現(xiàn)代儀器分析及材料研究方法緒論

現(xiàn)代儀器分析及材料研究方法緒論第一頁(yè)，共27頁(yè)?！牧峡捎梢环N或多種物質(zhì)組成?！晃镔|(zhì)由于制備方法或加工方法不同可以得到用途各異、類型不同的材料。原料（RawMaterials）與材料由原料到材料※原料一般不是為獲得產(chǎn)品，而是生產(chǎn)材料，往往伴隨化學(xué)變化?！牧系奶攸c(diǎn)往往是為獲得產(chǎn)品，一般從材料到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變過(guò)程不發(fā)生化學(xué)變化。材料與物質(zhì)(MaterialsandMatter)第二頁(yè)，共27頁(yè)。材料可以根據(jù)化學(xué)組成、狀態(tài)、作用和使用領(lǐng)域分類。

金屬材料

化學(xué)組成分類無(wú)機(jī)非金屬材料

components有機(jī)高分子材料氣態(tài)

狀態(tài)分類液態(tài)單晶

state固態(tài)多晶非晶復(fù)晶

作用分類功能材料

function結(jié)構(gòu)（工程）材料

應(yīng)用領(lǐng)域分類建筑、儀表、電子、醫(yī)用application包裝、耐火．．．．能源等。（二）材料的類別（classfication）第三頁(yè)，共27頁(yè)。（1）黑色金屬材料化學(xué)成分——碳素鋼、合金鋼品質(zhì)——普通、優(yōu)質(zhì)、高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼鋼---金相組織或組織結(jié)構(gòu)——珠光體、貝氏體、馬氏體和奧氏體

Stell用途——建筑工程、結(jié)構(gòu)、工具、特殊性能、專業(yè)用鋼冶煉方法——平爐、轉(zhuǎn)爐、電爐、沸騰爐鋼

灰鑄鐵可鍛鑄鐵鑄鐵—球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵特殊性能鑄鐵1、金屬材料（metals）

第四頁(yè)，共27頁(yè)。

五大類

輕金屬（<4.5g/cm2）鋁、鎂、納、鈣

重金屬（>4.58/cm2）銅、鎳、鉛、鋅

貴金屬金、銀、鉑、銠

類金屬（半）硅、硒、砷、硼

稀有金屬鈦、鋰、鎢、鉬、鐳常用的稀有金屬材料有：Al、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni……（2）有色金屬第五頁(yè)，共27頁(yè)。a.

金屬鍵，常規(guī)法生產(chǎn)的為晶體結(jié)構(gòu)；b.

常溫下固體熔點(diǎn)較高；c.

金屬光澤；d.

純金屬范性大、展性、延性大；e.

強(qiáng)度較高；f.

導(dǎo)熱、導(dǎo)電性好；g.

空氣中易氧化，如鋼、鐵等生成氧化膜，合金可改性，抗氧化性。（3）基本特性（PrincipalProperties）a.

結(jié)構(gòu)材料:如機(jī)床,建筑機(jī)械設(shè)備、工程交通工具；

b.

導(dǎo)體材料，電線芯（銅）

c.

工具（4）

用途（Application）第六頁(yè)，共27頁(yè)。（1）分類（按成分，化學(xué)結(jié)構(gòu)和用途分四大類）

混凝土（水泥）

玻璃

Glass

硅及耐火材料

Silane

陶瓷（器）

Ceramics傳統(tǒng)陶瓷（天然硅酸鹽礦）：各中粘土燒制而成。(SilicateCeramics)特種陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）。2、無(wú)機(jī)非金屬材料（Inorganicnonmetals）第七頁(yè)，共27頁(yè)。a.

離子鍵、共價(jià)鍵及其混合鍵；b.

硬而脆；c.

熔點(diǎn)高、耐高溫抗氧化d.

導(dǎo)熱、導(dǎo)電性差；e.

耐化學(xué)腐蝕性性好；f.

耐磨；g.

成型方式為粉末制胚、燒制成型（2）基本特性，以陶瓷為例建筑衛(wèi)生陶瓷：瓷磚、浴缸。工程陶瓷工程結(jié)構(gòu)陶瓷：反應(yīng)釜（耐酸、耐腐蝕）絕緣瓷瓶。功能陶瓷：磁性、導(dǎo)電。（3）

用途第八頁(yè)，共27頁(yè)。

(1)分類碳鏈–C–C–C按主鏈結(jié)構(gòu)雜鏈–C–N–C=O–C–O–C–

backebone元素Si、P、B

塑料Plastics通用塑料、工程塑料；熱塑性、熱固性橡膠Ruber天然、合成

按使用性質(zhì)纖維Fiber人造、合成粘合劑Adhesive涂料Coating3.高分子材料

（polymers,Marcomolecules）第九頁(yè)，共27頁(yè)。a.

共價(jià)鍵，部分范氏鍵b.

分子量大，無(wú)明顯熔點(diǎn)，有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg和粘流溫度Tf；c.

力學(xué)狀態(tài)有三態(tài)玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)d.

比重小e.

絕緣性好f.

優(yōu)越的化學(xué)穩(wěn)定性g.

成型方法多（2）基本性質(zhì)第十頁(yè)，共27頁(yè)。結(jié)構(gòu)材料：電視機(jī)殼體、冰箱殼體、軸承、機(jī)械零件絕緣材料：漆包線、電纜、絕緣版、電器零件建筑材料：貼面板、地貼包裝材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料涂裝：涂料粘合劑：粘合劑日用：織物（衣服）膠鞋運(yùn)輸：輪胎，傳送帶（3）用途第十一頁(yè)，共27頁(yè)。定義：由兩種以上組分組成，并且具有與其組成不同的新的性能的材料

（1）分類按性能：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料功能復(fù)合材料按增強(qiáng)劑形狀及增強(qiáng)機(jī)理：粒子增強(qiáng)纖維增強(qiáng)

基體Matrix增強(qiáng)體Reinforcement金屬金屬、無(wú)機(jī)非金按復(fù)合方式無(wú)機(jī)非金屬金屬、無(wú)機(jī)非金屬高分子（塑料，橡膠）金屬、無(wú)機(jī)非金、高分子4、

復(fù)合材料（

composites）第十二頁(yè)，共27頁(yè)。

a.

抗疲勞性能良好；b.

結(jié)構(gòu)件減震性好；c.

比強(qiáng)度和比量高；d.

耐燒能性和耐高溫性能好e.

具有良好的減摩、耐摩和耐潤(rùn)滑性能（2）基本性質(zhì)第十三頁(yè)，共27頁(yè)。無(wú)機(jī)—高分子玻璃纖維增強(qiáng)塑料(玻璃鋼)——汽車,游艇，碳纖維增強(qiáng)塑料——飛機(jī)機(jī)翼、高爾夫球棍、撐桿跳桿金屬—陶瓷飛機(jī)螺旋槳葉綜合金屬韌性，陶瓷耐高溫性高分子—高分子橡膠增韌塑料抗沖PSABS樹(shù)脂減震材料（3）

用途第十四頁(yè)，共27頁(yè)。（三）材料研究的內(nèi)容物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)取決于材料的制備和使用條件。在材料的制備和使用過(guò)程中，物質(zhì)經(jīng)歷了一系列物理、化學(xué)或物理化學(xué)變化。因此，材料的制備工藝和使用過(guò)程，特別是前者直接決定了材料的組成和結(jié)構(gòu)，從而決定了材料的性能和使用效能。第十五頁(yè)，共27頁(yè)。材料科學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)1、從簡(jiǎn)單物質(zhì)到復(fù)雜物質(zhì)；隨著對(duì)材料功能化要求的不斷提高，構(gòu)成材料的基本物質(zhì)也越來(lái)越傾向于從簡(jiǎn)單物質(zhì)到復(fù)雜物質(zhì)。2、從簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)到結(jié)構(gòu)控制；對(duì)于同種材料，結(jié)構(gòu)上的改變可以帶來(lái)許多嶄新的功能，而對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)加以調(diào)控，才可能使功能得到優(yōu)化。3、從粉體材料到器件材料；相對(duì)于粉體材料而言，當(dāng)材料制備成器件后會(huì)具有更為優(yōu)良的功能。如在電子技術(shù)方面，涉及到半導(dǎo)體、電介質(zhì)、超導(dǎo)體等材料。4、從塊體材料到薄膜材料；納米薄膜是一類具有廣泛應(yīng)用前景的新材料，如Fe2P薄膜具有優(yōu)良的磁性能。5、從純物質(zhì)到復(fù)合、摻雜材料；如：僅具有紫外線活性的納米TiO2經(jīng)N摻雜后，具備了可見(jiàn)光的活性。第十六頁(yè)，共27頁(yè)。7、從單功能到多功能和智能材料；（1）泡沫鋁是一種在鋁基體中均勻分布著大量連通或不連通孔洞的新型輕質(zhì)多功能材料，它兼有連續(xù)金屬相和分散空氣相的特點(diǎn)，是集多種優(yōu)良性能于一體的新型結(jié)構(gòu)功能泡沫材料。（2）智能材料是具有傳感、反饋、自診斷、自修復(fù)、自適應(yīng)、信息識(shí)別與積累、響應(yīng)等功能，如：形狀記憶材料、電（磁）流變材料等。8、從單層次到立體多層次材料；如：在高分子材料領(lǐng)域，借改變高分子材料顆粒與不同粒徑可溶性顆粒的混合重量比例，依據(jù)不同需要將原料顆粒依序填入模具中形成所需要的層次，制得包括有不同孔徑、不同孔隙率或不同材料組成的雙層或多層高分子材料，以滿足組織工程的不同需求。6、從宏觀到微觀的納米材料；如：納米Al2O3顆粒加入到橡膠中，可以大大增強(qiáng)其介電性能和耐磨性能。第十七頁(yè)，共27頁(yè)。2、材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析；在固體材料中拉曼激活的機(jī)制很多，反映的范圍也很廣，如分子振動(dòng)、各種元激發(fā)（電子、聲子、等離子體等）、雜質(zhì)、缺陷等晶相結(jié)構(gòu)，顆粒大小，薄膜厚度，固相反應(yīng)，細(xì)微結(jié)構(gòu)分析和催化等方面。1、材料的元素成分分析；材料的成分分析就是分析材料中各種元素的組成，即檢測(cè)材料中的元素種類及其相對(duì)含量的過(guò)程。包括原子吸收、原子發(fā)射（ICP）、質(zhì)譜以及X-射線熒光與衍射分析方法。其中前三種分析方法需要對(duì)樣品進(jìn)行溶解后在進(jìn)行測(cè)定，屬于破壞性樣品分析方法，而最后一種方法可以直接對(duì)固體樣品進(jìn)行測(cè)定，因此又稱為非破壞性元素分析方法?，F(xiàn)代材料分析方法的主要內(nèi)容第十八頁(yè)，共27頁(yè)。3、材料的物相結(jié)構(gòu)分析；物相分析包括定性分析和定量分析。X-射線之所以能用于物相分析是因?yàn)榭梢杂筛餮苌浞宓慕嵌任恢脕?lái)確定物質(zhì)固有特性的晶面間距以及它們的相對(duì)強(qiáng)度。材料結(jié)構(gòu)分析的目的在于解析物質(zhì)的體相結(jié)構(gòu)，表面相結(jié)構(gòu)，原子排列和物相等。4、材料的表觀形貌分析；材料的很多重要物理化學(xué)性能是由其形貌特征所決定的。形貌分析的主要內(nèi)容包括分析材料的幾何形貌，材料的顆粒度及顆粒度的分布，形貌微區(qū)的成分和物相結(jié)構(gòu)等方面。第十九頁(yè)，共27頁(yè)。5、材料的鍵合分析；材料的性質(zhì)不僅與構(gòu)成材料的元素、結(jié)構(gòu)、價(jià)態(tài)等因素有關(guān)，還與其價(jià)鍵狀態(tài)有關(guān)。價(jià)鍵分析是分析化學(xué)基團(tuán)以及化學(xué)鍵的性質(zhì)，主要與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，并且重點(diǎn)在于研究鍵的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。在分析方法上主要包括紅外光譜、拉曼光譜和高分辨能量損失譜三種。6、材料的表面與界面分析；材料的表面與界面性質(zhì)是非常重要的，它同新材料的研究與開(kāi)發(fā)，制造工藝的制定與修改等關(guān)系非常密切。這是由于材料的表面及本體，無(wú)論在細(xì)微結(jié)構(gòu)上還是在化學(xué)組成上都存在明顯的差別。如：固體物質(zhì)作為材料來(lái)應(yīng)用，則它的各種性能雖然與組成本體有關(guān)，但不少性能是通過(guò)表面來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如表面硬度、表面電導(dǎo)等。因此，材料的表面與界面分析已經(jīng)發(fā)展成為納米薄膜材料研究的重要分析方法，特別是對(duì)固體材料的元素化學(xué)價(jià)態(tài)分析、元素三維分布分析以及微區(qū)成分分析。第二十頁(yè)，共27頁(yè)。7、材料的熱分析；材料研制和應(yīng)用開(kāi)發(fā)是熱分析的主要領(lǐng)域。熱分析通常是指應(yīng)用熱力學(xué)或物理參數(shù)隨溫度變化的關(guān)系進(jìn)行分析的方法。材料的熱分析可以研究材料的結(jié)晶和熔融、玻璃化轉(zhuǎn)變、阻尼材料等性質(zhì)，為材料的研制和開(kāi)發(fā)提供許多有用的信息，如：陶瓷的熔點(diǎn)很高，有很好的高溫強(qiáng)度，高溫抗蠕變能力強(qiáng)，1000℃以上也不會(huì)氧化，故用作耐高溫材料，又因其熱膨脹系數(shù)低，導(dǎo)熱性能小，是優(yōu)良的高溫絕熱材料，但其抗熱震性差，溫度劇烈變化時(shí)易破裂，不能急熱驟冷。8、材料的性能分析；材料工作者的理想目標(biāo)是能夠設(shè)計(jì)材料——用什么原料、配成什么化合物或固溶體就可以制成具有什么性能的材料。因此，對(duì)材料的性能，如光學(xué)性能、電學(xué)性能、熱學(xué)性能、磁學(xué)性能、光電性能等進(jìn)行分析，對(duì)于研發(fā)新產(chǎn)品和產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程控制都具有積極的意義。第二十一頁(yè)，共27頁(yè)?，F(xiàn)代儀器分析的主要內(nèi)容分析化學(xué)是化學(xué)量測(cè)和表征的科學(xué)，儀器分析是分析化學(xué)重要的組成部分?；瘜W(xué)量測(cè)—獲取