jié)構(gòu)，建立結(jié)構(gòu)

21、與性能之間的關(guān)系。們了解聚合物的結(jié)構(gòu)，建立結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。 5.15.1聚合物結(jié)構(gòu)的分析表征聚合物結(jié)構(gòu)的分析表征 l 鏈結(jié)構(gòu)鏈結(jié)構(gòu)紅外光譜、紫外光譜、熒光光譜、拉曼光譜、紅外光譜、紫外光譜、熒光光譜、拉曼光譜、 電子能譜、核磁共振、順磁共振、電子能譜、核磁共振、順磁共振、X X射線衍射（廣角）、射線衍射（廣角）、 電子衍射、中子散射電子衍射、中子散射； l 聚集態(tài)結(jié)構(gòu)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)XX射線衍射（小角）、固體小角激光光射線衍射（小角）、固體小角激光光 散射、電子衍射、電子顯微鏡、光學(xué)顯微鏡、原子力顯散射、電子衍射、電子顯微鏡、光學(xué)顯微鏡、原子力顯 微鏡、熱分析微鏡、熱分析。 5.25.2聚合物性能的測定聚合物性能的測定 l力學(xué)性能力學(xué)性能拉伸、彎曲、剪切、壓縮試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、拉伸、彎曲、剪切、壓縮試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、 蠕變曲線、應(yīng)力松弛曲線、高低頻疲勞試驗(yàn)蠕變曲線、應(yīng)力松弛曲線、高低頻疲勞試驗(yàn)； l流變性能流變性能旋轉(zhuǎn)流變儀、毛細(xì)管流變儀、