材料研究与测试方法实验实验指导书..

实验一

一．实验目的

1.了解X射线衍射的结构及工作原理。

2.熟悉X射线衍射仪的操作。

3.掌握运用X射线衍射分析卡片和软件进行物相分析的方法。

二．实验原理

（1）X射线的产生和X射线的光谱

实验中通常使用X光管来产生X射线。在抽成真空的X光管内，当由热阴极发出的电子经高压电场加速后，高速运动的电子轰击由金属做成的阳极靶时，靶就发射X射线。发射出的X射线分为两类：轫致辐射和特征辐射。

（2）X射线与物质的作用

X射线与物质相互作用产生各种复杂过程。就其能量转换而言，一束X射线通过物质分为三部分：散射、吸收、透过物质沿原来的方向传播，其中相干散射是产生衍射花样原因。如图1

图1 X射线与物质的作用

（3）晶体结构与晶体X射线衍射

晶体结构可以用三维点阵来表示。每个点阵点代表晶体中的一个基本单元，如离子、原子或分子等。空间点阵可以从各个方向予以划分，而成为许多组平行的平面点阵。因此，晶体可以看成是由一系列具有相同晶面指数的平面按一定的距离分布而形成的。各种晶体具有不同的基本单元，晶胞大小，对称性，因此每种晶体都必然存在着一系列特定的d值，可以用于表征不同的晶体。 X射线

波长与晶面间距相近，可以产生衍射。晶面间距d和X射线的波长的关系可以用布拉格方程来表示2dsinθ＝nλ根据布拉格方程，不同的晶面，其对X射线的衍射角也不同。因此，通过测定晶体对X射线的衍射，就可以得到它的X射线粉末衍射图，与数据库中的已知X射线粉末衍射图对照就可以确定它的物相。

（4）物相鉴定原理

任何结晶物质均具有特定晶体结构（结构类型，晶胞大小及质点种类，数目，分布）和组成元素。一种物质有自己独特的衍射谱与之对应，多相物质的衍射谱为各个互不相干，独立存在物相衍射谱的简单叠加。

衍射方向是晶胞参数的函数—取决于晶体结构；衍射强度是结构因子函数—取决于晶胞中原子的种类、数目和排列方式。任何一个物相都有一套d-I特征值及衍射谱图。因此，可以对多相共存的体系进行全分析。也就是说实验测得的图谱与数据库中的已知X射线粉末衍射图对照，通过两者的匹配性就可以确定它的物相。

三．实验仪器

本实验使用的仪器为D8 FOCUS X射线衍射仪

四．实验步骤

1. 样品制备

将待测粉末样品在试样架均匀分布并用玻璃板压平实，使试样面与玻璃表面齐平

2. 测试

第一步：开机

(1) 打开墙体及主机电源，并按下主机启动按钮。

(2) 打开冷却循环水系统开关，使冷水电导率在3以内，水温在20-24度范围内。

(3) 按下控制面板上的开真空按钮，使真空度降至150mV以下。

(4) 打开控制柜开关

(5) 打开电脑，在软件控制程序中开启X射线后执行预热至需要功率，预热时间为1-1.5小时。

第二步：装样

将装有待测粉末样品的试样架放置在测角仪中心的样品架上

第三步：测量

在电脑软件控制中，打开测量控制程序，设定实验参数如下表：

设定好参数后，单击执行开始测量。测量结束后，保存数据以待分析。

第四步：关机

(1) 利用软件控制程序，将管电压和管电流调至20kV、10mA后，关闭X 射线。关闭脑。

(2) 关闭控制柜开关。

(3) 关闭真空系统

(4) 关闭X射线30min之后关闭冷却循环水系统的开关。

(5) 关闭电源，实验结束。

五、数据处理及分析，

找出衍射图各个峰的衍射角(2θ)和面间距(d)，运用XRD分析标准衍射卡片或(jade5.0与pcpdfwin)数据库中的标准衍射图对照，确定样品的物相。写出实验报告。

六、思考题

1.X射线在晶体上产生衍射的条件是什么？

2.用衍射仪如何区分单晶、多晶和非晶体？

实验二扫描电子显微镜实验

一．实验目的

1. 了解扫描电镜和能谱仪的构造及工作原理

2. 扫描电镜的样品制备

3. 利用二次电子像对材料形貌进行观察

4. 了解背散射电子像的应用

二．实验原理

扫描电镜是由电子枪发射并经过聚焦的电子束在样品表面扫描，激发样品产生各种物理信，经过检测、视频放大和信号处理，在荧光屏上获得能反映样品表面各种特征的扫描图像。扫描电镜由下列五部分组成，如图1（a）所示。

图1 扫描电镜结构图

各部分主要作用简介如下

1.电子光学系统它由电子枪、电磁透镜、光阑、样品室等部件组成，如图1（b）所示。为了获得较高的信号强度和扫描像，由电子枪发射的扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。

常用的电子枪有三种形式：普通热阴极三极电子枪、六硼化镧阴极电子枪和场发射电子枪，其性能如表2所示。前两种属于热发射电子枪，后一种则属于冷发射电子枪，也叫场发射电子枪。由表可以看出场发射电子枪的亮度最高、电子源直径最小，是高分辨本领扫描电镜的理想电子源。电磁透镜的功能是把电子枪的束斑逐级聚焦缩小，因照射到样品上的电子束斑越小，其分辨率就越高。

扫描电镜通常有三个磁透镜，前两个是强透镜，缩小束斑，第三个透镜是弱透镜，焦距长，便于在样品室和聚光镜之间装入各种信号探测器。为了降低电子束的发散程度，每级磁透镜都装有光阑；为了消除像散，装有消像散器。

表2 几种类型电子枪性能

样品室中有样品台和信号探测器，样品台还能使样品做平移、倾斜、转动等运动。

2.扫描系统

扫描系统的作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管电子束在荧光屏上的扫描同步信号。

3.信号检测、放大系统

样品在入射电子作用下会产生各种物理信号、有二次电子、背散射电子、特征X 射线、阴极荧光和透射电子。不同的物理信号要用不同类型的检测系统。它大致可分为三大类，即电子检测器、阴极荧光检测器和X射线检测器。

4.真空系统

镜筒和样品室处于高真空下，一般不得高于1×10－2P a，它由机械泵和分子涡轮泵来实现。开机后先由机械泵抽低真空，约20分钟后由分子涡轮泵抽真空，约几分钟后就能达到高真空度。此时才能放试样进行测试，在放试样或更换灯丝时，阀门会将镜筒部分、电子枪室和样品室分别分隔开，这样保持镜筒部分真空不被破坏。

5.电源系统

由稳压、稳流及相应的安全保护电路所组成，提供扫描电镜各部分所需要的电源。

三．实验仪器

本实验使用的仪器为KYKY-2800B扫描电子显微镜

四．实验步骤

1. 样品的制备

2. 开机准备

（1）开启稳压器、电压指示应为220V，开启冷却循环水装置电源开关。

（2）开启试样室真空开关，开启试样室准备状态开关。

（3）开启控制柜电源开关。

3. 工作程序

（1）开启试样室进气阀控制开关放真空，将试样放入试样室后将试样室进气阀控制开关关闭抽真空。

（2）打开工作软件，加高压至5KV（不导电试样）。

（3）将图像选区开关拨至全屏（FULL）。

（4）调节显示器对比度，亮度至适当位置。

（5）调节聚焦旋钮至图像清晰。

（6）放大图像选区至高倍状态

（7）消去X方向和Y方向的象散。

（8）选择适当的扫描速率观察图像。

（9）根据所需要求进行观察和拍照

（10）做好实验记录及仪器使用记录。

4. 关机程序

（1）关高压，逆时针调节显示器对比度、亮度。

（2）关闭软件和主机

（3）关闭镜筒真空隔阀

（4）关主机电源开关

（5）关真空开关

（6）20分钟后，关循环水和电子交流稳压器开关。

五、数据处理及分析，

对得到的扫描电镜照片进行分析，观察样品的微观形貌，并做出记录。

六、思考题

1. 通过实验你体会到扫描电镜有哪些特点？

2.扫描电镜对测试样品有哪些要求？

实验三红外吸收实验

一．实验目的

1. 学习用红外吸收光谱进行化合物的定性分析。

2. 熟悉傅里叶变换红外光谱仪的工作原理和使用方法；掌握粉末试样的光

谱测试方法。

3. 掌握用压片法制作固体试样晶片的方法。

二．实验原理

在化合物分子中，具有相同化学键的原子基团，其基本振动频率吸收峰（简称基频峰）基本上出现在同一频率区域内，例如CH3(CH2)5CH3,CH3(CH2)4CN,CH3(CH2)5CHCH2等分子中都有—CH3,—CH2—集团，它们的伸缩振动基频峰与CH3(CH2)6CH3分子的红外吸收光谱中—CH3,—CH2—集团，它们的伸缩振动基频峰都出现在同一频率区域内，即在<3000cm-1波数附近，但又有所不同，这是因为同一类型原子基团，在不同化合物分子中所处的化学环境有所不同，使基频峰频率发生一定移动，例如CO基团的伸缩振动基频峰频率一般出现在1650~1860cm-1范围内，当它位于酸酐中时，νC=O为1820~1750cm-1、在酯类中时，νC=O为1750~1720cm-1;在与苯环共轭时，如乙酰苯中νC=O为1695~1680cm-1,在酰胺中时，νC=O为1650cm-1等。因此掌握各种原子基团基频峰的频率及其位移规律，就可应用红外吸收光谱来确定有机化合物分子中存在的原子基团及其在分子结构中的相对位置。

由苯甲酸分子结构可知，分子中个原子基团的基频峰的频率在4000~650cm-1范围内有：

本实验用溴化钾晶体稀释苯甲酸标样和试样，研磨均匀后，分别压制成晶片，以纯溴化钾晶片作参比，在相同的实验条件下，分别测绘标样和试样的红外吸收光谱，然后从获得的两张图谱中，对照上述得个原子基团基频峰的频率及其吸收强度，若两张图谱一致，则可认为该试样是苯甲酸。

三．实验仪器

1. Nicolet6700红外光谱仪

2. 压片机

3. 玛瑙研钵

4. 红外干燥灯

四．实验步骤

1.开启空调机，使室内温度控制在18~20℃，相对湿度≤65%。

2.苯甲酸标样、试样和纯溴化钾晶片的制作取预先在110℃下烘干48h以上，并保存在干燥器内的溴化钾150mg左右，置于洁净的玛瑙研钵中，研磨成均匀、细小的颗粒，然后转移到压片模具上，取出晶片，并保存在干燥器内。另取一份150mg左右溴化钾置于洁净的玛瑙研钵中，加入2-3mg苯甲酸试样，同上操作制成晶片，并保存在干燥器内。必须注意制得的晶片，必须无裂痕，局部无发白现象，如同玻璃般完全透明，否则应重新制作。晶片局部发白，表示压制的晶片厚薄不匀，晶片模糊，表示晶体吸潮，水在光谱图3450cm-1和1640cm-1处出现吸收峰。

3.将溴化钾参比晶片和苯甲酸标样晶片分别测样。

4.在相同实验条件下，测绘红外吸收光谱。

五、数据处理及分析，

1.记录实验条件

2.在苯甲酸标样和试样红外吸收光谱图上，标出各特征吸收峰的波数，并确定其归属

3.将苯甲酸试样光谱图与其标样光谱图进行对比，如果两张图谱上的各特征吸收峰及其吸收强度一致，则可认为该试样是苯甲酸。

六、思考题

1.如何着手进行红外吸收光谱的定性分析？

2.红外光谱实验室为什么对温度和相对湿度要维持一定的指标？

实验四紫外吸收光谱实验

一. 实验目的

1. 了解紫外吸收光谱在有机结构分析的应用，学会使用紫外-可见分光光度计

2．掌握紫外-可见分光光度计的定量分析方法

二．实验原理

具有不饱和结构的有机化合物，特别是芳香族化合物，在紫外区（200~ 400nm）有特征吸收，为鉴定有机化合物提供了有用的信息。方法是比较未知物与纯的已知化合物在相同条件（溶剂、浓度、pH值、温度等）下绘制的吸收光谱，或将未知物的紫外光谱与标准谱图（如Sadtler紫外光谱图）比较，如果两者一致，说明至少它们的生色团和分子母核是相同的。

E 1带、E

2

带和B带是苯环上三个共轭体系中的的π→π

*

跃迁产生的，E

1

带和E

2

带属强吸收带，在230~270nm范围内的B带属弱吸收带，其吸收峰常随苯环上取代基的不同而发生位移。

影响有机化合物的紫外吸收光谱的因素有：内因（共轭效应、空间位阻、助色效应）和外因（溶剂的极性和酸碱性）。溶剂的极性和酸碱性不仅影响待测物质吸收波长的移动，还影响吸收峰吸收强度和它的形状。

许多有机化合物在紫外具有特征的吸收光谱，从而可以用来进行有机物的鉴定及结构分析（鉴定有机化合物的官能团）；此外，还可对同分异构体进行鉴别。对具有π健电子及共轭双键的化合物特别灵敏，且在紫外光区具有强烈吸收。该法在有机物分析中可进行：（1）纯度检查；（2）未知样品的鉴定；（3）分子结构的推测；（4）互变异构的判别；（5）定量测定。

三．实验仪器

1. TU-1900 型紫外-可见分光光度计；

2. 1cm 石英比色皿

四．实验步骤

1. 配制标准系列：取酚标准溶液0.1mg/mL0.00、

2.00、4.00、6.00、8.00、10.00mL分别置于50.00mL 容量瓶中，各加10 滴10%NaOH 水溶液，用水稀释至刻度；

2. 绘制吸收曲线及标准曲线：用1cm 石英比色皿，在波长242～290nm 内每间隔4nm，以空白为参比，测定标准系列中3 号（或4 号）的吸光度A，绘制吸收曲线（按上面的注意所示），找出最大吸收波长λmax（与图一比较，有何不同；为什么？）用1cm 石英比色皿，在选定的最大吸收波长下分别测定标准系列的吸光度，绘制标准曲线，以空白为参比；

3. 测定未知液：取未知液10.00mL 置于50.00mL 容量瓶中，加10 滴10% NaOH 水溶液，用水稀释至刻度；用1cm 石英比色皿，在最大吸收波长处测定吸光度A，以空白为参比。

4. 计算未知液的含量（mg·mL-1）。

五、数据处理及分析，

进行待测样品图谱的图形处理和分析

六、思考题

1、紫外吸收光谱在有机化合物分析中的特点。

2、本实验与普通的分光光度法有何异同？