(精选)材料现代分析测试技术概述
材料分析测试技术
材料分析测试技术材料分析测试技术是指通过对材料的组成、结构、性能等进行分析和测试，以获取材料的相关信息和数据，为材料的研究、开发和应用提供科学依据和技术支持。
材料分析测试技术在材料科学与工程领域具有重要的意义，对于提高材料的质量、性能和可靠性，推动材料创新和产业发展具有重要作用。
一、材料分析测试技术的分类。
1.化学分析技术，包括元素分析、化合物分析、表面分析等，常用的方法有光谱分析、质谱分析、色谱分析等。
2.结构分析技术，包括晶体结构分析、显微结构分析、电子显微镜分析等，常用的方法有X射线衍射、电子显微镜、原子力显微镜等。
3.性能测试技术，包括力学性能测试、热物性测试、电磁性能测试等，常用的方法有拉伸试验、热分析、磁性测试等。
4.损伤分析技术，包括断裂分析、磨损分析、腐蚀分析等，常用的方法有断口分析、磨损测试、腐蚀试验等。
二、材料分析测试技术的应用领域。
1.材料研究与开发，通过对材料的成分、结构、性能进行分析和测试，为新材料的研究与开发提供科学依据和技术支持。
2.材料质量控制，通过对材料的质量、性能进行测试，保证材料的质量符合要求，满足产品的生产需求。
3.产品应用与改进，通过对产品材料的分析和测试，了解产品的材料特性，为产品的应用与改进提供技术支持。
4.事故分析与预防，通过对材料损伤的分析和测试，了解损伤的原因和机理，为事故的分析与预防提供技术支持。
三、材料分析测试技术的发展趋势。
1.多元化，随着材料科学与工程的发展，材料的种类和应用领域不断扩大，对材料分析测试技术提出了更高的要求，需要开发出更多样化、多功能化的分析测试技术。
2.智能化，随着信息技术和人工智能技术的发展，材料分析测试技术也向智能化方向发展，实现数据的自动采集、处理和分析，提高测试的效率和准确性。
3.微观化，随着纳米技术和微观技术的发展，材料分析测试技术也向微观化方向发展，实现对材料微观结构和性能的精细分析和测试。
4.综合化，随着材料科学与工程的交叉融合，材料分析测试技术也向综合化方向发展，实现不同分析测试技术的融合应用，提高分析测试的综合能力。
现代材料分析测试技术显微分析技术IR资料
拓展应用领域， 从材料科学向 生物医学等领
域延伸
结合人工智能 和机器学习技 术，实现自动 化和智能化分
析
深入研究IR显 微分析的机理 和相互作用机 制，为新技术 的应用提供理
论支持
06
现代材料分析测试技术的发展趋势与展望
现代材料分析测试技术的发展趋势
数字化技术： 利用数字化技 术提高分析测 试的准确性和
03
显微分析技术的基本原理
光学显微镜的原理
显微镜由物镜和目镜组成，物镜将物体放大并形成一个倒立的实像，目镜将这个实像再次放大并 呈现给观察者。
光线通过显微镜时，经过物镜和目镜的两次放大，使得观察者能够看到物体细微结构。
光学显微镜的分辨力主要取决于物镜的数值孔径和照明光源的波长。
光学显微镜的放大倍数是指物像的长度或宽度与原物体长度的比值，通常由物镜和目镜的放大倍 数相乘得到。
显微分析技术在高分子材料性能测试中的应用，如测量高分子材料的力学性能、热性能和 电性能等。
显微分析技术在高分子材料老化研究中的应用，如观察高分子材料在老化过程中的微观变 化和性能变化等。
显微分析技术在高分子材料合成中的应用，如监测高分子材料的聚合反应过程和产物形貌 等。
陶瓷材料显微分析技术应用
电子显微镜的出现：20世纪30年代，德国科学家鲁斯卡和克诺尔发明了电子显微 镜，实现了对微观世界的更深入观察。
扫描隧道显微镜的诞生：1981年，瑞士物理学家宾尼和罗雷尔发明了扫描隧道 显微镜，可以直接观察原子结构，为材料科学领域带来了革命性的突破。
原子力显微镜的发展：1986年，日本科学家日立造次和恩格尔巴特发表了原子力 显微镜的论文，实现了对表面形貌的超高分辨率成像。
05
IR资料在显微分析中的应用
材料现代测试分析技术
材料分析是如何实现的？
通过对表征材料的物理性质参数及其变化 （称为测量信号或特征信息）的检测实现 的。即，材料分析的基本原理是指测量信 号与材料成分、结构等的特征关系 采用各种不同的测量信号（相应地具有与 材料的不同特征关系）形成了各种不同的 材料分析方法
能级跃迁类型
吸收或发射 辐射种类
原子核能级
γ 射线
电子能级跃迁 (低能级到高能级)
X射线
价电子能级跃迁 (低能级到高能级)
紫外线、可见光
分子电子能级跃迁 (低能级到高能级)
紫外线、可见光
分子振动能级跃迁 (低能级到高能级)
红外线
电子自旋能级（磁能级） 微波 跃迁
原子核磁能级跃迁
射频
电子能级跃迁
荧光
价电子能级跃迁 (高能级到低能级)
四、光谱的分类
按辐射与物质相互作用性质
吸收光谱
发射光谱
散射光谱
…….. X
按的 发物
按谱域
生质
作微
红
用粒
外
光
原子光谱 分子光谱 谱
紫 外 光 谱
可 见 光 谱
射 线 谱
按强度对波长的分布特点
钠蒸气吸收光谱 苯蒸气吸收光谱
氢原子发射光谱 氰分子发射光谱
线光谱 带光谱
连续光谱
吸收与发射光谱分类
光谱分类名称
紫外线、可见光
价电子能级跃迁 (高能级到低能级)
紫外线、可见光 (原子荧光)
分子能级
紫外线、可见光 (分子荧光)
分子能级
紫外线、可见光 (分子磷光)
备注
材料现代分析测试方法
材料现代分析测试方法材料现代分析测试方法是指利用现代科学技术手段对材料进行分析和测试的方法。
随着科学技术的不断发展，材料分析测试方法也在不断更新和完善，为材料研究和应用提供了更加精准、高效的手段。
首先，光谱分析是材料现代分析测试方法中常用的一种。
光谱分析利用物质对光的吸收、发射、散射等特性进行分析，可以得到物质的组成、结构、性质等信息。
常见的光谱分析方法包括紫外-可见吸收光谱、红外光谱、拉曼光谱等，这些方法可以对材料进行全面的分析。
其次，电子显微镜分析也是材料现代分析测试方法中的重要手段。
电子显微镜可以对材料进行高分辨率的成像和分析，可以观察到材料的微观结构和形貌特征。
透射电子显微镜、扫描电子显微镜等成像技术，以及能谱分析技术，可以对材料进行表面成分分析和元素分布分析，为材料研究提供了重要的信息。
此外，质谱分析也是材料现代分析测试方法中的重要手段之一。
质谱分析利用物质的分子离子质量和相对丰度信息，可以对材料进行成分分析和结构鉴定。
常见的质谱分析方法包括质子磁共振质谱、质子谱、碳谱等，这些方法可以对有机材料和高分子材料进行分析。
最后，热分析也是材料现代分析测试方法中的重要手段之一。
热分析利用材料在升温或降温过程中吸热、放热、质量变化等特性，可以对材料的热稳定性、热动力学性质等进行分析。
常见的热分析方法包括差示扫描量热法、热重分析法等，这些方法可以对材料的热性能进行全面的分析。
综上所述，材料现代分析测试方法在材料研究和应用中起着至关重要的作用。
通过光谱分析、电子显微镜分析、质谱分析、热分析等手段，可以全面了解材料的组成、结构、性质等信息，为材料的设计、制备和应用提供科学依据和技术支持。
随着科学技术的不断进步，材料现代分析测试方法也将不断完善和发展，为材料领域的发展注入新的活力。
现代分析测试方法概述
Bragg的衍射条件 2d sinθ = nλ
基于光衍射的分析方法
•多晶X射线衍射仪（分析材料的晶体结构， 测量结晶度和晶粒取向度等） •单晶X射线衍射仪（通过测定单晶的晶体 结构，了解晶体中原子的三维空间排列， 获得有关键长、键角、分子构型等结构信 息）
光的波动性——光的偏振
平面偏振光 振动方向保持不变 振幅发生周期性变化
吸收光谱对应的能量跃迁
光的微粒性——光的发射
处于高能态（激发态）的物质不稳定，通 过约10-8s释放能量返回基态，若以发射光子的 形式放出能量，则得到发射光谱。
吸收或发射产生的条件是：
①物质与光子发生碰撞；
②E光子=△EM*/M； ③E光子 与物质的△EM*/M是量子化
的；
④吸收与发射分别产生吸收或发
光学分析法
散射光谱法 (拉曼光谱法,浊度法)
折射法
旋光法(偏振,旋光,圆二色性)
非光谱分析法 干涉分析法
（辐射性质）
x—射线分析法
衍射分析法
电子衍射分析法
光信号源 光信号源
Hale Waihona Puke 3.6 光谱分析仪器的构成
试样 系统
波长选择
能源 试样系统
试样 系统
波长选择
分析信号 转换
原子吸收分光光度计
试样 系统
分析信号 转换
有机混合物成分定性及定量分析
•气相色谱法 •液相色谱法 •气相色谱－质谱联用法 •液相色谱－质谱联用法 •紫外－可见光谱法
聚集态结构分析
•透射电子显微镜法 •X射线衍射法 •小角X射线散射法 •固体核磁共振波谱法 •红外光谱法 •拉曼光谱法
表面结构分析
•扫描电镜法 •扫描探针显微镜法 •电子探针法 •能谱分析法
材料现代分析测试方法总结(2)
名词解释：晶带：晶体中，与某一晶向[uvw]平行的所有（HKL）晶面属于同一晶带，称为[uvw]晶带。
辐射的吸收：辐射通过物质时，其中某些频率的辐射被组成物质的粒子（原子、离子或分子等）选择性地吸收，从而使辐射强度减弱的现象。
辐射被吸收程度对ν或λ的分布称为吸收光谱。
辐射的发射：物质吸收能量后产生电磁辐射的现象。
辐射的散射：电磁辐射与物质发生相互作用，部分偏离原入射方向而分散传播的现象光电离：入射光子能量(hν)足够大时，使原子或分子产生电离的现象。
光电效应:物质在光照射下释放电子(称光电子)的现象又称(外)光电效应。
点阵消光：因晶胞中原子(阵点)位置而导致的|F|2=0的现象系统消光：晶体衍射实验数据中出现某类衍射系统消失的现象。
结构消光:在点阵消光的基础上，因结构基元内原子位置不同而进一步产生的附加消光现象，称为结构消光。
衍射花样指数化:确定衍射花样中各线条(弧对)相应晶面(即产生该衍射线条的晶面)的干涉指数，并以之标识衍射线条，又称衍射花样指数化(或指标化)。
背散射电子：入射电子与固体作用后又离开固体的总电子流。
特征X射线：射线管电压增至某一临界值，使撞击靶材的电子具有足够能量时，可使靶原子内层产生空位，此时较外层电子将向内层跃迁产生辐射即是特征X 射线。
俄歇电子：由于原子中的电子被激发而产生的次级电子，在原子壳层中产生电子空穴后，处于高能级的电子可以跃迁到这一层，同时释放能量。
当释放的能量传递到另一层的一个电子，这个电子就可以脱离原子发射，被称为俄歇电子。
二次电子：入射电子从固体中直接击出的的原子的核外电子和激发态原子退回基态时产生的电子发射，前者叫二次电子，后者叫特征二次电子。
X射线相干散射：入射光子与原子内受核束缚较紧的电子发生弹性碰撞作用，仅其运动方向改变没有能量改变的散射。
X射线非相干散射：入射光子与原子内受到较弱的电子或者晶体中自由电子发生非弹性碰撞作用，在光子运动方向改变的同时有能量损失的散射。
材料现代分析与测试技术 教学大纲
材料现代分析与测试技术课程教学大纲一、课程性质、教学目的及教学任务1.课程性质本课程是材料类专业的专业基础课，必修课程。
2.教学目的学习有关材料组成、结构、形貌状态等分析测试的基本理论和技术，为后续专业课学习及将来材料研究工作打基础。
3.教学任务课程任务包括基本分析测试技术模块——X射线衍射分析、电子显微分析、热分析；扩充分析测试技术模块——振动光谱分析和光电子能谱分析。
在各模块中相应引入新发展的分析测试技术：X射线衍射分析X射线衍射图谱计算机分析处理；电子显微分析引入扫描探针显微分析（扫描隧道显微镜、原子力显微镜）；热分析引入DSC分析。
二、教学内容的结构、模块绪论了解材料现代分析与测试技术在无机非金属材料中的应用、发展趋势，明确本课程学习的目的和要求。
1. 本课程学习内容2. 本课程在无机非金属材料中的应用3. 本课程的要求（一）X射线衍射分析理解掌握特征X射线、X射线与物质的相互作用、布拉格方程等X射线衍射分析的基本理论，掌握X射线衍射图谱的分析处理和物相分析方法，掌握X射线衍射分析在无机非金属材料中的应用，了解X射线衍射研究晶体的方法和X射线衍射仪的结构，了解晶胞参数测定方法。
1. X射线物理基础（1）X射线的性质（2）X射线的获得（3）特征X射线和单色X射线2. X射线与物质的相互作用3. X射线衍射几何条件4. X射线衍射研究晶体的方法（1）X射线衍射研究晶体的方法（2）粉末衍射仪的构造及衍射几何5. X射线衍射数据基本处理6. X射线衍射分析应用（1）物相分析（2）X射线衍射分析技术在测定晶粒大小方面的应用（二）电子显微分析理解掌握电子光学基础、电子与固体物质的相互作用、衬度理论等电子显微分析的基本理论，掌握透射电镜分析、扫描电镜分析、电子探针分析的应用和特点，掌握用各种衬度理论解释电子显微像，掌握电子显微分析样品的制备方法，了解透射电镜、扫描电镜、电子探针的结构。
1. 电子光学基础（1）电子的波长和波性（2）电子在电磁场中的运动和电磁透镜（3）电磁透镜的像差和理论分辨率（4）电磁透镜的场深和焦深2. 电子与固体物质的相互作用（1）电子散射、内层电子激发后的驰豫过程、自由载流子（2）各种电子信号（3）相互作用体积与信号产生的深度和广度3. 透射电子显微分析（1）透射电子显微镜（2）透射电镜样品制备（3）电子衍射（4）透射电子显微像及衬度（5）透射电子显微分析的应用4. 扫描电子显微分析（1）扫描电子显微镜（2）扫描电镜图像及衬度（3）扫描电镜样品制备5. 电子探针X射线显微分析（1）电子探针仪的构造和工作原理（2）X射线谱仪的类型及比较（3）电子探针分析方法及其应用6. 扫描探针显微分析（1）扫描隧道显微镜（2）原子力显微镜（三）热分析理解掌握差热分析、热释光谱分析的基本原理，掌握差热曲线的判读及影响因素，掌握热释光谱分析，了解差热分析仪的结构，了解热重分析和示差扫描量热分析。
现代分析测试技术
通过分子对不同偏正光吸收的差异作手性分子检测的分析 技术。
14
现代分析测试技术概述
• X－射线光谱技术
• X—射线荧光光谱
检测分子受X—射线照射后产生的荧光谱线的分析技术。
• X—射线衍射法
检测由不同晶格结构对X—射线所产生的不同衍射角的分析技术。
40
现代分析测试技术概述
41
现代分析测试技术概述
晶体特性： 原子、离子、分子在空间周期性排列而构成的固态物称晶体，晶体结构
的最小单位是晶胞，晶胞由晶轴a、b、c，及夹角、、 ，以及晶面h
液相色谱（LC）
利用物质在流动相（液相）和固定相（液相或固相）中的分配比不 同原理的分离技术。
毛细管电泳（CE）
以高压电场为驱动力，以毛细管为分离通道，根据样品中各组分间 的趟度或分配行为上的不同进行分离的技术。
18
现代分析测试技术概述
联用技术
色谱—质谱联用技术 色谱—核磁共振波谱联用技术 色谱—红外吸收光谱联用技术
9
现代分析测试技术概述
现代分析测试技术的分类
电化学技术 光分析技术 质谱与能谱技术 色谱技术 联用技术 显微技术 热分析技术
10
现代分析测试技术概述
电化学技术
应用电化学的基本原理和实验技术，依据物质电化学性质来测定物质组成及含量。
电导技术 利用物体、溶液电导率变化的检测技术。
电位分析 根据物质电位变化和电极反应过程中电位变化的检测技术。
普通蒸馏水的电导率 210-6 S· cm-1 离子交换水的电导率 510-7 S· cm-1 纯水的电导率 510-8 S· cm-1
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电磁波谱
第一节 引言
9
物质波
第一节 引言
运动实物粒子也具有波粒二象性，称为物质波或德布罗意波，如电 子波、中子波等。
德布罗意关系式
(=h/p)=h/mv
对于高速运动的粒子，m为相对论质量，有
当v<<c时，mm0。
m m0
1(v)2 c
10
第一节 引言
电子波（运动电子束）波长
1 mv2 eV 2
島津EPMA-1600
22
EDS应用举例
不良品
良品
齿轮疲劳失效，是由于 渗碳处理不均匀，根本 原因在于硅的偏聚。
浸炭不 良部
不良品
Ｃ
良品
Ｓｉ
23
XPS
24
第一节 引言
4 分子结构分析
利用电磁波与分子键和原子核的作用，获得分子 结构信息。红外光谱（IR）、拉曼光谱 （Raman）、 荧光光谱（PL）等是利用电磁波 与分子键作用时的吸收或发射效应，而核磁共振 （NMR）则是利用原子核与电磁波的作用来获得 分子结构信息的。
6
第一节 引言
电磁辐射是指在空间传播的交变电磁场。电磁辐射也可称为电磁波 （有时也将部分谱域的电磁波泛称为光）。
根据量子理论，电磁波具有波粒二象性。
描述电磁波波动性的主要物理参数有：波长（）或波数（或K）、 频率（）及相位（）等。
波动性
=c
微粒性：电磁波是由光子所组成的光子流。
电磁波波动性与微粒性的关系是
100
10
1
0.1 0.01 0.001
观察倍率 ×10000000 ×1000000 ×100000 ×10000 ×1000 ×100 ×10
0.1 ｎｍ 0.0001 μｍ
14
OM
Ni-Cr合金的铸造组织
15
SEM
16
SPM
17
云母的表面原子阵列
第一节 引言
2 物相分析
利用衍射分析的方法探测晶格类型和晶胞常数，确定物质 的相结构。
宏观结构 100m 显微结构 10～ 100m
0.2～ 100m 0.01～ 0.2m 晶体结构 < 0.01m 电子结构 < 0.001m
大晶粒，多颗粒聚集体 晶粒 多相聚集
微晶、胶体 原子的排列方式 原子的结合方式
3
第一节 引言
4.材料分析的内容
表面和内部组织形貌。包括材料的外观形貌（如纳米线、断口、 裂纹等）、晶粒大小与形态、各种相的尺寸与形态、含量与分 布、界面（表面、相界、晶界）、位向关系（新相与母相、孪 生相）、晶体缺陷（点缺陷、位错、层错）、夹杂物、内应力。
材料现代分析方法概述
1
第一节 引言
一、简介
1.课程性质
关于材料分析测试技术及其有关理论的一门课程。
2.材料科学四要素
成分与结构、制备与加工、性能与使用性能 成分和结构从根本上决定了材料的性能，对材料的成分和结 构的进行精确表征是材料研究的基本要求，也是实现性能控 制的前提。
2
第一节 引言
3.材料结电得荷e＝1.60×10-29C、电子质量mm0=9.11×10-31kg及h值代入
1.225
V
式中，以nm为单位，V以V单位。
11
第一节 引言
不同加速电压下电子波的波长（经相对论校正）
12
第一节 引言
二、材料现代分析主要内容及方法
1.组织形貌分析 微观结构的观察和分析对于理解材料的本质至关
成分与价键分析与分子结构分析四大类方法。 基于其它物理性质或电化学性质与材料的特征关
系建立的色谱分析、质谱分析、电化学分析及热 分析等方法也是材料现代分析的重要方法。
5
第一节 引言
6、 材料分析的理论依据
尽管材料分析手段纷繁复杂，但它们也具有共同之处。
基本上是利用入射电磁波（X射线、可见光、红外光）或 物质波（电子束）与材料作用，产生携带样品信息的各种 出射电磁波或物质波（X射线、电子束、可见光、红外 光），探测这些出射的信号，进行分析处理，即可获得材 料的组织、结构、成分、价键信息。（除了个别研究手段 （如SPM）以外）
晶体的相结构。各种相的结构，即晶体结构类型和晶体常数， 和相组成。
化学成分和价键（电子）结构。包括宏观和微区化学成份（不 同相的成份、基体与析出相的成份）、同种元素的不同价键类 型和化学环境。
有机物的分子结构和官能团。
4
第一节 引言
5. 材料分析方法 材料分析方法主要分为为形貌分析、物相分析、
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Two Theta (degree)
图2 锆英石为主晶相的X射线谱
19
TEM
20
第一节 材料现代分析测试方法
3 成分和价键分析
大部分成分和价键分析手段都是基于同一个原理，即核外电子的能级 分布反应了原子的特征信息。利用不同的入射波激发核外电子，使之 发生层间跃迁、在此过程中产生元素的特征信息。
主要的物相分析的手段有三种：x射线衍射(XRD)、电子 衍射(ED)及中子衍射(ND)。
其共同的原理是： 利用电磁波或运动电子束、中子束等 与材料内部规则排列的原子作用产生相干散射，获得材料 内部原子排列的信息，从而重组出物质的结构。
18
XRD
t-ZrO2 ZrSiO4
Intensity
理学D/max 2000自动X射线仪
按照出射信号的不同，成分分析手段可以分为两类：X光谱和电子能 谱，出射信号分别是X射线和电子。
X光谱包括X射线荧光光谱(XFS)和电子探计X射线显微分析（EPMA） 两种技术，
电子能谱包括X射线光电子能谱(XPS)、俄歇电子能谱(AES)、电子 能量损失谱(EELS)等分析手段。
21
EPMA
E=h
P=h/
等式左边与右边分别为表示电磁波微粒性与波动性的参数
7
第一节 引言
电磁波谱的分区
①长波部分（低能部分），包括射频波（无线电波）与微波，有时习 惯上称此部分为波谱。
②中间部分，包括紫外线、可见光和红外线，统称为光学光谱，一般 所谓光谱仅指此部分而言。
③短波部分（高能部分），包括X射线和射线（以及宇宙射线），此 部分可称射线谱，是能量高的谱域。
重要，组织形貌分析借助各种显微技术，认识材 料的微观结构。表面形貌分析技术经历了光学显 微镜(OM)、电子显微镜(SEM)、扫描探针显微镜 (SPM)的发展过程，现在已经可以直接观测到原 子的图像。
13
三种组织分析手段的比较
光学显微镜
分辨率
1000 0 10
扫描探针显微镜 扫描电子显微镜
1000 1