同济大学材料研究方法04真题及答案解析

同济大学材料学院材料学专业——2004年真题及解析

科目一：代码821 科目名称：材料研究方法

北京万学教育科技有限公司

一、真题

考试年份：2004

招生专业：材料学

研究方向：

01高性能水泥基材料

02智能材料

03新型建筑材料

04生态环境材料

05无机功能材料

06高分子功能材料

07高分子材料改性

08生物医用材料

09金属功能材料

10纳米材料

11材料体系分析与建模方法

1．X射线与物质相互作用时会产生那些效应？利用其中那些效应可以进行晶体结构的分析鉴定？如何利用X射线衍射分析法鉴定晶态与非晶态？2．画出晶体对X射线衍射的示意图，写出布拉格方程，并说明该方程中各参数的意义。

3．X射线衍射方法在材料研究中有哪些应用？请具体阐述。

4．请阐述电子与固体物质相互作用时产生的各种电子信号，并介绍这些电子信号在材料分析研究中的各种用途。

5．试讨论加热速度、试样颗粒度、炉内压力和气氛对差热分析结果的影响，为什么说差热分析只能进行定性或半定量分析，而示差扫描量热分析法则可以进行定量分析？

6．通常在一张NMR谱图中可以得到哪些基本信息？并举例说明NMR在材料结构分析中的应用。

7．影响热重曲线的因素有哪些？如何保证热重分析的精确度？举例说明热重分析在材料研究中的应用

8．请介绍透射电镜分析时的块状样品表面复型种类和复型方法。为何电子显微分析可以获得较光学显微分析高得多的分辨。

9．请阐述电子探针X射线显微分析的基本原理和应用，并比较两种常用的X射线谱仪——波谱仪和能谱仪的特点。

10．如何利用差热分析、热重分析和热膨胀分析来区分无机材料中的脱水分解、氧化、多晶转变、烧结等过程？

11．微晶玻璃是一种在玻璃基体中均匀析出所需微晶相的新材料，在微晶玻璃材料研究过程中，需要掌握玻璃转变温度Tg、析晶温度、析出晶体的

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晶相种类、 以及析出晶体尺寸形貌等物性数据。通过哪些测试方法可以方便地获得这些数据？并请介绍在这些测试图谱中获取所需数据的具体过程。

12． 有机高分子材料的TEM 和SEM 的试样有哪些特点。

13． 试画出有机高分子材料DSC 的特征曲线，并说出相应的焓变峰或转变区的物理化学含义。

14． 试推断下图所示二张IR 谱图所代表聚合物的类别，并写出解析过程。

二、解析

1. X射线与物质相互作用时会产生那些效应？利用其中那些效应可以进行晶体结构的分析鉴定？如何利用X射线衍射分析法鉴定晶态与非晶态？

参考答案：

X射线可使一些物质发出可见的荧光，使离子固体发出黄褐色或紫色的光，破坏物质的化学键，促使新键形成，促使物质的合成，引起生物效应，导致新陈代谢发生变化。但就X射线与物质之间的物理作用，可分为X射线散射与吸收。

利用X射线的散射效应可以进行晶体结构的分析鉴定。

利用X射线衍射分析法鉴定晶态与非晶态观察得到的衍射图谱即可，如被分析材料为晶态，则图谱为明显的衍射峰；若为非晶态，则为“馒头峰”。

试题解析：

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1）知识点：3.1.5 X射线与物质的作用

2）答题思路：叙述基本概念即可，送分题。

3）历年考频：此考点在近五年中共出现3次，分别为：04，06，07年。

2. 画出晶体对X射线衍射的示意图，写出布拉格方程，并说明该方程中各参数的意义。

参考答案：

1.见书71页图3.15 面网“反射”X射线的条件

2. 布拉格方程为 2dsinθ=nλ

式中 n为整数；θ角称为布拉格角或掠射角，又称半衍射角，λ

为入射线波长； d为晶面间距。

试题解析：

1）知识点：3.2.2 劳厄方程和布拉格方程

2）答题思路：叙述基本概念即可。

3）历年考频：此考点在近五年中共出现5次，每年都会出题，应引起高度重视。

3.X射线衍射方法在材料研究中有哪些应用？请具体阐述。

参考答案：

现代材料研究的主X射线实验方法在材料研究中主要有以下几种应用：

（1）X射线物相定性分析：用于确定物质中的物相组成

（2）X射线物相定量分析：用于测定某物相在物质中的含量

（3）X射线晶体结构分析：用于推断测定晶体的结构

试题解析：

1）知识点：X射线物相分析

2）答题思路：综合性概念知识

3）历年考频：此考点在近五年中共出现3次，分别为：04，06，07年。

4.请阐述电子与固体物质相互作用时产生的各种电子信号，并介绍这些电子信号在材料分析研究中的各种用途。

参考答案：

1.背散射电子

2. 二次电子

3. 吸收电子

4. 透射电子

5. 特征X射线

6.俄歇电子

这些电子信号在材料分析中有很广泛的应用，利用这些电子信号而发明了扫描电子显微镜和电子探针等仪器，其中背散射电子和二次电子常用作扫描电镜的电子源；利用俄歇电子可以制成俄歇电子显微分析仪；利用特征X射线发明了电子探针。吸收电子和透射电子由于分辨率较差，所以应用较少。

试题解析

1）知识点：扫描电镜成像成像的物理信号等内容

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2）答题思路：综合所学知识点

3）历年考频：此考点在近五年中共出现2次，分别为：04，07年.

5.试讨论加热速度、试样颗粒度、炉内压力和气氛对差热分析结果的影响，为什么说差热分析只能进行定性或半定量分析，而示差扫描量热分析法则可以进行定量分析？

参考答案：

答：P216

1.升温速度在差热分析中，升温速度的快慢对差热曲线的基线、峰型和温度都明显的影响。升温越快，更多的反应将发生在相同的时间间隔内，峰的高度、峰顶或温差将会变大，因此出现尖锐而狭窄的峰。同时，不同的升温速度还会明显影响峰顶温度。

2.颗粒的大小会对差热曲线有显著的影响。对于有气相反应来说都要经过式样颗粒表面进行，因此粒度越小其表面积越大，反应速度越快，峰温向低温方向移动；另外，又因细粒度装填妨碍了气体扩散，使粒间分压变化，峰型扩张，峰温又要向高温方向移动。

3.压力对反应中体积变化很小的试样影响不大，而对于体积变化明显的试样则影响显著。对于气氛控制通常有两种形式，静态气氛和动态气氛。只要控制好气体流量就能获得好的实验结果。

在差热分析中当试样发生热效应时，试样本身的升温速度是非线性的，而且在发生热效应时，试样与参比物及试样周围的环境有较大的温差，它们之间会进行热传递，降低了热效应测量的灵敏度和精确度，所以DTA仅能进行定性和半定量分析。

而DSC克服这些不足，通过对试样因发生热效应而发生的能量变化进行及时的应有的补偿，保持试样与参比物之间温度始终保持相同，无温差、无热传递，使热损失小检测信号大，可进行实现定量分析。

试题解析：

1）知识点：5.3.2 差热曲线的影响因素

2）答题思路：综合差热曲线的影响因素进行分析

3）历年考频：此考点在近五年中共出现2次，分别为：04，07年。

6.通常在一张NMR谱图中可以得到哪些基本信息？并举例说明NMR在材料结构分析中的应用。

参考答案：

答：通常，在一张核磁共振图谱上可以获得三方面的信息，即化学位移、耦偶合裂分和积分线。

核磁共振谱在材料分析研究中的应用很广泛，主要有：

1.材料的定性鉴别

2.化合物数均相对分子质量的测定

3. 共聚物组成的测定

4.分子结构的测定和聚合反应历程研究

试题解析：

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1知识点：核磁共振谱的分析与核磁共振技术的应用

2答题思路：综合两方面信息进行解答

3历年考频：此考点在近五年中共出现1次，分别为：04年。

7.影响热重曲线的因素有哪些？如何保证热重分析的精确度？举例说明热重分析在材料研究中的应用。

参考答案：

热重分析的特点：热重分析就是在程序控制温度下测量获得物质的质量与温度关系的一种技术。其特点是定量性强，能准确地测量物质的质量变化及变化的速率。

影响因素：

1）热重曲线的基线漂移：基线漂移是指试样没有变化而记录曲线却指示出有质量变化的现象，它造成试样失重或增重的假象。这种漂移主要与加热炉内气体的浮力效应和对流影响、Knudsen力及温度与静电对天平机构等的作用紧密相关。

2）升温速率：升温速率直接影响炉壁与试样、外层试样与内部试样间的传热和温度梯度。但一般地说升温速率并不影响失重量。对于单步吸热反应，升温速率慢，起始分解温度和终止温度通常均向低温移动，且反应区间缩小，但失重百分比一般并不改变。

3）炉内气氛。

4）记录纸走纸速度：记录纸走纸速度对热重曲线的清晰度和形状有很大影响。

5）坩埚形式：坩埚的结构及几何形状都会影响热重分析的结果。

6）热电偶位置。

7）试样因素：试样量从两个方面影响热重曲线：a、试样的吸热或放热反应会引起试样温度发生偏差，用量越大，偏差越大；试样用量对逸出气体扩散和传热梯度都有影响，用量大则不利于热扩散和热传递。b、试样粒度对热传导和气体的扩散同样有较大的影响：试样粒度越细，反应速率越快，将导致热重曲线上的反应起始温度和终止温度降低，反应区间变窄；粗颗粒的试样反应较慢。c、试样装填方式对热重曲线的影响，一般地说，装填越紧密，试样颗粒间接触就越好，也就越利于热传导，但不利于气氛气体向试样内的扩散或分解的气体产物的扩散和逸出。通常试样装填得薄而均匀，可以得到重复性好的实验结果。d、试样的反应热、导热性和比热容对热重曲线也有影响，而且彼此还相互联系。e、试样的热反应性，历史和前处理、杂质、气体产物性质、生成速率及质量，固体试样对气体有无吸附作用等试样因素也会对热重曲线产生影响。

精度问题：

1.减小热重曲线曲线的漂移，理想的方法是采用对称加热的方式，从而影响热重基线。

2.降低升温速率。

3.提高气氛压力。

4.选取合理坩埚形式。

5.热电偶位置正确。

应用：

可用来研究含水矿物的结构及热反应过程、测定强磁性物质的居里点温度、测定计算反应的反应级数和化学能等。在测定在玻璃、陶瓷和水泥材料的研究方面也有着较好的应用价值。

试题解析：

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1知识点：热重分析的基本影响因素及应用

2答题思路：归纳两方面的内容即可

3历年考频：此考点在近五年中共出现1次，分别为：04年。

8.影响红外光谱谱带频率和强度的因素有哪些？并举例说明红外光谱在材料分析中的应用。

参考答案：

（1）外部因素。与试样状态、测定条件、溶剂极性等有关。

（2）内部因素。A. 电效应，包括

(a)诱导效应，某些电负性大的元素的加入，会引起键强变化，导致其振动频率向高频或低频移动；

(b)共轭效应，共轭效应使共轭体系中的电子云密度平均化，使原来的双键电子云密度降低，振动频率降低；

(c)偶极场效应，分子内空间中的电子、键分布会导致键性变化，使振动频率偏移；

B. 氢键。氢键使电子云密度平均化，羰基的键性减弱，振动频率降低。

C. 振动的偶合。

如果两个基团的振动频率相近，其相互作用会使谱带裂分成两个，一个低于正常频率，一个高于正常频率，称振动偶合。

D. 费米共振。

当一振动的倍频与另一振动的基频接近时，因相互作用而产生很强的吸收峰或发生裂分，称为费米共振现象。

E. 其他因素。如立体障碍、环的张力等。

应用：

定性分析 1 试样的分离与精制 2. 了解与试样性质有关的其他方面的因素 3. 图谱的解析

定量分析

试题解析：

1知识点：6.3.7 影响基团频率位移的因素 6。3.8 红外光谱定性分析 6.3.9红外光谱的定量分析

2答题思路：综合三方面内容即可

3历年考频：此考点在近五年中共出现1次，分别为：04年。

9.请介绍透射电镜分析时的块状样品表面复型种类和复型方法。为何电子显微分析可以获得较光学显微分析高得多的分辨。

参考答案：

常用的有支持膜法、复型法、晶体薄膜法和超薄切片法四种

支持膜法包括包藏法、撒布法、悬浮法、糊状发、喷雾法、

复型法 1.塑料一级复型 2.碳一级复型 3. 塑料-碳二级复型4.萃取复型

薄膜制备法： 1.化学腐蚀 2. 电解抛光法3.喷射点解抛光4，粒子轰击法5.超薄切片法

分辨本领：指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离；以物镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。光学透镜：d0 =0.061λ/n·sinα= 0.061λ/N·A，

式中：λ是照明束波长；α是透镜孔径半角； n是物方介质折射率；n·sinα或N·A称为数值孔径。

在物方介质为空气的情况下，N·A值小于1。即使采用油浸透镜(n=1.5；α一般为70°～75°)， N·A值也不会超过1.35。所以 d0≈1/2λ。因此，

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要显著地提高显微镜的分辨本领，必须使用波长比可见光短得多的照明源。

实际上，透镜的分辨本领除了与衍射效应有关以外，还与透镜的像差有关（球差）。

试题解析：

1.知识点：4.

2.3 透射电镜样品制备原理和概论内容

2.答题思路：分别叙述另个独立知识点即可

3.历年考频：此考点在近五年中共出现2，分别为：04，07年。

10.请阐述电子探针X射线显微分析的基本原理和应用，并比较两种常用的X射线谱仪——波谱仪和能谱仪的特点。

参考答案：

电子探针仪的工作原理：

莫塞莱(Moseley)定律λ=K/(Z-σ)2

K 为常数

σ为屏蔽系数

Z 为原子序数

X射线特征谱线的波长和产生此射线的样品材料的原子序数有一确定的关系。只要测出特征X射线的波长，就可确定相应元素的原子序数。又因为某种元素的特征X射线强度与该元素在样品中的浓度成比例，所以只要测出这种特征X射线的强度，就可计算出该元素的相对含量。

波谱仪和能谱仪各自特点

波谱仪利用某些晶体对X射线的衍射作用来达到使不同波长分散的目的。

波谱仪分为两种1.旋转式波谱仪 2.直进式波谱仪

能谱仪的特点是按X射线光子能量展谱的。

能谱仪的特点：

1)所用的Si(Li)探测器尺寸小，可装在靠近样品的区域：接收X射线的立体角大，X射线利用率高，可达10000脉冲/s·10-9A;而波谱仪仅几十到几百

脉冲/s·10-9A。能谱仪在低束流下(10-10～10-12A)工作，仍能达到适当的计数率，束斑尺寸小，最少可达0.1μm3，而波谱仪大于1μm3

。

2)分析速度快，可在2～3

分钟内完成元素定性全分析。

3)能谱仪不受聚焦圆的限制，样品的位置可起伏2～3mm

。

4)工作束流小，对样品的污染作用小。

5)能进行低倍X 射线扫描成象，得到大视域的元素分布图。

6)分辨本领比较低，只有150eV(波谱仪可达10eV)

。

7)峰背比小，一般为100，而波谱仪为1000

。

8)Si(Li)探测器必须在液氮温度(77K)下使用，维护费用高。

试题解析：

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1.知识点：电子探针的基本知识

2.答题思路：综合回答各个知识点

3.历年考频：此考点在近五年中共出现1次，分别为：04年.

11.如何利用差热分析、热重分析和热膨胀分析来区分无机材料中的脱水分解、氧化、多晶转变、烧结等过程？

参考答案：

P236 5.7.1 差热分析及差示扫描量热分析的应用

1.脱水分解

脱水时会产生吸热效应，在DTA曲线上表现为吸热峰。

2.氧化

试样或分解产物中有变价元素，但加热到一定温度时会由低价元素变为高价元素的氧化反应，同时放出热量，在 DTA曲线上表现为放热峰。

3.多晶转变

有些矿物在加热过程中会发生晶体结果的变化，并伴随有热效应。

试题解析：

1.知识点：1. 物质的放热和吸热

2.答题思路：联系知识点与其它专业知识

3.历年考频：此考点在近五年中共出现1次，分别为：04年.

12.微晶玻璃是一种在玻璃基体中均匀析出所需微晶相的新材料，在微晶玻璃材料研究过程中，需要掌握玻璃转变温度Tg、析晶温度、析出晶体的晶相种类、以及析出晶体尺寸形貌等物性数据。通过哪些测试方法可以方便地获得这些数据？并请介绍在这些测试图谱中获取所需数据的具体过程。

参考答案：

通过热分析方法可获得玻璃转变温度Tg、析晶温度、析出晶体的晶相种类等数据。

使用扫描电镜或透射电镜可获得晶体尺寸或形貌方面的信息。

试题解析：

1.知识点：研究方法的综合应用

2.答题思路：综合分析各种洋酒方法用途。

3.历年考频：仅一次。

13.有机高分子材料的TEM和SEM的试样有哪些特点。

参考答案：

TEM试样的特点

通常的聚合物由轻元素组成。在用质厚衬度成像时图像的反差很弱，因此，一般来说，还要通过染色和刻蚀来改善衬度，但不宜采用投影方法，以

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防切片的刀痕引入假象。

SEM试样的特点

对于高分子这样绝缘体或导电性差的材料来说，则需要预先在分析表面上蒸镀一层厚度为10~20cm的导电层。否则，在电子束照射到该样品上时，会形成电子堆积，阻挡入射电子束进入样品内部。

试题解析：

1.知识点：电镜的样品制备

2.答题思路：分清两种电镜的样品制备过程及注意事项。

3.历年考频：仅一次

14.试画出有机高分子材料DSC的特征曲线，并说出相应的焓变峰或转变区的物理化学含义。

参考答案：p143

图5.27 高分子材料的DTA和DSC模式曲线

试题解析：

1.知识点：DTA和DSC模式曲线在高分子材料方面的应用

2.答题思路：画出图即可

3.历年考频：仅出现一次

15.试推断下图所示二张IR谱图所代表聚合物的类别，并写出解析过程。

参考答案：新大纲中取消了此方面的内容，不必复习。

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