无机膜的表征(精选)
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无机膜及其过程
* 单位：cm3.cm-2.s-1.(cmHg)-1
§6.2 无机膜的制备
3、焙烧过程
成型后粉体的堆积方式决定了颗 粒三维几何空间的排列。烧结温 度是影响膜性能的最重要因素。 烧结过程的推动力主要取决于坯 体表面能和晶粒界面能。 高纯－Al2O3要在1750度以上才 能完全烧结。这样高的温度在实 际操作过程中有困难，能源消耗 大，需添加烧结助剂来降低烧结 温度，如高岭土、钾长石、玻璃、 磷酸铝等，使它们在1000～1100 度下形成熔融液相，将氧化铝颗 粒粘结起来。
§6.2 无机膜的制备
粘合剂 无机膜的制备方法很多，应 无机材料 水 表面活性剂 根据制膜材料、膜、载体的 结构、膜孔径大小、孔隙率 和膜厚度不同而选择不同的 粉碎 筛分 制备悬浮液 制膜方法。 有工业应用前景的制膜方法 成型 有：固态粒子烧结法、溶胶 干燥 焙烧 －凝胶法、薄膜沉积法、阳 极氧化法、热分解法、水热 法等。 成品 一、固态粒子烧结法
§6.1 概述
3、进入90年代，由于无机膜优 异的性能及材料科学的发展， 应用领域不断扩大，引起了 世界各国的重视，相继有许 多研究机构建立。无机膜的 发展进入一个新的阶段，新 的膜材料、新的制膜技术日 益得到发展。此时进入了膜 反应研究的高速发展期。
我国的无机膜研究始于八十 年代末，在国家自然科学基 金以及各部委的支持下，南 京化工大学、中科院大连化 学物理研究所、中国科学技 术大学、华南理工大学等单 位比较系统地开始了无机膜 的制备应用研究，目前已能 生产出片状、管式和多通道 陶瓷膜，陶瓷膜的工业化应 用也正在日益扩展。
商品无机膜 制造商 Alcoa/SCT Anotec/Alca n SFEC Carbosep 商标名 Membralox Anopore 应用领域 UF MF UF MF UF MF Norton Union Carbide Osmonic TDK NGK Ceram filters Fuji Filters Mott 南京化工大 学 久吾高科 UF MF MF UF、MF Glass Glass Ni,Ag,Pt,Au TiO2,ZrO2, -Al2O3 -Al2O3 4~90nm 0.25~1.2m 0.5m 0.8,0.2, 0.05m 管式 管式、 多通道 管式 Ceraflo Ucarbosep Hytrex Dynaceram MF UF MF UF MF MF 膜材料 -Al2O3 -Al2O3 -Al2O3 -Al2O3 ZrO2 ZrO2 -Al2O3 ZrO2 Ag ZrO2 -Al2O3 SiC -Al2O3 -Al2O3 SiC 支撑体材 料 -Al2O3 -Al2O3 -Al2O3 -Al2O3 C C -Al2O3 C 4-100nm 0.2-5m 20nm 0.2m 4nm 0.080.14m 0.2-1.0m 3nm 0.2~5m 50nm 0.2~5m 0.2~8m 管式/ 多通道 管式 管式/ 平板 管式 管式/ 多通道 管式 管式 管式/ 多通道 平板式 膜孔径 膜构型
第五章 薄膜的表征(2)
*
电子计算机的引入，使Auger电子能谱仪的功
能更趋完善。目前， Auger电子能谱已成为许 多科学领域和工业应用中的最重要的表面分析 手段之一。
第五章 薄膜的表征（2）
薄膜材料与薄膜技术
俄歇电子能谱基本原理
入射电子束和物质作用，可以激发出原子的内层电 子。外层电子向内层跃迁过程中所释放的能量，可能以 X光的形式放出，即产生特征X射线，也可能又使核外 另一电子激发成为自由电子，这种自由电子就是俄歇电 子。对于一个原子来说,激发态原子在释放能量时只能进 行一种发射：特征X射线或俄歇电子。原子序数大的元 素，特征X射线的发射几率较大，原子序数小的元素， 俄歇电子发射几率较大，当原子序数为33时，两种发射 几率大致相等。因此，俄歇电子能谱适用于轻元素的分 析。
第五章 薄膜的表征（2） 薄膜材料与薄膜技术
Auger跃迁
(a) KL1L3 Auger 跃迁 (b) K1 辐射跃迁第五章Βιβλιοθήκη 薄膜的表征（2） 薄膜材料与薄膜技术
AES的应用
AES最主要的应用是进行表面元素的定性分析。AES谱 的范围可以收集到20-1700eV。因为俄歇电子强度很弱，用 记录微分峰的办法可以从大的背景中分辨出俄歇电子峰，得 到的微分峰十分明锐，很容易识别。对俄歇电子能谱，利用 微分谱上负峰的位置可以进行元素定性分析。在分析AES谱 时，要考虑绝缘薄膜的荷电位移效应和相邻峰的干扰影响。 与XPS相似，AES也能给出半定量的分析结果。这种半定量 结果是深度为1-3nm表面的原子数百分比。 AES法也可以利用化学位移分析元素的价态。但是由于很 难找到化学位移的标准数据，因此，谱图的解释比较困难。 要判断价态,必须依靠自制的标样进行 。
第五章 薄膜的表征（2） 薄膜材料与薄膜技术
薄膜材料的表征方法
详细描述
紫外-可见光谱法利用紫外-可见光波段的光子能量与材料中价电子的跃迁能量相匹配的特性，通过测量材料对不 同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料的电子结构和分子组成，从而推断材料 的性质和结构。
红外光谱法
总结词
通过测量材料在红外光波段的吸收光谱，分析材料中分子的振动和转动模式。
俄歇电子能谱法
总结词
俄歇电子能谱法是一种高灵敏度、高分辨率的表面分析技术，用于检测薄膜材 料表面的元素组成和化学状态。
详细描述
该方法利用高能电子束轰击薄膜表面，使表面原子发射出俄歇电子，通过测量 俄歇电子的能量分布，可以推断出薄膜表面的元素组成、化学键合状态以及元 素化合物的存在形式。
红外光谱法
详细描述
红外光谱法利用红外光波段的光子能量与材料中分子振动和转动能量相匹配的特性，通过测量材料对 不同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料中分子的振动和转动模式 ，进一步推断材料的结构和性质。
拉曼光谱法
总结词
通过测量材料在拉曼散射过程中的光谱 ，分析材料中分子的振动和旋转模式。
剪切韧性测试
通过测量材料在剪切载荷下的剪切位移或剪切强度，评估材料的 韧性。
感谢您的观看
THANKS
各种类型的薄膜材料。
原子力显微镜
总结词
原子力显微镜是一种高分辨率的表面形貌表征技术，可以用来观察薄膜表面的微观结构 和形貌特征。
详细描述
原子力显微镜利用微悬臂探针在薄膜表面扫描，通过测量探针与薄膜表面之间的相互作 用力，可以实时获得薄膜表面的形貌信息。该方法具有极高的分辨率，能够观察到薄膜
表面的原子级结构，适用于各种类型的薄膜材料。
05 化学性能表征方法
紫外-可见光谱法利用紫外-可见光波段的光子能量与材料中价电子的跃迁能量相匹配的特性，通过测量材料对不 同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料的电子结构和分子组成，从而推断材料 的性质和结构。
红外光谱法
总结词
通过测量材料在红外光波段的吸收光谱，分析材料中分子的振动和转动模式。
俄歇电子能谱法
总结词
俄歇电子能谱法是一种高灵敏度、高分辨率的表面分析技术，用于检测薄膜材 料表面的元素组成和化学状态。
详细描述
该方法利用高能电子束轰击薄膜表面，使表面原子发射出俄歇电子，通过测量 俄歇电子的能量分布，可以推断出薄膜表面的元素组成、化学键合状态以及元 素化合物的存在形式。
红外光谱法
详细描述
红外光谱法利用红外光波段的光子能量与材料中分子振动和转动能量相匹配的特性，通过测量材料对 不同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料中分子的振动和转动模式 ，进一步推断材料的结构和性质。
拉曼光谱法
总结词
通过测量材料在拉曼散射过程中的光谱 ，分析材料中分子的振动和旋转模式。
剪切韧性测试
通过测量材料在剪切载荷下的剪切位移或剪切强度，评估材料的 韧性。
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各种类型的薄膜材料。
原子力显微镜
总结词
原子力显微镜是一种高分辨率的表面形貌表征技术，可以用来观察薄膜表面的微观结构 和形貌特征。
详细描述
原子力显微镜利用微悬臂探针在薄膜表面扫描，通过测量探针与薄膜表面之间的相互作 用力，可以实时获得薄膜表面的形貌信息。该方法具有极高的分辨率，能够观察到薄膜
表面的原子级结构，适用于各种类型的薄膜材料。
05 化学性能表征方法
薄膜材料的表征与测量方法PPT(55张)
隧道效应电流是电子 波函数重叠的量度， 它与两金属电极之间 的距离以及衰减常数 有关。
38
隧道效应
由于电子具有波动性，在金
属中的电子并非仅存在于表
面边界以内，即电子刻度并
不是在表面边界上突然降低
为零，而是在表面边界以外
按指数规律衰减，衰减长度 约1nm。这样，如果两块金 属表面互相靠近到间隙小于 1nm时，它们的表面电子云 将发生重叠。如果将探针极
为简单起见，可先假设在第二个界面上，光全 部被反射回来并到达薄膜表面的C点，在该点 处，光束又会发生发射和折射。
要想在P点观察到光的干涉极大，其条件是直 接反射回来的光束与折射后又反射回来的光束 之间的光程差为波长的整数倍。
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不透明薄膜厚度测量的等厚干涉 （FET）和等色干涉（FECO）法
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优点
有原子量级的极高分辨率，能够分辨出单个原子。
直接观测到单原子层表面的局部结构，如表面缺 陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置等。
能够实时地得到表面的三维图像，可测量具有周 期性和不具备周期性的表面结构。特别有利于对 表面摩擦磨损行为和性能变化等动态过程研究。
可以在不同环境条件下工作，包括真空、大气、 低温，甚至试样浸湿在水或电解液中。适用于研 究环境因素对试样表面的影响。
原理：基于石英晶体片的固有振动频率随其质 量的变化而变化的物理现象。
16
17
§6.2 薄膜结构的表征方法
薄膜结构的研究可以依所研究的 尺度范围划分为以下三个层次:
薄膜的宏观形貌,包括薄膜尺寸、形状、厚度、 均匀性等；
薄膜的微观形貌，如晶粒及物相的尺寸大小 和分布、孔洞和裂纹、界面扩散层及薄膜织 构等；
膜与膜过程_第三章_膜的表征(1)
流量计 电磁阀 减压阀 进气阀 平衡罐 氮气瓶 电磁阀 气体样品
测试片
(3)滤速法， 该法基于Hagen-Poiseuille定律
nr 4 APt Q nr 4 p Q ,J 8d At 8d Vr nr 2 , r 8 Jd Vr P
Q：渗透流量cm3；n：孔密度；r：孔径；A：膜 有效面积；P：使用压力, t：时间；η：粘度；d： 毛细孔长（膜厚）；J：通量 步骤为：将膜浸润后装入测定池中，逐渐加压力， 使纯水通过被测定的膜，在排除所有的气泡后， 使压力升至所需的值，并收集一定时间内流出的 水量，记录温度，从各测定的值，以及据温度查 表的值，可计算平均孔径r。
气体流速
干膜流速 湿膜流速
半干膜流速(计算) 平均流速(平均孔径) 泡点(取大孔径) 气体压力
3.3.3 孔隙率测定
(1)干湿膜差重法：分别测定干、湿膜的重量，按下式计算Vr:
Vr
( w1 w2 ) / d H 2O V
100
w1和w2分别为湿干膜的重量，dH2O为水的密度，V为膜的 表观体积。 (2)据膜的表观密度和膜材料的求孔隙率
压紧螺帽 0-1000kg/cm3 密封盖 检流计 恒温室 高压简体 测孔室 膨胀计 惠斯登电桥 恒温水 高压阀 油杯 0-600 0-100 0-16 泄放阀 进油阀 手揿泵 倍加器
(2)泡压法：
原理和基本方程同压汞 法 具体方法是将合适大小 的膜浸后法，装入测定 池中，再在膜上注入一 定高度的水，从下面通 入N2，使其压力缓缓上 升，当水面出现第一个 气泡，并连续不断地出 泡时，这时的压力P， 可用来计算最大孔径的 值。一般从基本方程得 的理论值要比实测的值 高。
功能无机材料完整 材料的表征精选ppt
整理
18
7/3/2020 10:01 PM
材料结构分析—结果
硅纳米线的不同形貌 (a)呈直线或弯曲状态，(b)呈螺旋结构，
(c)呈辫子结构
整理
19
7/3/2020 10:01 PM
材料结构分析-直接法
硅纳米线的显微结构 高分辨电子显微像（HTEM）
(a)［111］带轴的硅纳米线的单晶 结构，它的生长方向为［112］
整理
3
材料结构与材料性能的关系
现代材料科学的发展在很大程度上依赖对材 料性能和其成分结构及微观组织关系的理解
什么是材料测试方法？
材料测试 ＝ 材料分析 ＝ 材料表征
获取有关材料的组成，结构 和性能等相关信息
整理
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7/3/2020 10:01 PM
分子结构与聚集态结构 (XRD、 IR、XPS、 ASS)
立体结构
晶体结构 空隙度
整理
抗冲击性
压缩性
动态力学性质
模量
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7/3/2020 10:01 PM
结构与性能的关系
电子结构，原子结构和化学键决定了材料的固有性质
传统的“炒菜”法
新材料 开发方法
发展方向 材料设计
所谓材料设计，就是根据对材料的组成、微结构与性能关系 的认识（“炒菜”经验＋材料微观分析），按指定性能“定
合成与加工
结
构
固
和
有
成
性
分
质
使用性能
整理
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7/3/2020 10:01 PM
材料的性质
化学组成
拉伸性
微观结构 相结构
化 晶粒尺寸 物
学
及分布
理
性 耐腐蚀性 性
第19章-无机膜制备化学-幻灯片
引言
美国官方文件曾说：“18世纪电器改变了整个工业过程， 而20世纪的膜技术将改变整个面貌，目前没有一项技术能 像膜一样广泛地应用”。
日本把膜技术作为21世纪基础技术进行研究与开发，早在 1987年东京国际膜会议上，明确指出：“21世纪的多数 工业中，膜分离技术扮演着战略角色”。
国际上有一种流行的说法，即“谁掌握了膜技术，谁就掌 握了化工的未来”。
19.1.3 无机膜制备技术
膜的传质分离性能取决于膜材料的物 理、化学和结构参数，这可以通过适当的 制备工艺及其参数调整，达到优化性能的 目的。
目前的制备方法有：粉体干压成型烧 结法、流延法、轧辊法、注浆成型法、挤 压成型法、溶胶-凝胶法等十多种方法。
表19-1无机膜结构与性能表征方法
表19-2 无机膜材料的制备方法一览表
H
M-OH+ M-OH →M-O-M-OH →M-O-M+H2O
2.无机聚合物溶胶的形成
应用聚合物溶胶制备溶胶-凝胶膜，其方式 与粒子溶胶颇为不同，在这类溶胶中，分 散相是由有机金属前驱体在有机介质中水 解缩合得到，大多数情况下，该过程涉及 到金属烷氧基化合物在醇中的聚合作用。
硅的烷氧化合物的水解与缩合反应速率比 较慢，因此需要碱或算催化剂
1.水溶液中粒子溶胶的形成
采用金属盐（或醇盐）为前驱体，溶于水后，在水介质中 的基本反应有以下三类：
（1）溶剂化 金属阳离子Mz+溶于水中，常为极性水分子所 包围，形成水（溶剂）合离子： Mz++:OH2→[M←OH2]z+
（2）水解反应 水合离子发生水解反应，相应发生电荷转移， 给出质子H+，其水解平衡式可写作： [MOH2]z+↔ [MOH]z-1+ H+ ↔ [M=O]z-2+2H+ 从上式看，水解平衡存在着三种类型的配位基：水合基 （MOH2）；羟基MOH和氧化剂M=O。
美国官方文件曾说：“18世纪电器改变了整个工业过程， 而20世纪的膜技术将改变整个面貌，目前没有一项技术能 像膜一样广泛地应用”。
日本把膜技术作为21世纪基础技术进行研究与开发，早在 1987年东京国际膜会议上，明确指出：“21世纪的多数 工业中，膜分离技术扮演着战略角色”。
国际上有一种流行的说法，即“谁掌握了膜技术，谁就掌 握了化工的未来”。
19.1.3 无机膜制备技术
膜的传质分离性能取决于膜材料的物 理、化学和结构参数，这可以通过适当的 制备工艺及其参数调整，达到优化性能的 目的。
目前的制备方法有：粉体干压成型烧 结法、流延法、轧辊法、注浆成型法、挤 压成型法、溶胶-凝胶法等十多种方法。
表19-1无机膜结构与性能表征方法
表19-2 无机膜材料的制备方法一览表
H
M-OH+ M-OH →M-O-M-OH →M-O-M+H2O
2.无机聚合物溶胶的形成
应用聚合物溶胶制备溶胶-凝胶膜，其方式 与粒子溶胶颇为不同，在这类溶胶中，分 散相是由有机金属前驱体在有机介质中水 解缩合得到，大多数情况下，该过程涉及 到金属烷氧基化合物在醇中的聚合作用。
硅的烷氧化合物的水解与缩合反应速率比 较慢，因此需要碱或算催化剂
1.水溶液中粒子溶胶的形成
采用金属盐（或醇盐）为前驱体，溶于水后，在水介质中 的基本反应有以下三类：
（1）溶剂化 金属阳离子Mz+溶于水中，常为极性水分子所 包围，形成水（溶剂）合离子： Mz++:OH2→[M←OH2]z+
（2）水解反应 水合离子发生水解反应，相应发生电荷转移， 给出质子H+，其水解平衡式可写作： [MOH2]z+↔ [MOH]z-1+ H+ ↔ [M=O]z-2+2H+ 从上式看，水解平衡存在着三种类型的配位基：水合基 （MOH2）；羟基MOH和氧化剂M=O。
无机膜的表征
各种测定孔径和孔径分布方法的特点 （四）
• 对于具有透过、过滤作用的多孔膜，死端孔没有 •
•
意义，真正有用的是活性孔。只有活性孔对膜的 传质行为产生作用，具有意义。 活性孔----就是在膜的顶层允许流体通过的那些微 孔。 泡点法、液体驱除法、液-液置换法、渗透孔度计 法及溶质截去法测定是活性孔的孔径及其分布， 不包括死孔。
第一节 无机膜的形貌 及元素组成的表征
• 多孔无机膜微观结构的表征 • 表征膜形貌的同时进行元素分析 • 无机膜的分形表征（略）
一、多孔无机膜微观结构的表征
扫描电镜
• 扫描电镜原理 • 扫描电镜的分辨率 • 扫描电镜的样品制备 • 扫描电镜的样品观察
扫描电镜的原理
• 利用扫描电子束从固体试样表面获得放大图像的
•
无机膜孔径和孔径分布的测定
• • • • • • • • •
扫描和透射电子显微镜 压汞法 大孔 气体吸附脱附法（3~60nm）中孔和微孔 热孔度计法 泡点法 液体驱除法（100~100000nm） 液-液置换法 渗透孔度计法（1~100nm） 溶质截去法
各种测定孔径和孔径分布方法的特点 （一）
• 开尔文方程：
Vm 2 p V cos ln p0 rk RT
气体吸附脱附法测定孔径及孔径分布的原理
• 在测定过程中常用氮作为吸附质。对无机膜一般
•
是润湿的。 rk愈小，则p愈小，说明毛细孔愈小凝聚时所需的 气体压力愈低。在凝聚过程中压力逐步增加，开 始小孔先凝聚，而后大孔才凝聚。rk有临界孔半 径的性质，即在压力p时所有小于的毛细孔均发生 凝聚。而解凝脱附过程则正好相反，孔愈大，愈 容易发生解凝，即脱附时在较高的压力下大孔先 发生解凝，压力进一步降低小孔才发生解凝。