材料結(jié)構(gòu)表征及應(yīng)用(緒論)

1、材料結(jié)構(gòu)表征及應(yīng)用材料結(jié)構(gòu)表征及應(yīng)用吳吳 剛剛 主編主編化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 任課教師：高慶任課教師：高慶 張金枝張金枝 李草李草tel：mail: 主要內(nèi)容o 第1章 紅外光譜及激光拉曼光譜o 第2章 核磁共振波譜o 第3章 紫外光譜o 第4章 質(zhì)譜o 第5章 電子顯微技術(shù)o 第6章 X射線衍射分析o 第7章 X射線光電子能譜分析o 第8章 材料熱分析重點(diǎn)：學(xué)會(huì)譜圖分析o材料現(xiàn)代分析測試方法材料現(xiàn)代分析測試方法 王富恥王富恥 主編主編 北京理工大學(xué)出版社北京理工大學(xué)出版社o現(xiàn)代材料分析方法現(xiàn)代材料分析方法 張張 銳銳 主編主編 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社o

2、有機(jī)結(jié)構(gòu)波譜分析有機(jī)結(jié)構(gòu)波譜分析 李潤卿李潤卿 主編主編 天津大學(xué)出版社天津大學(xué)出版社o波譜原理及解析波譜原理及解析 常建華常建華 主編主編 科學(xué)出版社科學(xué)出版社o聚合物近代儀器分析聚合物近代儀器分析 汪昆華汪昆華 主編主編 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社本課程特點(diǎn)本課程特點(diǎn)：（：（三多一少）三多一少）o 敘述性原理、規(guī)律多敘述性原理、規(guī)律多o 需要記憶的概念術(shù)語多需要記憶的概念術(shù)語多 o 課程內(nèi)容頭緒多課程內(nèi)容頭緒多o 理論計(jì)算少理論計(jì)算少o 相關(guān)學(xué)科多（物理學(xué)、化學(xué)、熱力學(xué)、光學(xué)相關(guān)學(xué)科多（物理學(xué)、化學(xué)、熱力學(xué)、光學(xué)以及高分子學(xué)等）以及高分子學(xué)等）作為一門應(yīng)用學(xué)科，基礎(chǔ)理論知識(shí)要掌握，在理解

3、的作為一門應(yīng)用學(xué)科，基礎(chǔ)理論知識(shí)要掌握，在理解的基礎(chǔ)上加強(qiáng)記憶，注意理論聯(lián)系實(shí)踐基礎(chǔ)上加強(qiáng)記憶，注意理論聯(lián)系實(shí)踐要學(xué)以致用，本課程與材料的結(jié)構(gòu)和表征緊密聯(lián)系，要學(xué)以致用，本課程與材料的結(jié)構(gòu)和表征緊密聯(lián)系，善于歸納總結(jié)，用本學(xué)科的基本原理分析、解釋生產(chǎn)中善于歸納總結(jié)，用本學(xué)科的基本原理分析、解釋生產(chǎn)中的問題和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的問題和實(shí)驗(yàn)結(jié)果重視課程的實(shí)踐性環(huán)節(jié)重視課程的實(shí)踐性環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)方法：什么是材料？什么是材料？ 材料，是指人類能用來制作有用物件的物質(zhì)；材料有那些呢？o 按照材料的物質(zhì)組成的不同，主要分為：按照材料的物質(zhì)組成的不同，主要分為：新材料主要有新材料主要有金屬材料，無機(jī)非金屬材料，有機(jī)

4、高分子材料，復(fù)合材料，生物材料，光電子材料等。材料與材料科學(xué)材料與材料科學(xué)o 材料就是用以制造有用物件的（凝聚態(tài)）材料就是用以制造有用物件的（凝聚態(tài)）物質(zhì)物質(zhì)o 材料的發(fā)明與使用是人類進(jìn)步里程的重材料的發(fā)明與使用是人類進(jìn)步里程的重要標(biāo)志之一要標(biāo)志之一o 材料、信息與能源為當(dāng)代文明的三大支材料、信息與能源為當(dāng)代文明的三大支柱柱o 新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)是新技術(shù)新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)是新技術(shù)革命的主要標(biāo)志革命的主要標(biāo)志o 材料科學(xué)，一門多學(xué)科交叉的新興學(xué)科材料科學(xué)，一門多學(xué)科交叉的新興學(xué)科材料？材料？材料發(fā)展與人類文明的關(guān)系：新材料是人類文明進(jìn)步的標(biāo)志！1：遠(yuǎn)古文明：發(fā)現(xiàn)與使用自然界材料（

5、石器）2：現(xiàn)代文明：自由地合成和設(shè)計(jì)材料（自然界不存在的各種新材料）3：未來文明：賦予材料類似生命體功能？青銅器，鐵器人類文明進(jìn)步與材料發(fā)展的關(guān)系示意圖材料研究步驟材料研究步驟o樣品分離樣品分離結(jié)構(gòu)檢測結(jié)構(gòu)檢測性能測試性能測試 材料分子設(shè)計(jì)材料分子設(shè)計(jì)合成方法確定合成方法確定 合成合成結(jié)構(gòu)確定結(jié)構(gòu)確定性能測試性能測試 配比、工藝確定配比、工藝確定3/15/2022 3:30 PM什么是材料測試方法？獲取有關(guān)材料的組成，結(jié)構(gòu)和性能等相關(guān)信息材料結(jié)構(gòu)與材料性能的關(guān)系材料結(jié)構(gòu)與材料性能的關(guān)系材料測試材料分析材料表征 現(xiàn)代材料科學(xué)的發(fā)展在很大程度上依賴對(duì)材料性能和其成分結(jié)構(gòu)及微觀組織關(guān)系的理解3/15

6、/2022 3:30 PM材料測試方法的概念與分類材料測試方法的概念與分類材料測試方法如何分類？從功能上講，可分為組成測試，結(jié)構(gòu)測試和性能測試三種方法從技術(shù)上講，材料測試方法可以分成兩類：主動(dòng)式和被動(dòng)式3/15/2022 3:30 PM激發(fā)源（電磁波，粒子束，電場，磁場，熱，力等）主動(dòng)式（含激發(fā)源式材料測試方法）材料響應(yīng)的傳感與變換數(shù)據(jù)采集處理與組成，結(jié)構(gòu)，性能等相關(guān)的某種響應(yīng)材料測試方法的概念與分類材料測試方法的概念與分類3/15/2022 3:30 PM 直接獲得有關(guān)材料物理、化學(xué)性能等固有信息，如尺寸大小、狀態(tài)、重（質(zhì)）量、顏色、形狀、運(yùn)動(dòng)情況等等； 亦可根據(jù)材料物理、化學(xué)性能的差異間接

7、推斷材料的組成和結(jié)構(gòu)信息，如色譜分析法、原子力顯微分析等。被動(dòng)式（無激發(fā)源式材料測試方法）材料測試方法的概念與分類材料測試方法的概念與分類3/15/2022 3:30 PMo 宏觀上的性能測試和微觀上的組成與結(jié)構(gòu)宏觀上的性能測試和微觀上的組成與結(jié)構(gòu)表征，這兩個(gè)方面構(gòu)成了材料的檢測評(píng)價(jià)表征，這兩個(gè)方面構(gòu)成了材料的檢測評(píng)價(jià)技術(shù)技術(shù)o 材料設(shè)計(jì)的重要依據(jù)來源于對(duì)材料的微觀材料設(shè)計(jì)的重要依據(jù)來源于對(duì)材料的微觀組成和結(jié)構(gòu)分析組成和結(jié)構(gòu)分析o 材料制備的實(shí)際效果必須通過材料微觀分材料制備的實(shí)際效果必須通過材料微觀分析的檢驗(yàn)析的檢驗(yàn)o 材料科學(xué)的進(jìn)展極大地依賴于對(duì)材料進(jìn)行材料科學(xué)的進(jìn)展極大地依賴于對(duì)材料進(jìn)行

8、微觀分析表征的技術(shù)水平微觀分析表征的技術(shù)水平材料研究與微觀分析技術(shù)3/15/2022 3:30 PM材料研究的四大要素材料研究的四大要素 現(xiàn)代材料科學(xué)的發(fā)展在很大程度上依賴對(duì)材現(xiàn)代材料科學(xué)的發(fā)展在很大程度上依賴對(duì)材料性能和其成分結(jié)構(gòu)及微觀組織關(guān)系的理解料性能和其成分結(jié)構(gòu)及微觀組織關(guān)系的理解合成與加工固有性質(zhì)使用性能結(jié)構(gòu)和成分3/15/2022 3:30 PM材料的性質(zhì)材料的性質(zhì)物理性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)化化學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)化學(xué)組成微觀結(jié)構(gòu)相結(jié)構(gòu)晶粒尺寸及分布耐腐蝕性雜質(zhì)含量結(jié)晶度分子量及分布立體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)空隙度熔點(diǎn)熱性質(zhì)磁性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)重力性質(zhì)拉伸性韌性延展性疲勞度硬度蠕變性延伸性抗沖擊性壓縮性動(dòng)態(tài)

9、力學(xué)性質(zhì)模量3/15/2022 3:30 PM結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的“炒菜炒菜”法法電子結(jié)構(gòu)，原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵決定了材料的固有性質(zhì)新材料開發(fā)方法材料設(shè)計(jì)發(fā)展方向所謂材料設(shè)計(jì)，就是根據(jù)對(duì)材料的組成、微結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的認(rèn)識(shí)（“炒菜”經(jīng)驗(yàn)材料微觀分析），按指定性能“定做”新材料，按生產(chǎn)要求“設(shè)計(jì)”最佳的制備和加工方法。3/15/2022 3:30 PM材料結(jié)構(gòu)表征的基本方法材料結(jié)構(gòu)表征的基本方法材料結(jié)構(gòu)的表征任務(wù): 成分分析, 結(jié)構(gòu)測定 和 形貌觀察材料組成分析（化學(xué)成分分析） 1. 元素組成 2. 化合物組成材料亞微觀結(jié)構(gòu)分析（形貌分析） 微米或亞微米尺度，相層次結(jié)構(gòu)材料微觀

10、結(jié)構(gòu)分析 0.1nm尺度，原子及原子組合層次結(jié)構(gòu)3/15/2022 3:30 PM材料化學(xué)成分分析材料化學(xué)成分分析元素組成分析方法o 傳統(tǒng)的化學(xué)分析技術(shù)傳統(tǒng)的化學(xué)分析技術(shù)o 電子探針電子探針X射線能譜顯微分析射線能譜顯微分析o 原子光譜（吸收、發(fā)射、熒光）原子光譜（吸收、發(fā)射、熒光）o 質(zhì)譜質(zhì)譜與二次離子質(zhì)譜與二次離子質(zhì)譜o 核磁共振核磁共振o 電子自旋共振電子自旋共振o 光電子與俄歇電子能譜光電子與俄歇電子能譜3/15/2022 3:30 PM材料化學(xué)成分分析材料化學(xué)成分分析化合物組成分析方法化合物組成分析方法傳統(tǒng)的化學(xué)分析技術(shù)分子吸收光譜（紫外可見吸收光譜）分子振動(dòng)光譜（紅外、拉曼光譜）分

11、子發(fā)射光譜（熒光光譜）氣相、液相、凝膠色譜3/15/2022 3:30 PM材料形貌分析材料形貌分析光學(xué)顯微鏡光學(xué)干涉儀激光散射譜掃描電子顯微鏡透射電子顯微鏡3/15/2022 3:30 PM形貌分析的圖例形貌分析的圖例昆蟲標(biāo)本（昆蟲標(biāo)本（500倍）倍）螺旋形碳管（9，157倍）化學(xué)方法生長的ZnO納米陣列（100，000倍）擔(dān)載Pt金屬顆粒的納米碳粒子（400，000倍）3/15/2022 3:30 PM材料結(jié)構(gòu)分析材料結(jié)構(gòu)分析高分辨透射電子顯微鏡（HTEM）場離子顯微鏡（FIM） 掃描隧道顯微鏡（STM） 原子力顯微鏡（SFM）3/15/2022 3:30 PM材料結(jié)構(gòu)分析材料結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

12、結(jié)果硅納米線的不同形貌(a)呈直線或彎曲狀態(tài)，(b)呈螺旋結(jié)構(gòu)，(c)呈辮子結(jié)構(gòu)3/15/2022 3:30 PM材料結(jié)構(gòu)分析材料結(jié)構(gòu)分析- -直接法直接法硅納米線的顯微結(jié)構(gòu)高分辨電子顯微像（HTEM）(a)110帶軸的硅納米線的單晶結(jié)構(gòu)，它的生長方向?yàn)?12(b)存在高階孿晶的硅納米線(c)具有堆垛層錯(cuò)和孿晶等缺陷的硅納米線3/15/2022 3:30 PM材料結(jié)構(gòu)分析材料結(jié)構(gòu)分析- -直接法直接法五次對(duì)稱性鎳鈦準(zhǔn)晶的高分辨電子顯微像3/15/2022 3:30 PM材料結(jié)構(gòu)分析材料結(jié)構(gòu)分析- -直接法直接法掃描隧道顯微分析拍攝的硅片上的單個(gè)原子圖像3/15/2022 3:30 PM材料結(jié)構(gòu)

13、分析材料結(jié)構(gòu)分析- -間接法間接法X射線衍射電子衍射中子衍射射線衍射穆斯堡爾譜擴(kuò)展X射線吸收譜（EXAFS）熱分析（差熱、差動(dòng)、熱重）3/15/2022 3:30 PM材料結(jié)構(gòu)分析材料結(jié)構(gòu)分析- -間接法間接法五次對(duì)稱性鎳鈦準(zhǔn)晶的高分辨電子顯微像與電子衍射斑點(diǎn)3/15/2022 3:30 PM材料微觀分析技術(shù)的選擇材料微觀分析技術(shù)的選擇-成分分析3/15/2022 3:30 PM材料微觀分析技術(shù)的選擇材料微觀分析技術(shù)的選擇結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析3/15/2022 3:30 PM材料微觀分析技術(shù)的選擇材料微觀分析技術(shù)的選擇形貌分析形貌分析粘土/聚合物納米復(fù)合材料（蒙脫土）o 成分分析：紅外（硅氧鍵、有機(jī)分子