材料研究與測試方法實驗實驗指導書

1、實驗一 一實驗目的1. 了解X射線衍射的結(jié)構(gòu)及工作原理。2. 熟悉X射線衍射儀的操作。3. 掌握運用X射線衍射分析卡片和軟件進行物相分析的方法。二實驗原理（1）X射線的產(chǎn)生和X射線的光譜實驗中通常使用X光管來產(chǎn)生X射線。在抽成真空的X光管內(nèi)，當由熱陰極發(fā)出的電子經(jīng)高壓電場加速后，高速運動的電子轟擊由金屬做成的陽極靶時，靶就發(fā)射X射線。發(fā)射出的X射線分為兩類：軔致輻射和特征輻射。（2）X射線與物質(zhì)的作用X射線與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生各種復雜過程。就其能量轉(zhuǎn)換而言，一束X射線通過物質(zhì)分為三部分：散射、吸收、透過物質(zhì)沿原來的方向傳播，其中相干散射是產(chǎn)生衍射花樣原因。如圖1圖1 X射線與物質(zhì)的作用（3）晶體

2、結(jié)構(gòu)與晶體X射線衍射晶體結(jié)構(gòu)可以用三維點陣來表示。每個點陣點代表晶體中的一個基本單元，如離子、原子或分子等?？臻g點陣可以從各個方向予以劃分，而成為許多組平行的平面點陣。因此，晶體可以看成是由一系列具有相同晶面指數(shù)的平面按一定的距離分布而形成的。各種晶體具有不同的基本單元，晶胞大小，對稱性，因此每種晶體都必然存在著一系列特定的d值，可以用于表征不同的晶體。X射線波長與晶面間距相近，可以產(chǎn)生衍射。晶面間距d和X射線的波長的關(guān)系可以用布拉格方程來表示2dsinn根據(jù)布拉格方程，不同的晶面，其對X射線的衍射角也不同。因此，通過測定晶體對X射線的衍射，就可以得到它的X射線粉末衍射圖，與數(shù)據(jù)庫中的已知X射

3、線粉末衍射圖對照就可以確定它的物相。（4）物相鑒定原理任何結(jié)晶物質(zhì)均具有特定晶體結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)類型，晶胞大小及質(zhì)點種類，數(shù)目，分布）和組成元素。一種物質(zhì)有自己獨特的衍射譜與之對應，多相物質(zhì)的衍射譜為各個互不相干，獨立存在物相衍射譜的簡單疊加。衍射方向是晶胞參數(shù)的函數(shù)取決于晶體結(jié)構(gòu)；衍射強度是結(jié)構(gòu)因子函數(shù)取決于晶胞中原子的種類、數(shù)目和排列方式。任何一個物相都有一套d-I特征值及衍射譜圖。因此，可以對多相共存的體系進行全分析。也就是說實驗測得的圖譜與數(shù)據(jù)庫中的已知X射線粉末衍射圖對照，通過兩者的匹配性就可以確定它的物相。三 實驗儀器本實驗使用的儀器為D8 FOCUS X射線衍射儀四實驗步驟1. 樣品制

4、備將待測粉末樣品在試樣架均勻分布并用玻璃板壓平實，使試樣面與玻璃表面齊平2.測試第一步：開機(1) 打開墻體及主機電源，并按下主機啟動按鈕。(2)打開冷卻循環(huán)水系統(tǒng)開關(guān)，使冷水電導率在3以內(nèi)，水溫在20-24度范圍內(nèi)。(3)按下控制面板上的開真空按鈕，使真空度降至150mV以下。(4)打開控制柜開關(guān)(5)打開電腦，在軟件控制程序中開啟X射線后執(zhí)行預熱至需要功率，預熱時間為1-1.5小時。第二步：裝樣將裝有待測粉末樣品的試樣架放置在測角儀中心的樣品架上第三步：測量在電腦軟件控制中，打開測量控制程序，設定實驗參數(shù)如下表：設定好參數(shù)后，單擊執(zhí)行開始測量。測量結(jié)束后，保存數(shù)據(jù)以待分析。第四步：關(guān)機(1

5、)利用軟件控制程序，將管電壓和管電流調(diào)至20kV、10mA后，關(guān)閉X射線。關(guān)閉腦。(2)關(guān)閉控制柜開關(guān)。(3)關(guān)閉真空系統(tǒng)(4)關(guān)閉X射線30min之后關(guān)閉冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的開關(guān)。(5)關(guān)閉電源，實驗結(jié)束。五、數(shù)據(jù)處理及分析，找出衍射圖各個峰的衍射角(2)和面間距(d)，運用XRD分析標準衍射卡片或(jade5.0與pcpdfwin)數(shù)據(jù)庫中的標準衍射圖對照，確定樣品的物相。寫出實驗報告。六、 思考題1. X射線在晶體上產(chǎn)生衍射的條件是什么 ？2. 用衍射儀如何區(qū)分單晶、多晶和非晶體？實驗二 掃描電子顯微鏡實驗一實驗目的1. 了解掃描電鏡和能譜儀的構(gòu)造及工作原理2. 掃描電鏡的樣品制備3. 利用

6、二次電子像對材料形貌進行觀察4. 了解背散射電子像的應用二實驗原理掃描電鏡是由電子槍發(fā)射并經(jīng)過聚焦的電子束在樣品表面掃描，激發(fā)樣品產(chǎn)生各種物理信，經(jīng)過檢測、視頻放大和信號處理，在熒光屏上獲得能反映樣品表面各種特征的掃描圖像。掃描電鏡由下列五部分組成，如圖1（a）所示。圖1 掃描電鏡結(jié)構(gòu)圖各部分主要作用簡介如下1.電子光學系統(tǒng)它 由 電 子 槍、電 磁 透 鏡、光 闌、樣 品 室 等 部 件 組 成，如 圖1（b）所示。為了獲得較高的信號強度和掃描像，由電子槍發(fā)射的掃描電子束應具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。常用的電子槍有三種形式：普通熱陰極三極電子槍、六硼化鑭陰極電子槍和場發(fā)射電子槍，其性

7、能如表2所示。前兩種屬于熱發(fā)射電子槍，后一種則屬于冷發(fā)射電子槍，也叫場發(fā)射電子槍。由表可以看出場發(fā)射電子槍的亮度最高、電子源直徑最小，是高分辨本領(lǐng)掃描電鏡的理想電子源。電磁透鏡的功能是把電子槍的束斑逐級聚焦縮小，因照射到樣品上的電子束斑越小，其分辨率就越高。掃描電鏡通常有三個磁透鏡，前兩個是強透鏡，縮小束斑，第三個透鏡是弱透鏡，焦距長，便于在樣品室和聚光鏡之間裝入各種信號探測器。為了降低電子束的發(fā)散程度，每級磁透鏡都裝有光闌；為了消除像散，裝有消像散器。表2幾種類型電子槍性能樣品室中有樣品臺和信號探測器，樣品臺還能使樣品做平移、傾斜、轉(zhuǎn)動等運動。2.掃描系統(tǒng) 掃描系統(tǒng)的作用是提供入射電子束在樣

8、品表面上以及陰極射線管電子束在熒光屏上的掃描同步信號。3.信號檢測、放大系統(tǒng)樣品在入射電子作用下會產(chǎn)生各種物理信號、有二次電子、背散射電子、特征X射線、陰極熒光和透射電子。不同的物理信號要用不同類型的檢測系統(tǒng)。它大致可分為三大類，即電子檢測器、陰極熒光檢測器和X射線檢測器。4.真空系統(tǒng)鏡筒和樣品室處于高真空下，一般不得高于1102Pa，它由機械泵和分子渦輪泵來實現(xiàn)。開機后先由機械泵抽低真空，約20分鐘后由分子渦輪泵抽真空，約幾分鐘后就能達到高真空度。此時才能放試樣進行測試，在放試樣或更換燈絲時，閥門會將鏡筒部分、電子槍室和樣品室分別分隔開，這樣保持鏡筒部分真空不被破壞。5.電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓、穩(wěn)流

9、及相應的安全保護電路所組成，提供掃描電鏡各部分所需要的電源。三 實驗儀器本實驗使用的儀器為KYKY-2800B掃描電子顯微鏡四實驗步驟1. 樣品的制備2. 開機準備 （1）開啟穩(wěn)壓器、電壓指示應為220V，開啟冷卻循環(huán)水裝置電源開關(guān)。 （2）開啟試樣室真空開關(guān)，開啟試樣室準備狀態(tài)開關(guān)。 （3）開啟控制柜電源開關(guān)。3. 工作程序 （1）開啟試樣室進氣閥控制開關(guān)放真空，將試樣放入試樣室后將試樣室進氣閥控制開關(guān)關(guān)閉抽真空。 （2）打開工作軟件，加高壓至5KV（不導電試樣）。 （3）將圖像選區(qū)開關(guān)撥至全屏（FULL）。 （4）調(diào)節(jié)顯示器對比度，亮度至適當位置。 （5）調(diào)節(jié)聚焦旋鈕至圖像清晰。 （6）放

10、大圖像選區(qū)至高倍狀態(tài) （7）消去X方向和Y方向的象散。 （8）選擇適當?shù)膾呙杷俾视^察圖像。 （9）根據(jù)所需要求進行觀察和拍照 （10）做好實驗記錄及儀器使用記錄。4. 關(guān)機程序 （1）關(guān)高壓，逆時針調(diào)節(jié)顯示器對比度、亮度。 （2）關(guān)閉軟件和主機 （3）關(guān)閉鏡筒真空隔閥 （4）關(guān)主機電源開關(guān) （5）關(guān)真空開關(guān) （6）20分鐘后，關(guān)循環(huán)水和電子交流穩(wěn)壓器開關(guān)。五、數(shù)據(jù)處理及分析，對得到的掃描電鏡照片進行分析，觀察樣品的微觀形貌，并做出記錄。六、 思考題1. 通過實驗你體會到掃描電鏡有哪些特點 ？2. 掃描電鏡對測試樣品有哪些要求？實驗三 紅外吸收實驗一實驗目的1. 學習用紅外吸收光譜進行化合物的定

11、性分析。2. 熟悉傅里葉變換紅外光譜儀的工作原理和使用方法；掌握粉末試樣的光譜測試方法。3. 掌握用壓片法制作固體試樣晶片的方法。二實驗原理在化合物分子中，具有相同化學鍵的原子基團，其基本振動頻率吸收峰（簡稱基頻峰）基本上出現(xiàn)在同一頻率區(qū)域內(nèi)，例如CH3(CH2)5CH3,CH3(CH2)4CN,CH3(CH2)5CHCH2等分子中都有CH3,CH2集團，它們的伸縮振動基頻峰與CH3(CH2)6CH3分子的紅外吸收光譜中CH3,CH2集團，它們的伸縮振動基頻峰都出現(xiàn)在同一頻率區(qū)域內(nèi)，即在3000cm-1波數(shù)附近，但又有所不同，這是因為同一類型原子基團，在不同化合物分子中所處的化學環(huán)境有所不同，

12、使基頻峰頻率發(fā)生一定移動，例如CO基團的伸縮振動基頻峰頻率一般出現(xiàn)在16501860cm-1范圍內(nèi)，當它位于酸酐中時，C=O為18201750cm-1、在酯類中時，C=O為17501720cm-1;在與苯環(huán)共軛時，如乙酰苯中C=O為16951680cm-1,在酰胺中時，C=O為1650cm-1等。因此掌握各種原子基團基頻峰的頻率及其位移規(guī)律，就可應用紅外吸收光譜來確定有機化合物分子中存在的原子基團及其在分子結(jié)構(gòu)中的相對位置。由苯甲酸分子結(jié)構(gòu)可知，分子中個原子基團的基頻峰的頻率在4000650cm-1范圍內(nèi)有：本實驗用溴化鉀晶體稀釋苯甲酸標樣和試樣，研磨均勻后，分別壓制成晶片，以純溴化鉀晶片作參

13、比，在相同的實驗條件下，分別測繪標樣和試樣的紅外吸收光譜，然后從獲得的兩張圖譜中，對照上述得個原子基團基頻峰的頻率及其吸收強度，若兩張圖譜一致，則可認為該試樣是苯甲酸。三 實驗儀器1.Nicolet6700紅外光譜儀2.壓片機3.瑪瑙研缽4.紅外干燥燈四實驗步驟1.開啟空調(diào)機，使室內(nèi)溫度控制在1820，相對濕度65%。2.苯甲酸標樣、試樣和純溴化鉀晶片的制作取預先在110下烘干48h以上，并保存在干燥器內(nèi)的溴化鉀150mg左右，置于潔凈的瑪瑙研缽中，研磨成均勻、細小的顆粒，然后轉(zhuǎn)移到壓片模具上，取出晶片，并保存在干燥器內(nèi)。另取一份150mg左右溴化鉀置于潔凈的瑪瑙研缽中，加入2-3mg苯甲酸試

14、樣，同上操作制成晶片，并保存在干燥器內(nèi)。必須注意制得的晶片，必須無裂痕，局部無發(fā)白現(xiàn)象，如同玻璃般完全透明，否則應重新制作。晶片局部發(fā)白，表示壓制的晶片厚薄不勻，晶片模糊，表示晶體吸潮，水在光譜圖3450cm-1和1640cm-1處出現(xiàn)吸收峰。3.將溴化鉀參比晶片和苯甲酸標樣晶片分別測樣。4.在相同實驗條件下，測繪紅外吸收光譜。五、數(shù)據(jù)處理及分析，1.記錄實驗條件2.在苯甲酸標樣和試樣紅外吸收光譜圖上，標出各特征吸收峰的波數(shù)，并確定其歸屬3.將苯甲酸試樣光譜圖與其標樣光譜圖進行對比，如果兩張圖譜上的各特征吸收峰及其吸收強度一致，則可認為該試樣是苯甲酸。六、 思考題1.如何著手進行紅外吸收光譜的

15、定性分析？2.紅外光譜實驗室為什么對溫度和相對濕度要維持一定的指標？實驗四 紫外吸收光譜實驗一. 實驗目的1. 了解紫外吸收光譜在有機結(jié)構(gòu)分析的應用，學會使用紫外-可見分光光度計2掌握紫外-可見分光光度計的定量分析方法二實驗原理具有不飽和結(jié)構(gòu)的有機化合物，特別是芳香族化合物，在紫外區(qū)（200 400nm）有特征吸收，為鑒定有機化合物提供了有用的信息。方法是比較未知物與純的已知化合物在相同條件（溶劑、濃度、pH值、溫度等）下繪制的吸收光譜，或?qū)⑽粗锏淖贤夤庾V與標準譜圖（如Sadtler紫外光譜圖）比較，如果兩者一致，說明至少它們的生色團和分子母核是相同的。 E1帶、E2帶和B帶是苯環(huán)上三個共軛

16、體系中的的*躍遷產(chǎn)生的，E1帶和E2帶屬強吸收帶，在230270nm范圍內(nèi)的B帶屬弱吸收帶，其吸收峰常隨苯環(huán)上取代基的不同而發(fā)生位移。 影響有機化合物的紫外吸收光譜的因素有：內(nèi)因（共軛效應、空間位阻、助色效應）和外因（溶劑的極性和酸堿性）。 溶劑的極性和酸堿性不僅影響待測物質(zhì)吸收波長的移動，還影響吸收峰吸收強度和它的形狀。 許多有機化合物在紫外具有特征的吸收光譜，從而可以用來進行有機物的鑒定及結(jié)構(gòu)分析（鑒定有機化合物的官能團）；此外，還可對同分異構(gòu)體進行鑒別。對具有健電子及共軛雙鍵的化合物特別靈敏，且在紫外光區(qū)具有強烈吸收。該法在有機物分析中可進行：（1）純度檢查；（2）未知樣品的鑒定；（3）分子結(jié)構(gòu)的推測；（4）互變異構(gòu)的判別；（5）定量測定。三 實驗儀器1. TU-1900 型紫外-可見分光光度計；2. 1cm 石英比色皿四實驗步驟1. 配制標準系列：取酚標準溶液0.1mg/mL0.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00mL分別置于50.00mL 容量瓶中，各加10 滴10%NaOH 水溶液，用水稀釋至刻度；2. 繪制吸收曲線及標準曲線：用1cm 石英比色皿，在波長242290nm 內(nèi)每間隔4nm，以空白為參比，測定標準系列中3 號（或4 號）的吸光度A，繪制吸收曲線（按上面的注意所示），