材料科学的研究方法
材料科学技术的研究与应用
材料科学技术的研究与应用材料科学是现代科学技术的重要组成部分，它研究各种材料的结构、性质、制备和应用等问题，对提高制造业和其他相关产业的技术水平、促进经济发展具有重要意义。
材料科学技术的研究与应用细分为多个领域，下文将从各个方面谈谈其研究和应用现状。
1. 材料结构和性能研究材料科学的一个重要研究方向是研究各种材料的结构和性能。
通过对材料的原子、分子和晶体结构的深入分析，可以了解材料的物理化学性质，为材料的制备和应用提供基础。
例如，材料学家可以通过对催化剂材料的结构分析，了解催化剂的活性中心，优化催化反应条件，提高反应效率。
此外，材料科学家还可以通过研究材料的力学性能、电学性能、热学性能等方面来精确评估材料的性能。
例如，通过测试材料的强度、硬度、塑性、韧性等物理性能，可以了解材料在抗外力作用下的性能，为其在工程中的应用提供依据。
2. 材料制备技术研究材料制备技术是材料科学技术的核心之一，也是材料学家们必须掌握的技能之一。
材料制备技术涉及各种材料的制备方法，包括化学合成、物理合成、生物制备等方法，也涉及材料的表面处理方法、功能改性方法等。
通过技术手段的提高，可以制备出多种新型材料，如高分子材料、纳米材料、超导材料等，为社会发展带来了福利。
3. 材料应用研究材料科学技术的研究离不开材料的应用。
材料的应用涉及到广泛的领域，比如建筑材料、电子器件、汽车、航空航天、能源等。
在材料应用的研究中，材料学家不仅需要了解材料的性质和结构，还需要深入了解材料的应用环境和应变状态，以确保材料的性能可以最大程度发挥。
另外，材料应用的研究还需要考虑到材料的成本问题，确保材料在应用中的性价比能够得到保证。
比如，对于一些需要耐磨、耐高温的材料，可以通过降低制备成本、提高制备效率的方法来增强材料的竞争力。
4. 材料利用重大科技项目我国在材料科学技术的研究和应用方面已取得了很多重要的成就，在高温超导、新型电池、聚合物和复合材料等方面已具有一定的国际竞争力。
材料科学的研究新思路
材料科学的研究新思路材料科学是研究材料的制备、性能和应用的学科，它广泛应用于工业领域、医疗保健、能源技术和环境保护等方面。
随着科技的不断发展，材料科学也面临着新的挑战和机遇。
针对当前材料科学的研究状况，我们需要探索一些新思路，以更好地推动材料科学的发展。
一、材料基因组学材料基因组学是将基因组学理念应用于新材料开发的一种方法。
通过对材料组成元素等材料基因组数据的收集，以及对材料物理化学性质与结构信息的理解，从而实现材料设计的高效化和精细化。
这种方法可以大大加快新材料的研制过程，降低研发成本，并提升制备的材料性能。
在人们对材料性能更高要求的情况下，材料基因组学也必将成为材料科学的新方向。
二、仿生学自然界中存在着许多智慧构造，仿生学正是通过对自然界中的智慧构造的分析和仿制，来实现新材料的开发。
以蛋白质分子为例，通过对蛋白质分子的结构分析和模拟实验，可以制定相应的合成计划，让新材料具有与蛋白分子相似的性能和特点。
当然，仿生学也可以在吸附、分离和过滤等领域得到应用。
通过仿生学，我们可以更好地学习和利用自然界的智慧，实现新材料的复制研制。
三、纳米孪生纳米孪生属于一种新型的制备材料方法，它的出现很大程度上得益于纳米科学的进步。
纳米孪生是一种制备单晶纳米材料的方法。
通俗地说，就是通过将材料分子“对折”到一起，并在其间贯穿微小空隙来得到纳米孪生单晶。
这种方法不需要使用有机试剂，也不需要额外的热处理，因此成本和污染都极低。
通过纳米孪生技术，我们可以轻松地制备出高性能的单晶纳米材料。
四、多尺度模拟多尺度模拟是一种将不同尺度上对材料的组成、结构与性能进行多角度分析的技术，在材料研究中得到了广泛应用。
对于复杂的材料体系，多尺度模拟可以通过快速计算得到模拟结果，然后由实验进行验证，大大加快材料研究的速度。
多尺度模拟技术具有高效性、快速性、低成本和高精度等优势，可以进行大量的数据挖掘和研究分析，这是材料研究中的重要工具之一。
材料科学研究的四个范式
材料科学研究的四个范式
材料科学研究的四个范式指的是：理论模拟、实验制备、表征分析和应用评价。
这四个范式相互支撑、互相交织，构成了材料科学研究的核心框架。
一、理论模拟：通过计算机模拟和理论计算，预测材料的结构、性质和行为。
这种方法可以为实验的设计和解释提供指导，也可以发现新材料的奇特性质，为实验铺平道路。
二、实验制备：通过化学合成、物理制备或其他方法，制备出具有特定结构和性质的材料。
这种方法可以为表征和应用提供必要的样品和条件，也可以发现新材料的结构和性质。
三、表征分析：通过一系列的实验手段，研究材料的结构、组成、形态和性质。
这种方法可以为理论模拟和应用评价提供重要的数据和信息，也可以发现材料的微观机制和宏观行为。
四、应用评价：通过应用实验、模拟和理论计算等手段，评价材料的性能和应用前景。
这种方法可以为材料科学的应用提供指导和支持，也可以为新材料的发现和开发提供方向。
这四个范式的发展离不开科技的进步和研究人员的不断努力。
未来，随着新技术的涌现和新材料的发现，材料科学研究的范式也会不断拓展和完善。
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材料科学!!!研究方法
材料科学研究方法概述一．材料的定义、特点与分类1.定义物质经材料合成或材料化后才成为材料，材料具有指定工作条件下使用要求的形态和物理状态的物质。
2.分类材料按物理化学属性可分为：金属、无机非金属、高分子材料、复合材料；按来源可分为：天然材料和人造材料；按用途可分为：功能材料和结构材料；按状态可分为：气态、固态和液态。
3.材料的几大效应（1）材料的界面效应材料的界面有晶界、相界、亚晶界、孪晶界等。
材料的力学性能、物理性能及化学、电化学性能都与材料的各种界面有着非常密切的关系。
材料的形变、断裂与失效过程，起源于各种界面的占了大部分，材料加工过程中的各种变化也基本上都与界面有关。
界面的研究在材料科学中有着重要的地位。
不同材料的界面有以下几种效应。
A.分割效应。
是指一个连续体被分割成许多小区域，其尺寸大小、中断程度、分散情况等对基体力学性能及力学行为的影响；B.不连续效应。
界面上引起的结构、物理、化学等性质的不连续和界面摩擦出现的现象，如电阻、介电特性、耐热性、尺寸稳定性等；C.散射和吸收效应。
界面处对声波、光波、热弹性波、冲击波等各种波产生的散射和吸收，影响材料的透光性、隔热性、隔音性、耐冲击性等；D.感应效应。
界面产生的感应效应，特别是应变、内部应力及由此产生的某些现象，如高的弹性、低的热膨胀性、耐热性等。
界面问题涉及界面两侧原子的对势、电子态和电子结构、界面原子键合的性质、结合能、界面两侧晶体结构和界面晶体结构的关系、界面切变模量、界面位错形核与反应、环境对界面过程的影响等多方面的问题。
界面的热力学、界面偏析、界面扩散、界面化学反应等都是材料科学中的重要问题，特别是纳米材料的界面及其新的效应、复合材料的界面更是现代材料科学研究中的热点。
（2）材料的表面效应晶体表面也是材料界面的一种，只是材料的固体表面和周围介质（气体、液体）的界面。
材料表面的原子、分子或离子具有未饱和键，并且由于结构的不对称而造成晶格畸变，所以材料表面都具有很高的反应活性和表面能，而且具有强烈降低其表面能，力求处于更稳定能量状态的倾向。
材料科学研究与测试方法
材料科学研究与测试方法
材料科学研究是关于材料的性质、结构、制备和应用等方面的研究。
为了深入了解材料的特性和性能，需要使用一系列的测试方法来进行材料的分析和表征。
下面是一些常用的材料科学研究与测试方法：
1. X射线衍射分析：通过照射材料样品，通过测量材料对X射线的衍射模式来确定材料的晶体结构和晶格参数。
2. 扫描电子显微镜（SEM）：通过扫描电子束与材料表面的相互作用，获取高分辨率的表面形貌和形态信息。
3. 透射电子显微镜（TEM）：通过透射电子束与材料的相互作用，观察材料的微观结构和晶体缺陷。
4. 热重分析（TGA）：通过监测材料在升温过程中的质量变化，来确定材料的热稳定性和热分解特性。
5. 差示扫描量热仪（DSC）：通过测量材料在升温和降温过程中的热流量变化，来研究材料的相变、热性能和热分解行为。
6. 红外光谱（IR）：通过测量材料对红外辐射的吸收和散射，来确定材料的分子结构和官能团。
7. 核磁共振（NMR）：通过测量材料中的核自旋共振现象，来确定材料的分子结构和化学环境。
8. 拉伸试验：通过施加外力，测量材料在拉伸过程中的力学性能，如强度、延展性和弹性模量等。
9. 硬度测试：通过施加外力，测量材料在表面的压痕大小，来评估材料的硬度和耐磨性。
10. 电导率测量：通过测量材料的电导率，来评估材料的导电性能和电子迁移性能。
以上是材料科学研究与测试方法中的一部分，不同的材料和研究目的会选择不同的测试方法来进行材料的表征和分析。
材料科学的研究方法论
若采用逻辑学中真实定义的“属十种差”方法来定义材料，则“材料是人类社会所能接受的、经济地制造有用器件（或物品）的物质”。
1．材料的五个基础环节性能、结构、环境、过程、能量是材料的五个基础环节。
各种环境作用于结构，发生过程，导致结果，或产生新结构，或表现为性能；新结构又返回到原结构；某些性能如韧性、铁损等又是能量参量；过程的结果也会影响环境；环境与结构之间又可交换能量。
能量控制结构的稳定性和过程的进行，运用各类基础科学，可从结构计算能量。
从哲学的角度看：过程是变化；环境是变化的外因，是变化的条件；结构是变化的内因，是变化的根据；外因通过内因而起作用，新结构或性能都是变化的结果。
（1）性能材料的性能是一种参量,用于表征材料在给定外界条件下的行为。
这个定义对性能分析方法有三点启示:性能必须定量化；从行为的过程去深入理解性能；重视环境对于性能的影响。
材料是一种系统,材料的性能便是系统的功能,也就是系统的输出或响应,而影响材料性能的外界条件,便是系统的输入、刺激或感受.可以采用不同的方法来划分材料的性能,从而明确它的外延.若从系统功能分析方法,从输出与输入的关系,即对刺激的不同响应将材料的性能划分为反射、吸收、传导、转换感受四大类性能.设输入及输出分别为i及j,材料的性能分别为Pij,则当i及j为1、2、3、4、5、6及7时,分别为力、声、热、光、电、磁及化学信息,材料性能Pij有:当j=i时,为反射、吸收及传导性能,共21种；当j1i,则有42种可能的转换性能,例如P15为压电性,P35为热电性.当有多种输入(i1,i2……im)及多种输出(j1,j2……jn)时,则Pij可改写为P(i)(j) ,例如,当力学及化学因素协同作用于金属材料而发生”应力腐蚀断裂”时,反映这种现象的材料性能为P(1,7)(1).材料性能的分析方法有四种：若不知系统的结构,则系统是黑箱,因而有黑箱法；若系统的结构已知,则有相关法和过程法；考虑环境的有害和有益作用,则有环境法.黑箱法非材料专业的工作者,由于不知道或不需要知道材料的内部结构,认为它是一个“黑箱”,从输入与输出的实验关系来定义或理解性能.若输入为X,输出为Y,从实验确定:Y=K?X.式中,K叫做传递函数,如弹性模量E、电阻R及膨胀系数α.应用黑箱法所确定的关系式要注意它们的适用范围,因为这些关系式是用归纳法获得的,当条件不符合时,关系式就应作相应的修正.此外黑箱法只能表象地“解释”客观世界,它能提供输入与输出之间的定量关系;它不能“改造”客观世界,因为它不能提出传递系数及性能的物理意义及影响因素,更不能提出改变性能的措施.相关法依据大量的实验数据，用统计方法建立性能与结构之间的相关性经验方法。
如何进行材料科学的研究
如何进行材料科学的研究材料科学是一门交叉学科，研究物质的结构、性质、合成方法和应用。
随着科技的不断进步，材料科学在诸多领域得到广泛应用，如电子、光电、生物、新能源等。
那么，如何进行材料科学的研究呢？本文将从理论、实验和仿真三个方面阐述材料科学的研究方法。
一、理论研究理论研究是材料科学研究的第一步，也是最为基础的一步。
在进行理论研究时，需要先对所研究材料的基本结构、性质进行归纳总结，建立数学模型，并运用物理学、化学等相关知识进行分析推导。
理论研究的重点在于理清材料内部机理，从而提出可行的实验方案，进行材料性质的预测和改进。
例如，纳米材料的研究，需要通过理论分析计算纳米晶内部的各种缺陷，水平面、晶体界面的结构和能量等，从而得到对纳米材料热力学性能的把握。
而在太阳能电池材料的研究中，理论研究可以预测出新材料的带隙、吸收光谱和电荷转移等性质，为实验研究提供有针对性的方向。
二、实验研究理论研究提出了许多假设和预测，而实验则是验证和印证这些假设的重要手段。
在实验研究中，通过设计实验方案，合理选择实验条件，可以得到材料的各项性质指标，如导电性、磁性、光学等。
实验研究需要精细仔细，同时还需要注意材料的稳定性和可重复性，保证实验结果的准确性。
例如，在合成一种新型纳米材料时，实验研究首先需要选择合适的合成方法，严格控制实验条件，如反应温度、时间、反应剂配比等。
在实验过程中，可以通过透射电镜、扫描电镜等仪器观察材料的形貌和结构，并通过X射线、电子能谱等技术检测材料的性质。
而在太阳能电池材料的研究中，实验研究可以通过外部光学监测，测定样品的光吸收率、光电流等参数，获得对材料光电性质的直接评价。
三、仿真研究随着科技的不断发展，仿真研究在材料科学中得到了广泛应用。
仿真研究通过计算机模拟，可以在短时间内生成大量的数据，并预测材料的性质和行为。
同时，在仿真研究中可以对材料体系进行微观结构的揭示和宏观性能的分析，减少实验研究中所需的大量时间和经济成本。
材料科学的研究重点
材料科学的研究重点材料科学是一门涵盖了众多材料领域的综合性学科，其研究重点主要包括以下几个方面：一、新型材料的研究与开发随着科技的不断发展，新型材料的研究与开发成为了材料科学领域的重要方向之一。
新型材料不仅具有更高的性能和更广泛的应用领域，还能够为人类解决能源、环境、医疗等领域的重大问题提供新的解决方案。
目前，材料科学家们正在积极探索新型金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料等，其中一些新型材料已经在实际应用中取得了显著的成果。
二、材料的性能优化与设计材料的性能是决定其应用领域和效果的关键因素之一。
因此，材料的性能优化与设计是材料科学研究的另一个重要方向。
通过深入了解材料的微观结构和性能之间的关系，我们可以更好地设计和制备出具有特定性能的材料，以满足不同领域的需求。
此外，材料设计还包括了材料的可回收利用、环保等方面的考虑，这也是材料科学研究的重要方向之一。
三、材料的制备技术材料的制备技术是材料科学研究的重要支撑之一。
随着科技的不断发展，新型的制备技术不断涌现，如纳米技术、3D打印技术、生物技术等。
这些技术的应用不仅可以提高材料的性能和生产效率，还能够为人类解决资源短缺、环境污染等问题提供新的解决方案。
此外，材料的制备技术还需要考虑到材料的成本和生产过程中的安全与环保问题，这也是材料科学研究的重要方向之一。
四、材料的实际应用与评价材料科学的最终目标是将其应用于实际生产和生活之中，因此材料的实际应用与评价也是材料科学研究的重要方向之一。
在实际应用中，需要对材料的性能、可靠性、安全性等方面进行全面评估和测试，以确保其能够满足不同领域的需求。
此外，材料的实际应用还需要考虑到其与其他材料的兼容性、生产成本等方面的因素。
总之，材料科学的研究重点涉及多个方面，包括新型材料的探索、性能优化与设计、制备技术的研究与应用以及实际应用与评价等。
这些研究将为人类解决能源、环境、医疗等领域的重大问题提供新的解决方案，同时也将推动材料科学的不断发展。
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第一讲
SEM / EPMA / EDX / WDX
（扫描电子显微镜） （电子探针微区分析） （x-射线电子能谱） （x-射线电子波谱）
光学显微镜的原理
光学显微镜的不足之处
放大倍数的极限： 2000
分辨率的极限： 0.2m （可见光照明）
景深的极限： 0.1m （要求金相准备）
不能分析化学成分
SEM的解决方法
用波长较短的电子波为光源 (25kV时=0.007nm ) 10-100000, 5nm
扫描方式导致长物距 数十 m （1000 时，不要求金相准备）
分析电子束诱发的原子内层电子跃迁产生的特征x射线
SEM的结构
SEM的扫描成象
SEM中产生的信息
电子： 二次电子 背散射电子 俄歇电子
材料科学的研究方法
Instrumental Analysis in Materials Science
引言
为什么要学习研究方法 研究对象的需要------控制材料的制备和性能 专业培养的要求------培养的是高级专门人才
研究方法课程涉及的内容 所有与材料的表征问题有关的方法 注重的问题： (1) 材料的成分 (2) 材料的结构 (3) 材料的性能
电子的逃逸深度
电子的逃逸深度
电子被原子的散射几率
SEM三种模式的分辨本领
SEM的其他工作模式
通道花样——晶体学取向 样品电流——与背散射电流互补 磁畴衬度——洛仑兹力 电压衬度——半导体器件的电位分布 电子束诱发电流——电子束产生载流子 阴极发光——电子束产生可见光发射 其他——点、线、面信号处理技术
EDX / WDX的比较
EDX / WDX的比较
EDX的特点： 快 能量分辨力低 轻元素差 检测限0.1%
WDX的特点：慢 能量分辨力高 轻元素较好 检测限0.01%
SEM产生的电子谱
SEM中各种电子的产额
ห้องสมุดไป่ตู้
SEM中电子信号的探测 ——电子收集器
SEM的二次电子象衬度——拓扑衬度
SEM的景深 WD / d / M
SEM的应用： 断裂断口的分析
SEM的应用： 裂纹扩展过程的实时观察
SEM的应用： 集成电路分析
SEM的最新附件： EBSD 技术
（电子背散射衍射技术）
EBSD系统附件的构成
SEM所获得的菊池花样
EBSD分析系统的构成
冷轧铝箔在再结晶初期的EBSD分析结果
(上图) 晶粒取向图（彩图） (下图) [111]方向极图
x-射线： 特征x-射线 连续x-射线
通道花样
样品电流
其他
SEM产生的x-射线谱
h=EK-EL
x-射线谱的标定规则
h=E-E
特征x-射线的能量与原子序数
SEM产生的x-射线谱
x-射线能谱的Si(Li)探测器
Ti合金的x-射线能谱
超薄窗口获得的Al-Si合金的x-射线能谱
x-射线波谱仪
引言
材料研究方法的一般特征
引言
提倡的研究方法 创新的精神 多方法的结合运用 吃苦的准备 合作的精神
本课程的授课特点 有选择性地介绍某些常用方法 介绍方法的原理和应用范围，而不强调细节
材料科学的研究方法
材料科学家
材料制备与性能
分析工程师
应用工程师
授课内容
（最常用的研究方法）
SEM / EPMA / EDX / WDX AES / XPS (ESCA) MS / SSMS / SIMS / LMMS RBS/ISS(LEISS)/ERS(FRS) SPM ：STM / AFM / MFM / NSOM / SThM / Confocal optical microscopy
授课内容
（最常用的研究方法）
FIM / AP / IAP GD-OES/XRF/PIXE/NRA/PIGE Mssbauer Spectroscopy
参考书目
马如璋等，材料物理现代研究方法．冶金工业出 版社，1997. R.E.Whan et al, Materials Characterization, Metals Handbook，Vol.10, 9th Edition, ASM, 1986. D.Brune et al, Surface Characterization, WileyVCH, 1997. J.B.Wachtman, Characterization of Materials, Butterworth-Heinemann, 1993.
钒单晶的（111）通道花样（背散射电子）
矽钢片的磁畴（背散射电子）
SEM的应用：比光学显微镜分辨率更高
SEM的应用：结构分析与成分分析结合
SEM的应用： 二次电子(左)与背散射电子象(右)
SEM的应用：结构象与成分象
SEM的应用：景深的优势
SEM的应用：景深的优势
SEM的应用：成分线扫描
碳钢再结晶组织的 EBSD分析结果(彩 图)
(a)菊池花样质量分布图 (b)晶粒取向分布图 (c)晶粒边界取向差图 (d)<111>取向分布图
SEM的应用： ——超塑性变形Al-Li 合金的[111]背散射极图
美丽的错误---Diamond 或 C3N4?
第一讲 SEM/EPMA/EDX/WDX 小结
用途：微观形貌、组织、成分分析 特点：微区形貌与成分分析相结合
（轻元素除外） 放大倍率范围大（10-100,000） 分辨本领高（可达 3nm） 景深大（提高约数百倍） 使用简便