《材料化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)I》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、 材料化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)I實(shí) 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書目 錄實(shí)驗(yàn)一 掃描電鏡在材料表面形貌觀察及成分分析中的應(yīng)用3實(shí)驗(yàn)二 透射電鏡在材料形貌觀察及結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用7實(shí)驗(yàn)三 X射線衍射儀與物相定性分析10實(shí)驗(yàn)四 熱分析儀在材料熱穩(wěn)定性及相轉(zhuǎn)變分析中的應(yīng)用14實(shí)驗(yàn)五 結(jié)晶及晶體生長形態(tài)觀察16實(shí)驗(yàn)六 接觸角的測定18實(shí)驗(yàn)七 陶瓷材料的氣孔率及體積密度測定21實(shí)驗(yàn)八 鋰離子電池正極材料LiCoO2的制備和結(jié)構(gòu)表征24實(shí)驗(yàn)九 氧化鋅納米棒的制備及結(jié)構(gòu)表征26實(shí)驗(yàn)一 掃描電鏡在材料表面形貌觀察及成分分析中的應(yīng)用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）了解掃描電鏡的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握掃描電鏡的功能和用途；2）了解能譜儀的基本結(jié)構(gòu)、原理和用

2、途；3）了解掃描電鏡對樣品的要求以及如何制備樣品。二、實(shí)驗(yàn)原理（一） 掃描電鏡的工作原理和結(jié)構(gòu)1. 掃描電鏡的工作原理工作原理：掃描電子顯微鏡利用聚焦得非常細(xì)的高能電子束在試樣上掃描，與樣品相互作用產(chǎn)生各種物理信號（如二次電子，背散射電子、俄歇電子、X射線電子等），這些信號經(jīng)檢測器接收、放大并轉(zhuǎn)換成調(diào)制信號，最后在熒光屏上顯示反映樣品表面各種特征的圖像。由電子槍發(fā)發(fā)射的最高可達(dá)30KeV的電子束經(jīng)過電磁透鏡縮小、聚焦形成具有一定能量和斑點(diǎn)直徑的電子束（1-10nm）。在掃描線圈的磁場作用下，電子束在樣品表面作光柵式逐步掃描（光點(diǎn)成像的順序是從左上方開始到右下方，直到最后一行右下方的像元掃描完畢

3、就算完成一幀圖像，這種掃描方式叫做光柵掃描）。入射電子與樣品物質(zhì)相互作用產(chǎn)生二次電子，背反射電子，X樣品射線等信號。二次電子收集極可將向各方向發(fā)射的二次電子匯集起來，再經(jīng)加速極加速射到閃爍體上轉(zhuǎn)變成光信號，經(jīng)過光導(dǎo)管到達(dá)光電倍增管，使光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。這個電信號又經(jīng)視頻放大器放大，并將其輸出送至顯像管的柵極，在屏幕上呈現(xiàn)一幅亮暗程度不同的反映樣品表面形貌的二次電子圖像。2.電子束與樣品的相互作用 具有高能量的入射電子束轟擊樣品表面時，入射電子束和樣品間發(fā)生相互作用，將有99以上的入射電子能量轉(zhuǎn)變成熱能，而余下的1的入射電子束能量將從樣品中激發(fā)多種物理信號。（1）二次電子：被入射電子轟擊出來的

4、核外電子。原子核和外層價電子間的結(jié)合能很小，當(dāng)原子的核外電子從入射電子獲得了大于相應(yīng)的結(jié)合能的能量后，可脫離原子成為自由電子，即二次電子，這種散射過程發(fā)生在樣品表面10nm左右深度范圍內(nèi)。二次電子產(chǎn)額隨原子序數(shù)的變化不大，它對試樣表面狀態(tài)非常敏感，能有效地顯示試樣表面的微觀形貌（2）背散射電子：被樣品原子反射回來的一部分入射電子，其中包括彈性背反射電子和非彈性背反射電子，其能量接近入射電子。 一般從距樣品表面100nm1m深度范圍內(nèi)發(fā)出 彈性背反射電子是指被樣品中原子反彈回來的，散射角大于90度的那些入射電子，其能量基本上沒有變化；非彈性背反射電子是入射電子和核外電子撞擊后產(chǎn)生非彈性散射，不僅

5、能量變化，而且方向也發(fā)生變化。從數(shù)量上看，彈性背反射電子遠(yuǎn)比非彈性背反射電子所占的份額多。 背反射電子的產(chǎn)額隨原子序數(shù)的增加而增加，所以，利用背反射電子作為成像信號不僅能分析新貌特征，也可以用來顯示原子序數(shù)襯度。 （3）特征X射線 ：是原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)以后在能級躍遷過程中直接釋放的具有特征能量和波長的一種電磁波輻射。 X射線一般在試樣的500nm-5m深處發(fā)出。 （4）俄歇電子：如果原子內(nèi)層電子能級躍遷過程中釋放出來的能量不是以X射線的形式釋放而是用該能量將核外另一電子打出，脫離原子變?yōu)槎坞娮樱@種二次電子叫做俄歇電子。一般從距樣品表面幾Å深度范圍內(nèi)發(fā)射3. 掃描電鏡的結(jié)構(gòu)掃

6、描電鏡由電子光學(xué)系統(tǒng)，信號收集及顯示系統(tǒng)，真空系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成。（1）電子光學(xué)系統(tǒng) 電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍，電磁透鏡，掃描線圈和樣品室等部件組成。其作用是用來獲得掃描電子束，作為產(chǎn)生物理信號的激發(fā)源。a) 電子槍其作用是利用陰極與陽極燈絲間的高壓產(chǎn)生高能量的電子束。傳統(tǒng)的掃描電鏡采用鎢燈絲，高級掃描電鏡采用六硼化鑭（LaB6）或場發(fā)射電子槍，使二次電子像的分辨率達(dá)到1nm。b) 電磁透鏡 其作用主要是把電子槍的束斑逐漸縮小成數(shù)nm的細(xì)小束斑。一般有三個聚光鏡，前兩個透鏡是強(qiáng)透鏡，用來縮小電子束光斑尺寸。第三個聚光鏡是弱透鏡，具有較長的焦距，在該透鏡下方放置樣品可避免磁場對二次電子軌跡的干擾。

7、c) 掃描線圈 其作用是提供入射電子束在樣品表面上以及陰極射線管內(nèi)電子束在熒光屏上的同步掃描信號。改變?nèi)肷潆娮邮跇悠繁砻鎾呙枵穹?，以獲得所需放大倍率的掃描像。掃描線圈是掃描電鏡的一個重要組件，它一般放在最后二透鏡之間，也有的放在末級透鏡的空間內(nèi)。d) 樣品室 樣品室中主要部件是樣品臺。它能進(jìn)行三維空間的移動，還能傾斜和轉(zhuǎn)動。（2） 信號收集及顯示系統(tǒng) 其作用是檢測樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號，然后經(jīng)視頻放大作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號。不同的物理信號需要不同類型的檢測系統(tǒng)，掃描電鏡中使用的是電子檢測器，它由閃爍體，光導(dǎo)管和光電倍增器所組成。 當(dāng)信號電子進(jìn)入閃爍體時將引起電離；當(dāng)離子與自由電子

8、復(fù)合時產(chǎn)生可見光。光子沿著沒有吸收的光導(dǎo)管傳送到光電倍增器進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)變成電流信號輸出，電流信號經(jīng)視頻放大器放大后就成為調(diào)制信號。由于鏡筒中的電子束和顯像管中的電子束是同步掃描，熒光屏上的亮度是根據(jù)樣品上被激發(fā)出來的信號強(qiáng)度來調(diào)制的，而由檢測器接收的信號強(qiáng)度隨樣品表面狀況不同而變化，那么由信號監(jiān)測系統(tǒng)輸出的反映樣品表面狀態(tài)的調(diào)制信號在圖像顯示和記錄系統(tǒng)中就轉(zhuǎn)換成一幅與樣品表面特征一致的放大的掃描像。（3）真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng) 從電子槍到樣品表面之間的整個電子路徑都必須保持真空狀態(tài)，這樣電子才不會與空氣分子碰撞，并被吸收。真空系統(tǒng)的作用是為保證電子光學(xué)系統(tǒng)正常工作，防止樣品污染提供高的真空度。（二

9、） 能譜儀的工作原理和結(jié)構(gòu) 能量色散譜儀簡稱能譜儀（EDS），為掃描電鏡或透射電鏡普遍應(yīng)用的附件。它與主機(jī)共用電子光學(xué)系統(tǒng)，在觀察分析樣品的表面形貌或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的同時，可以探測到某微區(qū)的化學(xué)成分。 1原理能譜儀是利用不同元素X光量子的能量不同來進(jìn)行元素分析的方法。不同元素的特征X射線能量不同，不同的X光量子在多道分析器的不同道址出現(xiàn)，用橫坐標(biāo)表示X光子的能量（反映元素種類）；縱坐標(biāo)表示具有該能量的X光子的數(shù)目（反映元素的含量），也稱譜線強(qiáng)度就得到了能譜曲線。 2能譜儀結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體探頭、多道脈沖高度分析器（MCA）探頭是能譜儀中最關(guān)鍵的部件，它決定了該能譜儀分析元素的范圍和精度。目前大多使用的是鋰

10、漂移硅探測器，它能把接收的X射線光子變成電脈沖信號。由于鋰在室溫下很容易擴(kuò)散，因此這種探測器不僅在液氮溫度下使用，而且要一直放在液氮中保存，這給操作者帶來了很大的負(fù)擔(dān)?，F(xiàn)在市面上推出了一些不需要液氮維護(hù)的探測器。不同元素的X光量子經(jīng)探頭接收，信號轉(zhuǎn)換和放大后，其電壓脈沖的幅值大小也不一樣。多道脈沖高度分析器（MCA）作用在于將主放大器輸出的，具有不同幅值的電壓脈沖（對應(yīng)于不同的X光子能量）按其能量大小進(jìn)行分類和統(tǒng)計，將結(jié)果送入存儲器或輸出給計算機(jī)。3缺點(diǎn)（1）Si(Li)探測器目前大多還需長期連續(xù)保持在液氮的低溫下工作和運(yùn)行。（2）能譜儀的分辨本領(lǐng)差，經(jīng)常有譜線重疊現(xiàn)象，特別在低能部分。（3）

11、定量分析尚存在一些問題，當(dāng)含量大于20又無譜線重疊時，分析誤差小于5；在低含量時，分析準(zhǔn)確度很差。（三）樣品要求與制備1. 樣品要求（1）樣品可以為粉體、薄膜、片狀、塊狀等。（2）有磁性的樣品可能會對儀器有所損害，而且圖像質(zhì)量不佳，一般情況下對強(qiáng)磁性的樣品不給予測試。（3）樣品測試前一定要充分干燥，不能含有有機(jī)溶劑和水等雜質(zhì)。（4）不能導(dǎo)電的樣品最好鍍金以防止放電產(chǎn)生和得到虛假的圖像。2. 樣品制備 掃描電鏡的優(yōu)點(diǎn)之一是樣品制備簡單，對于新鮮的金屬斷口樣品不需要做任何處理，可以直接進(jìn)行觀察。但在有些情況下需對樣品進(jìn)行必要的處理。（1）樣品表面附著有灰塵和油污，可用有機(jī)溶劑(乙醇或丙酮)在超聲波

12、清洗器中清洗。（2）樣品表面銹蝕或嚴(yán)重氧化，采用化學(xué)清洗或電解的方法處理。清洗時可能會失去一些表面形貌特征的細(xì)節(jié)，操作過程中應(yīng)該注意。（3）對于不導(dǎo)電的樣品，觀察前需在表面噴鍍一層導(dǎo)電金屬如鉑或金，鍍膜厚度控制在5-10nm為宜。（四）掃描電鏡和能譜儀的功能和用途各種固體材料（如金屬，陶瓷，聚合物，半導(dǎo)體等）的表面形貌分析，微區(qū)成分分析。三、實(shí)驗(yàn)儀器與試劑1. 實(shí)驗(yàn)儀器：JEOL JSM-6700F場發(fā)射掃描電子顯微鏡，OXFORD EDS-7401能譜儀2. 實(shí)驗(yàn)材料：無機(jī)材料如氧化鋅、二氧化鈦等四、實(shí)驗(yàn)步驟1. 樣品制備2. 將樣品送入電鏡樣品室，抽真空；3. 觀察樣品的形貌，并進(jìn)行成分分

13、析；4. 測試完畢，保存數(shù)據(jù)，取出樣品。五、實(shí)驗(yàn)報告的內(nèi)容與要求1. 掃描電鏡和能譜儀的基本工作原理2. 掃描電鏡和能譜儀的功能3. 對兩個樣品的掃描電鏡圖和能譜圖和測試結(jié)果進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)二 透射電鏡在材料形貌觀察及結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解透射電鏡的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和工作原理，通過現(xiàn)場看實(shí)物加深對透射電鏡的認(rèn)識；2. 掌握透射電鏡的特點(diǎn)和用途以及樣品的制備方法；3. 選用合適的樣品，通過對其和選區(qū)形貌和電子衍射的觀察，確定樣品的形貌和晶格結(jié)構(gòu)。二、透射電鏡的基本結(jié)構(gòu)透射電子顯微鏡是以波長很短的電子束做照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種具有高分辨本領(lǐng)，高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器。透射電鏡由電子

14、光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)及電源與控制系統(tǒng)三部分組成。電子光學(xué)系統(tǒng)是透射電鏡的核心，而其它兩個系統(tǒng)為電子光學(xué)系統(tǒng)順利工作提供支持。1. 電子光學(xué)系統(tǒng) 電子光學(xué)系統(tǒng)通常稱鏡筒，在光路結(jié)構(gòu)上與光學(xué)顯微鏡有很大的相似之處，只不過用高能電子束代替可見光源，以電磁透鏡代替光學(xué)透鏡，獲得了更高的分辨率（分辨率0.1nm）。整個鏡筒自上而下依次排列著電子槍、雙聚光鏡、樣品室、物鏡、中間鏡、投影鏡、觀察室、熒光屏及照相室等。電子光學(xué)系統(tǒng)主要有三部分所構(gòu)成：（1）光源，即電子槍；（2）成像系統(tǒng)，主要包括聚光鏡、物鏡、中間鏡和投影鏡；（3）圖像觀察和記錄系統(tǒng)。此外，還包括一些附加的儀器和部件如能譜儀等。圖1是現(xiàn)代TEM的

15、結(jié)構(gòu)示意圖和成像及衍射工作模式的光路圖。 （1）燈絲；（2）柵極；（3）陽極；（4）槍傾斜；（5）槍平衡；（6）一級聚光鏡；（7）二級聚光鏡：（8）聚光鏡光欄；（9）光傾斜；（10）光平移；（11）試樣臺；（12）無精；（13）物鏡光欄；（14）選區(qū)光欄；（15）中間鏡；（16）投影鏡；（17）熒光屏。圖1 TEM的結(jié)構(gòu)示意圖 （1） 電子槍：電子槍的作用在于產(chǎn)生足夠的電子，形成一定亮度以上的束斑，從而滿足觀察的需要。透射電子顯微鏡的電子槍主要有三種類型：鎢絲槍，六硼化鑭槍（LaB6），場發(fā)射槍。鎢絲就是我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫陌谉霟舻陌l(fā)光燈絲，價格極為低廉，但壽命極短，連續(xù)使用時只有數(shù)十小時。而

16、且鎢燈絲發(fā)出的電子束的單色性很差，亮度也很低。近一、二十年來的TEM 中已經(jīng)基本不再使用鎢燈絲了。LaB6燈絲的壽命大大長于鎢燈絲，達(dá)半年以上，甚至可以使用數(shù)年。LaB6燈絲的單色性和亮度也都大大地優(yōu)于鎢燈絲，是現(xiàn)在 TEM 中最為常用的燈絲。近幾年來，場發(fā)射槍TEM有了逐步普及的趨勢。場發(fā)射槍的燈絲壽命更可長達(dá)一至兩年之久，其單色性及亮度均非鎢燈絲或LaB6燈絲所可比擬，因此是一種極好的電子光源。（2）成像系統(tǒng)聚光鏡、物鏡、中間鏡、投影鏡和樣品室構(gòu)成成像系統(tǒng)，作用在于將電子束會聚到樣品上，然后將從樣品上透射出來的電子束進(jìn)行多次放大、成像。透鏡組的作用完全與光學(xué)顯微鏡中的透鏡一樣?，F(xiàn)代TEM基

17、本上都是使用磁透鏡，只要適當(dāng)調(diào)整磁場強(qiáng)度，就可以得到不同的工作模式。現(xiàn)在TEM最常見的工作模式有兩種，即成像模式和衍射模式。在成像模式下，可以得到樣品的形貌、結(jié)構(gòu)等信息，而在衍射模式下，我們可以對樣品進(jìn)行物相分析。新一代TEM還具備一些新的工作模式，如會聚束電子衍射模式和微區(qū)電子衍射模式。（3）圖像觀察和記錄系統(tǒng) 觀察和記錄裝置包括熒光屏、照相機(jī)（底片記錄）、TV相機(jī)和慢掃描CCD。2. 真空系統(tǒng) 為保證電鏡正常工作，要求電子光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)處于真空狀態(tài)下。電鏡的真空度一般應(yīng)保持在10-5Torr(1Torr=133.322Pa)，這需要機(jī)械泵和油擴(kuò)散泵兩級串聯(lián)才能得到保證。目前的透射電鏡增加一個離

18、子泵以提高真空度，真空度可高達(dá)1.33×10-6Pa或更高。如果電鏡的真空度達(dá)不到要求會出現(xiàn)以下問題：1) 電子與空氣分子碰撞改變運(yùn)動軌跡，影響成像質(zhì)量；2) 柵極與陽極間空氣分子電離，導(dǎo)致極間放電；3) 陰極熾熱的燈絲迅速氧化燒損，縮短使用壽命甚至無法正常工作； 4) 試樣易于氧化污染，產(chǎn)生假象。 3. 電源與控制系統(tǒng) 供電系統(tǒng)主要用于提供兩部分電源：一是電子槍加速電子用的小電流高壓電源；一是透鏡激磁用的大電流低壓電源。一個穩(wěn)定的電源對透射電鏡非常重要，對電源的要求為：最大透鏡電流和高壓的波動引起的分辨率下降要小于物鏡的極限分辨本領(lǐng)。三、透射電鏡的工作原理和用途透射電鏡以電子束作為

19、光源，電子束經(jīng)由聚光鏡系統(tǒng)的電磁透鏡將其聚焦成一束近似平行的光線穿透樣品，再經(jīng)成像系統(tǒng)的電磁透鏡成像和放大，然后電子束投射到主鏡筒最下方的熒光屏上形成所觀察的圖像。在材料科學(xué)研究領(lǐng)域，透射電鏡主要用于材料微區(qū)的組織形貌觀察、晶體缺陷分析和晶體結(jié)構(gòu)測定。四、樣品制備 由于透射電鏡自身的特點(diǎn)，使得在樣品的制備過程中要求比較高。 1. 樣品的厚度最好不要超過100nm，如果超過該尺寸需要進(jìn)行離子減薄。 2. 對于納米粉體材料的觀察，需要把樣品分散到酒精里進(jìn)行超聲，最后用銅網(wǎng)撈一些分散的樣品進(jìn)行觀察。五、儀器日本電子JEOL JEM-2010透射電鏡：加速電壓200KV；LaB6燈絲；點(diǎn)分辨率 1.9

20、4  六、材料形貌觀察和結(jié)構(gòu)分析 如觀察材料的生長方向，一般主要選擇具有較好結(jié)晶性的樣品。觀察時要求在同一試樣上把物相的形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來。下面用一個實(shí)例說明材料生長方向的觀察： 圖2是Bi和Sb的合金納米線透射電鏡照片，從選區(qū)電子衍射可看出合金納米線有很好的結(jié)晶性，并根據(jù)衍射斑點(diǎn)可以判斷納米線的晶體結(jié)構(gòu)。圖2（b）是它的高分辨照片，可以看出它的晶格條紋，結(jié)合圖2（a）的衍射斑點(diǎn)可確定納米線的生長方向。圖2納米線的生長方向七、實(shí)驗(yàn)報告的內(nèi)容和要求 1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 樣品的制備方法3. 簡述透射電鏡的基本結(jié)構(gòu)及工作原理。4. 根據(jù)透射電鏡對樣品的測試結(jié)果（形貌圖，高分辨圖和電

21、子衍射圖），分析樣品的形貌和結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)三X射線衍射儀與物相定性分析一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 學(xué)習(xí)了解X射線衍射儀的結(jié)構(gòu)和工作原理；2. 掌握X射線衍射物相定性分析的方法和步驟；3. 學(xué)會用PDF（ASTM）卡片及索引以及JADE 軟件對多相物質(zhì)進(jìn)行物相分析二. X射線衍射儀的工作原理及功能每一種結(jié)晶物質(zhì)都有各自獨(dú)特的化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)。沒有任何兩種物質(zhì)，它們的晶胞大小、質(zhì)點(diǎn)種類及其在晶胞中的排列方式是完全一致的。因此，當(dāng)X射線被晶體衍射時，每一種結(jié)晶物質(zhì)都有自己獨(dú)特的衍射花樣，它們的特征可以用各個衍射晶面間距d和衍射線的相對強(qiáng)度II1來表征。其中晶面間距d與晶胞的形狀和大小有關(guān)，相對強(qiáng)度則與質(zhì)點(diǎn)的種

22、類及其在晶胞中的位置有關(guān)。所以任何一種結(jié)晶物質(zhì)的衍射數(shù)據(jù)d和II1是其晶體結(jié)構(gòu)的必然反映，因而可以根據(jù)它們來鑒別結(jié)晶物質(zhì)的物相。根據(jù)晶體對X射線衍射峰的位置、強(qiáng)度及數(shù)量來鑒定結(jié)晶物質(zhì)之物相的方法，就是X射線物相分析法。三.實(shí)驗(yàn)儀器及其結(jié)構(gòu)本實(shí)驗(yàn)使用的儀器是日本理學(xué)D/max-2500 X射線衍射儀。X射線衍射儀主要由X射線發(fā)生器（X射線管）、測角儀、X射線探測器、計算機(jī)控制處理系統(tǒng)等組成。衍射儀的結(jié)構(gòu)如下圖所示。1.X射線管 X射線管主要分密閉式和可拆卸式兩種。廣泛使用的是密閉式, 由陰極燈絲、陽極、聚焦罩等組成, 功率大部分在 12千瓦。可拆卸式X射線管又稱旋轉(zhuǎn)陽極靶,其功率比密閉式大許多倍

23、, 一般為 1260千瓦。常用的X射線靶材有 W、Ag、Mo、Ni、Co、Fe、Cr、Cu等。X射線管線焦點(diǎn)為 1×10平方毫米, 取出角為36度。選擇陽極靶的基本要求： 盡可能避免靶材產(chǎn)生的特征X射線激發(fā)樣品的熒光輻射，以降低衍射花樣的背底，使圖樣清晰。2. 測角儀測角儀是粉末X射線衍射儀的核心部件，主要由索拉光闌、發(fā)散狹縫、接收狹縫、防散射狹縫、樣品座及閃爍探測器等組成。 衍射儀一般利用線焦點(diǎn)作為X射線源S，從S發(fā)射的X射線，其水平方向的發(fā)散角被第一個狹縫限制之后，照射試樣，這個狹縫稱為發(fā)散狹縫(DS)。從試樣上衍射的X射線束，在F處聚焦，放在這個位置的第二個狹縫，稱為接收狹縫(

24、RS)。第三個狹縫是防止空氣散射等非試樣散射X射線進(jìn)入計數(shù)管，稱為防散射狹縫(SS)。SS和DS配對，生產(chǎn)廠供給與發(fā)散狹縫的發(fā)射角相同的防散射狹縫。S1、S2稱為索拉狹縫，是由一組等間距相互平行的薄金屬片組成，它限制入射X射線和衍射線的垂直方向發(fā)散。索拉狹縫裝在叫做索拉狹縫盒的框架里。這個框架兼作其他狹縫插座用，即插入DS，RS和SS。RS DS SS  濾波片3. X射線探測記錄裝置衍射儀中常用的探測器是閃爍計數(shù)器(SC)，它是利用X射線能在某些固體物質(zhì)(磷光體)中產(chǎn)生的波長在可見光范圍內(nèi)的熒光，這種熒光再轉(zhuǎn)換為能夠測量的電流。由于輸出的電流和計數(shù)器吸收的X光子能量成正比，因此可以

25、用來測量衍射線的強(qiáng)度。閃爍計數(shù)管的發(fā)光體一般是用微量鉈活化的碘化鈉(NaI)單晶體。這種晶體經(jīng)X射線激發(fā)后發(fā)出藍(lán)紫色的光。將這種微弱的光用光電倍增管來放大，發(fā)光體的藍(lán)紫色光激發(fā)光電倍增管的光電面(光陰極)而發(fā)出光電子(一次電子)，光電倍增管電極由10個左右的聯(lián)極構(gòu)成，由于一次電子在聯(lián)極表面上激發(fā)二次電子，經(jīng)聯(lián)極放大后電子數(shù)目按幾何級數(shù)劇增，最后輸出幾個毫伏的脈沖。4. 計算機(jī)控制、處理裝置衍射儀主要操作都由計算機(jī)控制自動完成，掃描操作完成后，衍射原始數(shù)據(jù)自動存入計算機(jī)硬盤中供數(shù)據(jù)分析處理。數(shù)據(jù)分析處理包括平滑點(diǎn)的選擇、背底扣除、自動尋峰、d值計算，衍射峰強(qiáng)度計算等。四.樣品制備X射線衍射分析的

26、樣品主要有粉末樣品、塊狀樣品、薄膜樣品、纖維樣品等。樣品不同，則樣品制備方法也不同。1. 粉末樣品粉末樣品應(yīng)有一定的粒度要求，通常將試樣研細(xì)后使用，可用瑪瑙研缽研細(xì)。定性分析時粒度應(yīng)小于44微米(350目)，定量分析時應(yīng)將試樣研細(xì)至10微米左右。較方便地確定10微米粒度的方法是，用拇指和中指捏住少量粉末，并碾動，兩手指間沒有顆粒感覺的粒度大致為10微米。根據(jù)粉末的數(shù)量可壓在玻璃制的通框或淺框中。壓制時一般不加粘結(jié)劑，所加壓力以使粉末樣品粘牢為限，壓力過大可能導(dǎo)致顆粒的擇優(yōu)取向。當(dāng)粉末數(shù)量很少時，可在玻璃片上抹上一層凡士林，再將粉末均勻撒上。2. 塊狀樣品先將塊狀樣品表面研磨拋光，然后用橡皮泥將

27、樣品粘在鋁樣品支架上，要求樣品表面與鋁樣品支架表面平齊。3. 微量樣品取微量樣品放入瑪瑙研缽中將其研細(xì)，然后將研細(xì)的樣品放在單晶硅樣品支架上（切割單晶硅樣品支架時使其表面不滿足衍射條件），滴數(shù)滴無水乙醇使微量樣品在單晶硅片上分散均勻，待乙醇完全揮發(fā)后即可測試。4. 薄膜樣品 將薄膜樣品剪成合適大小，用膠帶紙粘在玻璃樣品支架上即可。五.樣品測試 1. 開機(jī)前的準(zhǔn)備和檢查 將制備好的試樣插入衍射儀樣品臺，蓋上頂蓋關(guān)閉防護(hù)罩；開啟水龍頭，使冷卻水流通；X光管窗口應(yīng)關(guān)閉，管電流管電壓表指示應(yīng)在最小位置；接通總電源，接通穩(wěn)壓電源。 2. 開機(jī)操作 開啟衍射儀總電源，啟動循環(huán)水泵；待數(shù)分鐘后，接通X光管電

28、源。緩慢升高管電壓、管電流至需要值。打開計算機(jī)X射線衍射儀應(yīng)用軟件，設(shè)置合適的衍射條件及參數(shù)，開始樣品測試。3. 停機(jī)操作 測量完畢，緩慢降低管電流、管電壓至最小值，關(guān)閉X光管電源；取出試樣；15分鐘后關(guān)閉循環(huán)水泵,關(guān)閉水源；關(guān)閉衍射儀總電源、穩(wěn)壓電源及線路總電源。4. 數(shù)據(jù)處理 測試完畢后，可將樣品測試數(shù)據(jù)存入磁盤供隨時調(diào)出處理。原始數(shù)據(jù)需經(jīng)過曲線平滑，Ka2扣除，譜峰尋找等數(shù)據(jù)處理步驟，最后打印出待分析試樣衍射曲線和d值、2、強(qiáng)度、衍射峰寬等數(shù)據(jù)供分析鑒定。六. 物相定性分析方法X射線衍射物相定性分析方法有以下幾種：1. 三強(qiáng)線法（1）從前反射區(qū)（2900中選取強(qiáng)度最大的三根線，并使其d值

29、按強(qiáng)度遞減的次序排列。（2）在數(shù)字索引中找到對應(yīng)的d1(最強(qiáng)線的面間距）組。（3）按次強(qiáng)線的面間距d2找到接近的幾列。（4）檢查這幾列數(shù)據(jù)中的第三個d值是否與待測樣的數(shù)據(jù)對應(yīng)，再查看第四至第八強(qiáng)線數(shù)據(jù)并進(jìn)行對照，最后從中找出最可能的物相及其卡片號。（5）找出可能的標(biāo)準(zhǔn)卡片，將實(shí)驗(yàn)所得d及I/I1跟卡片上的數(shù)據(jù)詳細(xì)對照，如果完全符合，物相鑒定即告完成。 如果待測樣的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)不符，則須重新排列組合并重復(fù)（2）（5）的檢索手續(xù)。如為多相物質(zhì)，當(dāng)找出第一物相之后，可將其線條剔出，并將留下線條的強(qiáng)度重新歸一化，再按過程（1）（5）進(jìn)行檢索，直到得出正確答案。2. 特征峰法對于經(jīng)常使用的樣品，其衍射

30、譜圖應(yīng)該充分了解掌握，可根據(jù)其譜圖特征進(jìn)行初步判斷。例如在26.50左右有一強(qiáng)峰，在680左右有五指峰出現(xiàn)，則可初步判定樣品含SiO2。3. 利用Jade軟件把測試結(jié)果導(dǎo)入到Jade軟件中，通過其自動識別功能可以在電腦上更便捷地獲知所測樣品的物相。七. 實(shí)驗(yàn)報告及要求 1.實(shí)驗(yàn)課前必須預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)講義和教材，掌握實(shí)驗(yàn)原理等必需知識。 2. 實(shí)驗(yàn)報告內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑢?shí)驗(yàn)原理，樣品制備、樣品物相鑒定結(jié)果分析等。鑒定結(jié)果要求寫出樣品名稱（中英文）、卡片號，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)三強(qiáng)線的d值、相對強(qiáng)度及（hkl），實(shí)驗(yàn)四 熱分析儀在材料熱穩(wěn)定性及相轉(zhuǎn)變分析中的應(yīng)用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解差熱、失重分析的原理和方

31、法。2利用差熱分析方法研究某些物質(zhì)在加熱過程中的物理化學(xué)方面的變化。二、實(shí)驗(yàn)原理及方法1. 差熱分析的原理及方法對某一物質(zhì)進(jìn)行加熱或冷卻過程中，如發(fā)生沸騰、蒸發(fā)、升華、多晶轉(zhuǎn)變、還原、分解、熔融、礦物晶格破壞等變化時，會伴隨有吸熱現(xiàn)象產(chǎn)生。若發(fā)生氧化作用、固相反應(yīng)、玻璃質(zhì)的重結(jié)晶作用、非晶態(tài)過渡為結(jié)晶態(tài)等現(xiàn)象時，會伴隨有放熱現(xiàn)象產(chǎn)生。差熱分析的目的就是要準(zhǔn)確測量發(fā)生這些變化時的溫度，掌握物質(zhì)變化的規(guī)律。將樣品與一種基準(zhǔn)物質(zhì)（要求在加熱過程中，沒有熱效應(yīng)出現(xiàn)）在相同條件下加熱，當(dāng)樣品發(fā)生物理或化學(xué)變化時，伴隨著熱效應(yīng)的產(chǎn)生。由于基準(zhǔn)物質(zhì)在加熱過程中沒有任何熱效應(yīng)產(chǎn)生，這樣，樣品與基準(zhǔn)物質(zhì)的溫度就

32、會有一個微小的差別，我們利用一對反向相聯(lián)的熱電耦，連接于一臺靈敏的熱流計上，把這個微小變化記錄下來，得到熱譜圖形，這種方法稱為差熱分析，簡稱DTA。熱電偶測溫示意圖見圖1 所示。實(shí)驗(yàn)時，將樣品和標(biāo)樣在相同條件下加熱，如樣品沒有發(fā)生變化，樣品和標(biāo)樣的溫度是一致的。若樣品發(fā)生變化，則伴隨產(chǎn)生的熱效應(yīng)會引起樣品和標(biāo)樣的溫度差別，差熱曲線便出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。在吸熱效應(yīng)發(fā)生時，樣品的溫度低于標(biāo)樣的溫度；當(dāng)放熱效應(yīng)發(fā)生時，樣品的溫度稍高于標(biāo)樣的溫度。當(dāng)樣品反應(yīng)結(jié)束時，兩者的溫度差經(jīng)過熱的平衡過程，溫度趨向一致，溫差就消失了，差熱曲線即恢復(fù)原狀，因此，若以溫差（T）對爐溫作圖就會得到一條曲線。T 由零變到某一極值后

33、又回到零，用曲線表示如圖2 所示：這種圖形為差熱曲線，曲線開始轉(zhuǎn)折的溫度為稱為反應(yīng)開始的溫度，曲線的極點(diǎn)溫度稱為反應(yīng)終了溫度。但應(yīng)注意，這個溫度并不能準(zhǔn)確地代表開始反應(yīng)的溫度，而往往總是偏高一些，偏差的程度與升溫速度，樣品與標(biāo)樣的傳熱情況，爐子保溫效果等因素有關(guān)。2. 失重分析的原理及方法物質(zhì)在加熱過程中產(chǎn)生熱效應(yīng)的同時，往往伴隨著重量的變化和體積變化。因此欲準(zhǔn)確判斷熱效應(yīng)出現(xiàn)的原因，必須對伴隨產(chǎn)生的重量與體積變化加以聯(lián)系考慮。失重分析就是物料在加熱過程中，從重量變化來估計脫水、有機(jī)物的燒損、碳酸鹽等各種鹽類分解的快慢等。根據(jù)物料在加熱過程中重量損失的情況記錄下來并對溫度繪成曲線（簡稱TG曲線

34、），從而求得驗(yàn)證物質(zhì)分解或失水等變化的溫度和損失率。三、實(shí)驗(yàn)儀器及材料1. 熱重儀2. 草酸鈣四、實(shí)驗(yàn)步驟1.樣品的制備要求試樣與標(biāo)樣（-Al2O3）的細(xì)度和含水量一致，將兩者放在102±5的烘箱中干燥，然后放于干燥器內(nèi)冷卻備用。2. 裝樣品將標(biāo)樣裝入基準(zhǔn)坩堝內(nèi)，將樣品裝入樣品坩堝內(nèi)，二者裝的松勁程度要基本一致，中間不得留有間隙，蓋好電爐。3. 插上電源后，熱重儀使用方法，操作儀器。五、分析整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，寫出實(shí)驗(yàn)報告1. 根據(jù)差熱分析的原理，將所測得的DTA 曲線進(jìn)行分析處理，標(biāo)出吸熱或放熱的起始溫度，并給予適當(dāng)說明；2. 以失重為縱坐標(biāo)，溫度為橫坐標(biāo)，繪制出失重曲線；從失重曲線上找

35、出該試樣的失重規(guī)律性，并初步估計分析試樣中的組成和所進(jìn)行的固相反應(yīng)（脫水、熔融、相變等）。六、注意事項1. 試驗(yàn)用坩堝不得直接用手拿，應(yīng)用鑷子夾起。2. 標(biāo)樣可重復(fù)使用，不必更換。3. 取、放試樣坩堝時，一定要輕拿輕放，不要碰壞差熱電偶。七、思考題1影響差熱曲線的因素有哪些？2如何求算熱效應(yīng)（放熱峰、吸熱谷）的起始溫度？3. 如何根據(jù)失重曲線，分析說明試樣在加熱過程中的變化？實(shí)驗(yàn)五 結(jié)晶及晶體生長形態(tài)觀察一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.認(rèn)識結(jié)晶的基本過程。2.了解結(jié)晶生長形態(tài)及不同結(jié)晶條件對晶粒大小的影響。二、原理概述1結(jié)晶的基本過程結(jié)晶是由形核和晶體長大兩個基本過程所組成。認(rèn)識并掌握其規(guī)律，從而控制結(jié)晶過程

36、，是很重要的。觀察一些鹽類的結(jié)晶，能給人一些深刻的印象，有助于了解金屬的結(jié)晶過程。將適量的飽和硝酸鉛的水溶液滴在載玻片上，由于溶液中的水蒸發(fā)不斷結(jié)晶出硝酸鉛。在一批晶核形成長大的同時，又有許多新的晶核形成并長大。因此，整個晶體的結(jié)晶就是不斷形成新晶核和晶核不斷長大的過程。由各晶核長成的不同晶粒，在未接觸之前，都能自由生長，清楚的顯示出各自的外形；一旦相遇，則互相妨礙生長，直至液相消失，各晶粒完全接觸，在晶粒之間形成分界即晶界。2晶體生長形態(tài)1）.成分過冷固溶體合金結(jié)晶時在液固界面前沿的液相中有溶質(zhì)聚集，引起界面前沿液相熔點(diǎn)的變化。在液相的實(shí)際溫度分布低于該熔點(diǎn)變化曲線的區(qū)域內(nèi)形成過冷。這種由于

37、液相成分變化與實(shí)際溫度發(fā)表共同決定的過冷度，稱為成分過冷。根據(jù)理論計算，形成成分過冷的臨界條件是式中，G為液相中自液固界面開始的溫度梯度；R為凝固速度；m表示相圖上液相線的斜率；C0為合金的原始成分；D為液相中溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)；k0為平衡分配系數(shù)。合金的成分、液相中的溫度梯度和凝固速度是影響成分過冷的主要因素。高純物質(zhì)在正的溫度梯度下結(jié)晶為平面生長，在負(fù)的溫度梯度下成樹枝狀生長。固溶體合金或純金屬含微量雜質(zhì)時，即使在正的溫度梯度下也會因有成分過冷成樹枝狀或胞狀生長，晶體的生長形態(tài)與成分過冷區(qū)的大小有密切的關(guān)系，當(dāng)成分過冷區(qū)較窄時形成胞狀晶；當(dāng)成分過冷區(qū)足夠大時形成樹枝晶。2）樹枝晶觀察硝酸鉛的結(jié)

38、晶過程，可以清楚的看到樹枝晶生長時各次軸的形成和長大，最后每個枝晶形成一個晶粒。根據(jù)各晶粒主軸指向不一致，可知它們有不同的位向。硝酸鉛水溶液在載玻片上結(jié)晶上，只能顯示出枝晶的平面生長形貌。3）.胞狀晶合金凝固時常出現(xiàn)成分過冷，當(dāng)液固界面前沿的成分過冷區(qū)較窄時，固相表面上偶然的凸起，不可能向更遠(yuǎn)的液相中延伸，因此界面不能形成樹枝狀，而只能形成一些凸起的曲面，稱為胞狀界面。3過冷度金屬結(jié)晶時需要過冷度，以提供相變的驅(qū)動力。因此金屬實(shí)際開始結(jié)晶的溫度低于其熔點(diǎn)，兩者之差稱為過冷度。同種金屬結(jié)晶時的過冷度隨冷卻速度的增加而增大。過冷度越大，所得晶粒越小。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.觀察硝酸鉛飽和水溶液在空氣中的結(jié)

39、晶過程及晶體生長形態(tài)。2.研究硝酸鉛結(jié)晶時的生長是以何種方式完成。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料生物顯微鏡，載玻片，硝酸鉛，膠頭滴管，玻璃棒，脫脂棉，試劑瓶。五、實(shí)驗(yàn)報告要求1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.實(shí)驗(yàn)原理概述。3.實(shí)驗(yàn)過程描述及記錄。4.畫出所觀察到的硝酸鉛整個結(jié)晶過程。并分析其形態(tài)產(chǎn)生的原因。實(shí)驗(yàn)六 接觸角的測定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握接觸角的定義和測定方法。2利用接觸角測量儀研究不同物質(zhì)的浸潤性能。二、實(shí)驗(yàn)原理及方法1. 接觸角的定義接觸角又稱潤濕角，是液體在固體表面形成熱力學(xué)平衡時所保持的角度。它是判定物質(zhì)親疏水性能的重要因素之一，也是衡量界面張力的標(biāo)志。當(dāng)液滴自由地處于不受立場影響的空間時，由于界面張力的存

40、在而呈圓球狀。但是，當(dāng)液滴與固體平面接觸時，其最終形狀取決于液滴內(nèi)部的內(nèi)聚力和液滴與固體間的粘附力的相對大小。當(dāng)一液滴放置在固體平面上時，液滴能自動地在固體表面鋪展開來，或以與固體表面成一定接觸角的液滴存在，如圖1所示。假定不同的界面間力可用作用在界面方向的界面張力來表示，則當(dāng)液滴在固體表面上處于平衡位置時這些界面張力在水平方向上的分力之和應(yīng)等于0-，即s =sl +l cos （楊氏方程），楊氏方程體現(xiàn)了固氣表面張力s、固液表面張力sl 、液氣表面張力l與固液界面接觸角的關(guān)系。楊氏公式是一種理論計算方法,可以得到精確的和熱力學(xué)穩(wěn)定的理論接觸角。在理想環(huán)境中，固、液、氣三相的表面張力數(shù)值是一種

41、理論化統(tǒng)計性的參數(shù)。在表面張力確定時,就可以計算接接觸角，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)測試方法都是以楊氏方程為指導(dǎo)而產(chǎn)生的。接觸角是反應(yīng)物質(zhì)與液體潤濕性的關(guān)系的重要尺度，通常把<90°稱為潤濕, >90°的稱為不潤濕。越接近 180°，固體的疏水性就越好，越接近 0°，固體的親水性就越好。但是楊氏方程并未指出對實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境和條件的參數(shù)修正。在實(shí)際環(huán)境中，表面張力的大小與固體微觀相結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)能緊密聯(lián)系，而固體（薄膜）的微觀形貌和相結(jié)構(gòu)又與熱處理工藝密切相關(guān)；同時固體、液體、氣體的實(shí)際自由能 、固體對液體的吸收（反應(yīng)） 、固體的表面粗糙度以及具體的實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫

42、濕度等等因素都難以在楊氏方程中反映。而且楊氏公式也認(rèn)為微觀接觸角與液滴宏觀大小和形狀之間是沒有聯(lián)系的，這就給實(shí)際操作提供了很多不確定條件。因此，僅從理論表面張力參數(shù)得到的接觸角不能完全反映出固體（薄膜）在不同處理工藝下的實(shí)際潤濕性。2.接觸角的測定 對于理性的平固體表面，當(dāng)液滴在表面達(dá)平衡后，只有一個符合楊氏方程的接觸角。但實(shí)際固體表面是非理想的，因而會出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，致使接觸角的測量往往很難重復(fù)。但經(jīng)過精心制備和處理的表面，有可能得到較重復(fù)的數(shù)據(jù)。2.1 量角法 量角法是測量接觸角的最常用的方法之一。該方法是將固體表面上的液滴或?qū)⒔胍后w中的固體表面上形成的氣泡投影到屏幕上，然后直接測量切線與

43、相界面的夾角，直接測量接觸角的大小。2.2 量高法如果液滴很小，重力作用引起液滴的變形可以忽略不計，這時的液滴可認(rèn)為是球形的一部分，接觸角可通過高度的測量按下式計算。式中h是液滴高度，d 是液滴的直徑。若液滴體積小于10-4mL, 此方法可用。若接觸角小雨900C，則液滴稍大也可應(yīng)用。三、實(shí)驗(yàn)儀器及材料1. 上海中晨 JC2000C1 靜滴接觸角測量儀2. 干凈的空白玻璃基底和表面長有氧化鋅棒的玻璃。四、實(shí)驗(yàn)步驟1 將待測試樣品放在儀器的樣品臺上。2. 打開儀器電源和接觸角測定程序。3. 調(diào)節(jié)水平儀，使氣泡位于中間。4.打開鏡頭蓋，用水排氣泡。5. 調(diào)整水滴使其飽滿（在電腦活動圖像可以看到），

44、調(diào)節(jié)樣品臺使樣品觸碰水滴，水滴據(jù)落在樣品上。6.活動圖像凍結(jié)圖像點(diǎn)擊文件菜單下的“保存”輸入圖像的文件名基準(zhǔn)線開始選擇剛保存的文件用鼠標(biāo)點(diǎn)擊需要的基準(zhǔn)線的位置OK電腦將有基準(zhǔn)線的文件保存7.量角法：按量角法按鈕，進(jìn)入量角法主界面，按開始鍵選擇剛保存的有基線的文件，出現(xiàn)量角尺，使其與液滴邊緣相切，然后下移測量尺到液滴頂端，再旋轉(zhuǎn)測量尺，使其與液滴左端相交，即得到接觸角的數(shù)值。8. 量高法：按量高法按鈕，進(jìn)入量高法主界面，按開始鍵選擇剛保存的有基線的文件，用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊液滴的頂端和液滴的左右兩端（如下圖2所示），即得到接觸角的數(shù)值。圖2 量高法測定接觸角五、分析整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，寫出實(shí)驗(yàn)報告1. 將測

45、定的不同樣品的接觸角數(shù)據(jù)列于表中，分析樣品的潤濕性能。樣品接觸角平均值123樣品1樣品2結(jié)論六、注意事項1. 因?yàn)槌睗竦臉悠返谋砻婧休^多的水分子，親水性增加，影響測量的真實(shí)性，因此樣品測試前要充分干燥，且不要在空氣中放置太長時間。2. 每個樣品要多測幾次，而且由于樣品本身結(jié)構(gòu)的不均勻性，在樣品不同部位的接觸角也要測量求平均值。七、思考題1影響接觸角的因素有哪些？2如何應(yīng)用量角法和量高法測定接觸角？實(shí)驗(yàn)七 陶瓷材料的氣孔率及體積密度測定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、學(xué)會的測定方法陶瓷材料氣孔率、吸水率及體積密度。2、了解陶瓷材料氣孔率及體積密度對陶瓷材料性能及燒結(jié)狀態(tài)的影響。二、實(shí)驗(yàn)原理：測定方法陶瓷材料

46、氣孔率及體積密度及體積收縮，就能確定坯泥的燒結(jié)溫度和燒成溫度曲線，陶瓷制品耐火材料的熱穩(wěn)定性在極大程度上取決于坯體的氣孔率。因而上述項目也是制品的重要指標(biāo)之一。氣孔率通常分為真氣孔率、顯氣孔率和閉口氣孔率。所謂顯氣孔率系指試塊的所有開口氣孔的體積與其總體積之比值。閉口氣孔率是指試塊所有閉口氣孔的體積與其總體積的比值。真氣孔率是指試塊中的全部氣孔，及顯氣孔率與閉口氣孔率的總和。吸水率是試塊所有開口氣孔所吸收的水的質(zhì)量與其總體積的比值。上述各項皆以百分?jǐn)?shù)來表示。體積密度是干燥試塊的質(zhì)量與其總體積指比，用g/cm3表示。由上述得知，無論是氣孔率或是體積密度都要求測定體積。本實(shí)驗(yàn)是根據(jù)阿基米德原理，用

47、液體靜力稱重法進(jìn)行測定的?；驹砼c真比重的測定方法相同。測定時先將試樣開口孔隙中空氣排出，充以液體（媒介液），然后稱量飽和液體的試樣在空氣中的重量及懸吊在液體中的重量，根據(jù)公式計算得出上述各項。由于液體浮力的作用，使兩次稱量的差值等于被試塊所排開的同體積液體，此值除以液體比重即得試塊得真實(shí)體積。試塊飽吸液體之前與飽吸液體之后在空氣中的二次稱量差值，出院一言堂的比重即為試樣開口孔隙所占體積，再按公式計算顯氣孔率時，液體比重已被約去。欲使試塊孔隙中的空氣在短時間內(nèi)被液體替代，必須采取強(qiáng)力排氣，常用煮沸法與抽真空法兩種。煮沸法適用于與水不起作用得試樣，與水起作用和易被水分散得試樣宜用抽真空的方法排

48、除試樣中的空氣，用煤油浸填后，在煤油中稱量，不受水影響的試樣可用水浸填，在水中稱量。三、實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備：液體靜力天平普通天平（感量0.01g）烘箱帶有溢流管的燒杯毛刷、鑷子、吊籃、小毛巾四、實(shí)驗(yàn)步驟：1)刷凈試樣表面灰塵，放入電熱烘箱中在105110下烘干2小時或在允許的更高溫度下烘干至恒重，并于干燥器中自然冷卻至室溫，稱量試樣的質(zhì)量m1，精確至0.01g。試樣干燥至最后稱量之差不大于其前一次的0.1即為恒重。2）試樣浸漬：把試樣放入容器中，并置于抽真空裝置中，抽真空至其剩余壓力小于20mmHg(20Torr)。試樣在此真空度下保持5min，然后在5min內(nèi)緩慢地注入供試樣吸收的液體，直至試樣

49、完全淹沒。再保持抽真空5min,停止抽氣，將容器取出在空氣中靜置30min,使試樣充分飽和。3)和試樣表觀質(zhì)量測定：將飽和試樣迅速移至帶溢流管的容器的浸液中，當(dāng)浸液完全淹沒試樣后，將試樣掛在天平的掛鉤上稱量，得飽和試樣的表觀質(zhì)量m2，精確至0.01g。表觀質(zhì)量系指飽和碘化銀的質(zhì)量減去被排除的液體的質(zhì)量。即相當(dāng)于飽和試樣懸掛在液體中的質(zhì)量。4）飽和試樣質(zhì)量測定：從液體中取出試樣，用飽和了液體的毛巾，小心地擦去試樣表面多余的液滴（但不能把氣孔中的液體吸出）。迅速稱量飽和試樣在空氣中的質(zhì)量m3，精確至0.01g。5）浸漬液體密度測定：測定在試驗(yàn)溫度下所用的浸漬液體的密度，可用液體靜力稱量法、液體比重

50、天平法或液體比重計法，精確至0.001g/cm3。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果：（一） 記錄表：氣孔率、吸水率、體積密度測定記錄試樣名稱測定人測定日期試樣處理試樣編號干試樣質(zhì)量 m1飽和試樣表觀質(zhì)量 m2飽和試樣在空氣中質(zhì)量 m3吸水率（）顯氣孔率（）真氣孔率（）閉口氣孔率（）體積密度（g/cm3）（二） 計算：1）吸水率按下式計算：2）顯氣孔率按下式計算：3）體積密度按下式計算：4）真氣孔率按下式計算：5）閉口氣孔率按下式計算：式中 m1干燥試樣的質(zhì)量（g）m2飽和試樣的表觀質(zhì)量（g）m3飽和試樣在空氣中的質(zhì)量（g）Dl試驗(yàn)溫度下，浸漬液體的密度（g/cm3）Db試樣的真密度（g/cm3）“表觀質(zhì)量”是指飽

51、和試樣的質(zhì)量減去被排除的液體的質(zhì)量。即相當(dāng)于試樣懸掛在液體中的質(zhì)量。（三） 試驗(yàn)精度要求：同一實(shí)驗(yàn)室，同一試驗(yàn)方法，同一塊試樣的復(fù)驗(yàn)誤差不允許超過：顯氣孔率：0.5吸水率：0.30體積密度：0.02g/cm3真氣孔率：0.5。六、實(shí)驗(yàn)報告要求1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 實(shí)驗(yàn)原理。3. 操作內(nèi)容。4. 數(shù)據(jù)記錄及處理，結(jié)果實(shí)驗(yàn)。5. 分析實(shí)驗(yàn)中存在的問題。六、注意事項：1. 制備試樣時一定要檢查試樣有無裂紋等缺陷。2. 稱取飽吸液體試樣在空氣中的重量時，用毛巾抹去表面液體操作必須前后一致。3. 用經(jīng)常檢查天平零點(diǎn)以保證稱量準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)八 鋰離子電池正極材料LiCoO2的制備和結(jié)構(gòu)表征一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.

52、通過實(shí)驗(yàn)掌握制備LiCoO2正極材料所使用的固相制備方法。2. 通過測定LiCoO2材料的XRD粉末衍射數(shù)據(jù)，掌握層狀LiCoO2正極材料的結(jié)構(gòu)特征。二. 實(shí)驗(yàn)原理鋰離子電池具有性能穩(wěn)定、高比容量、環(huán)保、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，在便攜電子產(chǎn)品中（如手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、MP3等）得到廣泛應(yīng)用。 鋰離子電池充放電過程僅是通過正、負(fù)極材料的拓?fù)浞磻?yīng)（如圖1所示），即在電池內(nèi)部，充放電過程中電極材料僅發(fā)生鋰離子的嵌入和脫出反應(yīng)，并不產(chǎn)生新相，保持自己的結(jié)構(gòu)不變；當(dāng)反應(yīng)逆向進(jìn)行時，又恢復(fù)原狀，因此也稱為“搖椅式電池”。其充、放電電極反應(yīng)為：圖1 鋰離子電池的工作原理圖正極反應(yīng)：LiCoO2Li1-xCo

53、O2+xLi+xe-負(fù)極反應(yīng)：6C+xLi+xe-LixC6電池的總反應(yīng)：6C+LiCoO2Li1-xCoO2+LixC6正極材料LiCoO2有兩種晶體結(jié)構(gòu)：層狀結(jié)構(gòu)和尖晶石結(jié)構(gòu)。常被用作鋰離子電池正極材料的LiCoO2為層狀結(jié)構(gòu)（如圖2所示），屬R3m空間群，氧原子構(gòu)成立方密堆積序列，鈷和鋰分別占據(jù)立方密堆積的八面體3a與3b位置，晶格常數(shù)a=0.2817nm，b=1.415nm。層狀LiCoO2的合成方法一般為高溫固相合成。在固相反應(yīng)中，一定溫度下反應(yīng)離子和原子會通過反應(yīng)物、中間體發(fā)生遷移從而逐漸生成熱力學(xué)穩(wěn)定的固相粉末。本實(shí)驗(yàn)中采用碳酸鈷和碳酸鋰作為原材料，通過常用的高溫固相反應(yīng)制備層狀

54、LiCoO2分體，并通過XRD粉末衍射測定材料的物相，經(jīng)Jade軟件計算確定所得樣品的晶體結(jié)構(gòu)和晶胞參數(shù)，并與理論值相比較。圖2 典型的層狀LiMO2正極材料的晶胞結(jié)構(gòu)示意圖 三. 儀器和試劑1. 儀器研缽、馬弗爐、坩堝、電子天平、X射線衍射儀2. 試劑碳酸鋰、碳酸鈷四實(shí)驗(yàn)步驟1. 前驅(qū)體的制備按化學(xué)計量比Li：Co=1：1稱取碳酸鋰和碳酸鈷放入研缽中， 不斷地研磨混合均勻，最后將研磨所得蓬松的前驅(qū)體收集到坩堝中，待用。2. 樣品的高溫合成在空氣氣氛下，將含有前驅(qū)體的坩堝放入馬弗爐并于5000C下，加熱分解6h，冷卻至室溫并再次充分研磨；接著將樣品于8000C下晶化12h，自然冷卻至室溫收集所得樣品。3. 樣品的粉末X射線衍射數(shù)據(jù)測定和處理觀察樣品的顏色，利用X射線衍射儀測定樣品的物相并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。五. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和處理 將X射線衍射數(shù)據(jù)導(dǎo)入Jade軟件，與標(biāo)準(zhǔn)圖譜對比，