材料现代研究方法样本
现代仪器分析及材料研究方法(绪论)教材
原料（Raw Materials）与材料
由原料到材料 ※原料一般不是为获得产品，而是生产材料，往往伴随化 学变化。 ※材料的特点往往是为获得产品，一般从材料到产品的转 变过程不发生化学变化。
材料与物质(Materials and Matter)
※ 材料可由一种或多种物质组成。 ※ 同一物质由于制备方法或加工方法不同可以得到用途各异 、类型不同的材料。
现代仪器分析及材料研究方法
第一章 绪论
任祥忠 深圳大学化学与化工学院
1
（一）材料的定义 (Definition)
材料 Materials Material：材料科学 （工科）
物质科学 （理科） •Webster编著的“New International Dictionary（1971年） ”中关于材料（Materials）的定义为：材料是指用来制造某些 有形物体（如：机械、工具、建材、织物等的整体或部分）的 基本物质（如金属、木料、塑料、纤维、陶瓷等） •材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状 的物质。
材料科学的发展趋势
1、从简单物质到复杂物质；随着对材料功能化要求的不断提高，构成材料
的基本物质也越来越倾向于从简单物质到复杂物质。
2、从简单结构到结构控制；对于同种材料，结构上的改变可以带来许多崭新
的功能，而对简单的结构加以调控，才可能使功能得到优化。
3、从粉体材料到器件材料；相对于粉体材料而言，当材料制备成器件后会具
冶炼方法——平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢
铸铁 —
灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 蠕墨<4.5g/cm2） 铝、镁、纳、钙
• 重金属 （>4.58/cm2） 铜、镍、铅、锌
• 贵金属
金、银、铂、铑
材料现代研究方法
x射线衍射；
电子显微镜(透射、扫描)； 电子探针； 俄歇电子能谱；
X射线与电子束
化学的方法
热分析技术(差热分析，差示扫描量热，热重分析)； 动态力学分析技术； 红外光谱
晶体学基础
材料现代研究方法讲义
绚丽多姿的晶体
材料现代研究方法讲义
人们通过对天然矿物 外部形态的观察发现， 绝大多数天然矿物常 具有独特的规则几何 多面体的外形，即其 外表多为平整的面所 包围，同时还具有由 二个面相交的直线和 直线会聚的夹角。 人们将这种天然生成的固体称为晶体，称其平 面为晶面，称其直线为晶棱，称晶棱会聚的夹 角为角顶。
材料现代研究方法讲义
晶体并非局限于天然生成的固体。金属和合 金在一般条件下都是晶体，一些陶瓷材料是 晶体，高聚物在某些条件下也是晶体。
材料现代研究方法讲义
一切晶体的内部质点(分子、原子或离子等)都是在 空间有规则地排列着。 晶体是由原子或分子按照一定的周期性规律在空间 重复排列而成的固体物质。
石盐(NaCl)的晶体结构
材料现代研究方法
宫声凯 ，杨光
材料现代研究方法讲义
材料现代研究方法在材料科学与工程中的位置
材料科学与工程中的三大基本问题：
表征
Know what (组成、结构) Know why (组织与结构) Know how (制备、加工)
材料现代研究方法
制备 加工 组织 性能
材料现代研究方法讲义
本课程涉及的范围
材料现代研究方法
反应前后基线偏移时： ① 分别作反应开始前和反应终止后的基线延长线，它们 离开基线的点分别是Ti（反应始点）和Tf（反应终 点），连接TiTp Tf各点，便得到峰面积； ②由基线延长线和通过峰顶作垂线，与DTA或DSC曲线 形成两个近似的三角形，其面积之和表示峰面积。
（四） 差热分析的特点
差热分析不能表征变化的性质。 差热分析本质上仍是一种动态量热。测得的结 果不同于热力学平衡条件下的测量结果。 试样与程序温度（以参比物温度表示）之间的
气氛控制
S
R
炉温控制器
记录器 微伏放大器
2. 差热分析仪
由加热炉、试样容器、热电偶、温度控制系统及放大、 记录系统等部分组成。
（1）加热炉 ——炉内有均匀温度区，使试样均匀受热； ——程序控温，以一定速率均匀升（降）温，控 制精度高； ——电炉热容量小，便于调节升、降温速度； ——炉子的线圈无感应现象，避免对热电偶电流 干扰； ——炉子体积小、重量轻，便于操作和维修。 ——使用温度上限1100℃以上，最高可达1800 ℃ 。
（2）试样容器
——容纳粉末状样品。 ——在耐高温条件下选择传导性好的材料。
——耐火材料：镍（<1300K）、刚玉（>1300K） 等。 ——样品坩埚：陶瓷材料、石英质、刚玉质和钼、 铂、钨等。
(3) 热电偶
差热分析的关键元件； 产生较高温差电动势，随温度成线性关系的变化； 能测定较高的温度，测温范围宽，长期使用无物理、化 学变化，高温下耐氧化、耐腐蚀； 比电阻小、导热系数大； 电阻温度系数和热容系数较小； 足够的机械强度，价格适宜。
升温速度对硫酸钙相邻峰谷的影响
合适
过快
2、压力和气氛
——气氛会影响差热曲线形态。 ——对体积变化大试样，外界压力增大，热反应温 度向高温方向移动。
材料现代研究方法(晶体投影)
衍射矢量方程
s s0 (HKL) 衍射矢量
s s0 2 S sin 2sin s s0 1
d HKL
s
r* HKL
r * H a * Kb* Lc *
厄瓦尔德图解
厄瓦尔德图解：衍射矢量方程与倒易点阵结 合，表示衍射条件与衍射方向。
反射球（衍射球，厄瓦尔德球）：在入射线 方向上任取一点C为球心，以入射线波长 的倒数为半径的球。
利用厄瓦尔德图解释晶体的衍射现象 3、粉末法：试样有极多的小晶粒组成的多晶体
产生衍射的条件：若以入射线与反射球的交 点为原点，形成倒易点阵，只要倒易点落 在反射球面上，对应的点阵面都能满足布 拉格条件，衍射线方向为反射球心射向球 面上其倒易结点的方向。
利用厄瓦尔德图解释晶体的衍射现象 1、劳埃法：单晶体试样固定不动，采用连续X射线
利用厄瓦尔德图解释晶体的衍射现象 2、旋转晶体法：单晶体绕与入射线垂直的轴转动。
材料现代研究方法
仪器性能及其表征 判 据 性能表征 (Criterion) (Figures of Merit) 精密度 标准偏差；相对标准偏差； 变异系数；方差 误差 绝对误差；相对误差 灵敏度 校正灵敏度；分析灵敏度 检测限 空白加 3 倍的空白标准偏差 线性范围 可以分析的浓度范围 选择性 选择性系数 其它原则： 分析速度； 分析难度或方便性； 对操作者的技能要求； 仪器维护及实用性； 分析测试费用。
仪器分析校正方法
所谓校正(Calibration)，就是将仪器分析产生的各 种信号与待测物浓度联系起来的过程。除重量法 和库仑法之外，所有仪器分析方法都要进行“校 正”。 校正方法有三： 标准曲线法；
标准加入法；
内标法。
1） 标准曲线法（Calibration curve，Working curve, Analytical curve） 具体做法： 准确配制已知标准物浓度的系列: 0(空白)，c1，c2， c3，c4……..； 通过仪器分别测量以上各标准物的响应值S0，S1， S2，S3，S4……及待测物的响应值Sx； 以浓度c对响应信号S作图得到标准曲线，然后通 过测得的Sx从下图中求得cx；或者通过最小二乘法 获得其线性方程再直接进行计算。
l 校正曲线的斜率； l 分析的重现性或精密度。
International Union of Pure & Applied Chemistry，即
IUPAC推荐使用“校正灵敏度”或者“校正曲线斜
率”作为衡量灵敏度高低的标准。
60
50
40
S
30 20 10
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
SDL=Sb +k1 sb
S
sb
XRD应用 材料现代研究方法
衍射强度Ip为：
I I 0 sin ( N k d hkl ) / sin ( k d hkl )
2 2
I0为单一晶面在P点的散射强度，由于k//d，而有：
k d hkl
2d hkl sin
现在考虑自hkl偏离时衍射强度I的变化。为此令＝hkl＋D，则：
k d 2d hkl sin( hkl D ) / 2d hkl (sin hkl cos D cos hkl sin D ) /
f S ( x) dx 1 f D ( x) dx 1
在任意一处xi处fD曲线下窄竖条的面积为fD(xi)Dx，此窄条按fS的形状等 面积扩展后在y处的强度Df(y)i是：
Df ( y)i f D ( xi )Dx f S ( y xi )
将fD曲线下所有窄条扩展后在y处的强度加和，即为该处的综合宽 化强度值f(y)。
3、分析方法： （1）获得衍射图后，测量衍射峰的2θ，计算出晶面间距d。并测量 每条衍射线的峰高，以是最高的峰的强度作为100，计算出每条衍 射峰的相对强度I／Il。 （2）根据待测相的衍射数据，得出三强线的晶面间距值d1、d2、 d3（最好还应当适当地估计它们的误差）。 （3）根据d1值，在数值索引中检索适当d组。 （4）在该组内，根据d2和d3找出与d1、d2、d3值符合较好的一些 卡片。 （5）若无适合的卡片，改变d1、d2、d3顺序，再按（2）-（4） 方法进行查找。 （6）把待测相的所有衍射线的 d值和I/Il与卡片的数据进行对比， 最后获得与实验数据一一吻合的卡片，卡片上所示物质即为待测相。
Dd
d
cos D
为了测量方便，以畸变线形的半高宽bhkl作为微畸变宽化效应的 表征，相应的微畸变 Dd 定义为平均微应变。 平
材料现代分析测试方法
材料现代分析测试方法材料的现代分析测试方法是为了研究材料的组成、结构、性质以及相应的测试手段。
通过分析测试方法，我们可以深入了解材料的特点，进而为材料的研发、优化和应用提供有效的数据支持。
下面将介绍几种常用的材料现代分析测试方法。
一、质谱分析法质谱分析法是一种通过测量样品中不同质荷比（m/z）的离子的相对丰度来确定样品组成和结构的分析方法。
质谱分析法适用于分析有机物和无机物。
其优点是能快速分析出物质组成，提供准确的质量数据，对于结构复杂的样品仍能有效分析。
二、核磁共振（NMR）谱学核磁共振谱学是一种通过测量样品中核自旋与磁场相互作用的现象来分析样品结构和组成的方法。
不同核的共振频率和强度可以提供关于样品分子结构和组成的信息。
核磁共振谱学适用于有机物和无机物的分析。
由于从核磁共振谱图中可以获得丰富的结构信息，所以核磁共振谱学被广泛应用于有机化学、药物研发和材料科学等领域。
三、红外光谱学红外光谱学是一种通过测量样品对不同波长的红外辐射的吸收情况来分析样品结构和组成的方法。
不同官能团在红外区域会有特定的吸收峰位，因此红外光谱能提供有关样品中化学键和官能团的信息。
红外光谱学适用于有机物和无机物的分析。
它具有非破坏性、快速、易于操作等特点，在化学、生物和材料科学领域得到了广泛应用。
四、X射线衍射（XRD）X射线衍射是一种通过测量样品对入射X射线的衍射现象来研究样品结构和晶体结构的方法。
不同物质的晶格结构具有不同的衍射图样，通过分析衍射图样可以获得样品的晶体结构信息。
X射线衍射适用于分析有晶体结构的材料，如金属、陶瓷、单晶等。
它能提供关于晶体结构、晶粒尺寸和应力等信息，被广泛应用于材料科学、地质学和能源领域。
五、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）扫描电子显微镜和透射电子显微镜是一种通过聚焦电子束对材料进行观察和分析的方法。
扫描电子显微镜主要用于获得材料的表面形貌、颗粒分布和成分分析。
透射电子显微镜则能提供材料的内部结构和界面微观结构的信息。
材料现代研究方法(10倒易点阵)
b a
a
b
γ-Fe, fcc
Cu3Au, simple cubic
材料现代研究方法讲义
点阵常数
为了表示晶胞的形状和大小， 为了表示晶胞的形状和大小，可将晶胞画在 空间坐标上，坐标轴(又称晶轴) 空间坐标上，坐标轴(又称晶轴)分别与晶胞 的三个棱边重合， 的三个棱边重合，坐标的原点为晶胞的一个 顶点， 顶点，晶胞的棱边长以 a,b,c 表示，棱间夹角 表示， α,β,γ表示 表示。 以α,β,γ表示。棱边 和棱间夹角α, 长a,b,c 和棱间夹角α, β,γ共六个参数称为 β,γ共六个参数称为 点阵常数。 点阵常数。
利用厄瓦尔德图解释晶体的衍射现象 3、粉末法：试样有极多的小晶粒组成的多晶体
空间点阵中的(hkl)面在倒易点阵中用一个结点表示 面在倒易点阵中用一个结点表示 空间点阵中的
晶面与倒易结点的关系
空间点阵
倒易点阵
材料现代研究方法讲义
坐标原点到hkl倒易点的距离等于正点阵 的(hkl)面的面间距的倒数，
uu r 1 r *HKL = d HKL
简单立方的倒易点阵： 体心立方的倒易点阵： 面心立方的倒易点阵： （考虑结构因数之后的倒易点阵） 实空间：平面－－－倒易空间： 实空间：平面－－－倒易空间：线 －－－倒易空间
二维问题一维化处理
材料现代研究方法讲义
正点阵和倒易点阵中基本平移矢量之间的关系 r r r 正点阵基本平移矢量： a , b , c
uur uu uu r r 倒易点阵基本平移矢量： a *, b *, c *
rr r rr r rr r 晶胞体积 V = a b × c = b c × a = c a × b r r r r uur b × c r uur r uu r uu r r b×c a*= = r r r a a* = b b* = c c* =1 V a ⋅b × c r r r r r uu r uu r uur r r uu c × a r c×a a b* = b c* = c a* = 0 b* = =r r r
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第一章
一、选择题
1.用来进行晶体结构分析的X射线学分支是( B )
A.X射线透射学;
B.X射线衍射学;
C.X射线光谱学;
D.其它
2. M层电子回迁到K层后, 多余的能量放出的特征X射线称( B )
A.Kα;
B. Kβ;
C. Kγ;
D. Lα。
3. 当X射线发生装置是Cu靶, 滤波片应选( C )
A．Cu; B. Fe; C. Ni; D. Mo。
4. 当电子把所有能量都转换为X射线时, 该X射线波长称( )
A.短波限λ0;
B. 激发限λk;
C. 吸收限;
D. 特征X射线
5.当X射线将某物质原子的K层电子打出去后, L层电子回迁K层, 多余能量将另一个L层电子打出核外, 这整个过程将产生( ) ( 多选题)
A.光电子;
B. 二次荧光;
C. 俄歇电子;
D. ( A+C)
二、正误题
1. 随X射线管的电压升高, λ
0和λ
k
都随之减小。
( X )
2. 激发限与吸收限是一回事, 只是从不同角度看问题。
( )
3. 经滤波后的X射线是相正确单色光。
( )
4. 产生特征X射线的前提是原子内层电子被打出核外, 原子处于激发状态。
( )
5. 选择滤波片只要根据吸收曲线选择材料, 而不需要考虑厚度。
( )
三、填空题
1. 当X射线管电压超过临界电压就能够产生X射线和X射线。
2. X射线与物质相互作用能够产生、、、、
、、、。
3. 经过厚度为H的物质后, X射线的强度为。
4. X射线的本质既是波长极短的电磁波也是 , 具有波粒二象性性。
5. 短波长的X射线称软X射线 , 常见于 ; 长波长的X射线称硬X射线, 常见于。
1.X射线的本质是什么? 它与可见光、紫外线等电磁波的主要区别何在? 用
哪些物理量描述它?
2.Ⅹ射线与物质有哪些相互作用? 规律如何? 对x射线分析有何影响? 反冲
电子、光电子和俄歇电子有何不同?
3.如果用1mm厚的铅作防护屏, 试求Cr Kα和Mo Kα的穿透系数。
4.试计算Cu的K系激发电压。
( 答案: 8980Ⅴ)
5.试计算Cu的Kαl射线的波长。
( 答案: 0.1541 nm) .
第二章
一、选择题
1.有一倒易矢量为*
+
*
+
*
=
*c
b
a
g2
2, 与它对应的正空间晶面是( ) 。
A. ( 210) ;
B. ( 220) ;
C. ( 221) ;
D. ( 110) ; 。
2.有一体心立方晶体的晶格常数是0.286nm, 用铁靶K
α( λK
α
=0.194nm) 照
射该晶体能产生( ) 衍射线。
A. 三条; B .四条; C. 五条; D. 六条。
3.一束X射线照射到晶体上能否产生衍射取决于( ) 。
A．是否满足布拉格条件; B．是否衍射强度I≠0; C．A+B; D．晶体形状。
4.面心立方晶体( 111) 晶面族的多重性因素是( ) 。
A．4; B．8; C．6; D．12。
二、正误题
1.倒易矢量能唯一地代表对应的正空间晶面。
( )
2.X射线衍射与光的反射一样, 只要满足入射角等于反射角就行。
( )
3.干涉晶面与实际晶面的区别在于: 干涉晶面是虚拟的, 指数间存在公约数n。
( )
4.布拉格方程只涉及X射线衍射方向, 不能反映衍射强度。
( )
5.结构因子F与形状因子G都是晶体结构对衍射强度的影响因素。
( )
三、填空题
1.倒易矢量的方向是对应正空间晶面的 ; 倒易矢量的长度等于对
应。
2.只要倒易阵点落在厄瓦尔德球面上, 就表示该满足条件, 能产
生。
3.影响衍射强度的因素除结构因素、晶体形状外还
有 , , , 。
4.考虑所有因素后的衍射强度公式为 ,
对于粉末多晶的相对强度为。
5.结构振幅用表示, 结构因素用表示, 结构因素=0时没有衍射我
们称或。
对于有序固溶体, 原本消光的地方会出现。
四、名词解释
1.倒易点阵——
2.系统消光——
3.衍射矢量——
4.形状因子——
5.相对强度——
1、试画出下列晶向及晶面( 均属立方晶系) : [111]。
[121], [21-
2], ( 0
-
10)
( 110) , ( 123) ( 21-
1) 。
2、下面是某立方晶系物质的几个晶面间距, 试将它们从大到小按次序重新排
列。
( 12-
3) ( 100) ( 200) (
-
311) ( 121) ( 111) (
-
210) ( 220) ( 030)
( 2-
21) ( 110)
3、当波长为λ的X射到晶体并出现衍射线时, 相邻两个( hkl) 反射线的程差是多少? 相邻两个( HKL) 反射线的程差又是多少?
4、画出Fe
2B在平行于( 010) 上的部分倒易点。
Fe
2
B属正方晶系, 点阵参数
a=b=0.510nm,c=0.424nm。
5、判别下列哪些晶面属于[-
111]晶带: (
-
110) , ( 1
-
33) , ( 1
-
12) , (
-
132) ,
( 0-
11) , ( 212) 。
6、试计算( -
311) 及(
-
132) 的共同晶带轴。
8、画出六方点阵( 001) *倒易点, 并标出a*,b*, 若一单色X射线垂直于b 轴入射, 试用厄尔德作图法求出( 120) 面衍射线的方向。
13、计算钠原子在顶角和面心, 氯原子在棱边中心和体心的立方点阵的结构因数, 并讨论。
第三章
五、选择题
1.最常见的X射线衍射方法是( ) 。
A. 劳厄法;
B. 粉末多法;
C. 周转晶体法;
D. 德拜法。
2.德拜法中有利于提高测量精度的底片安装方法是( ) 。
A. 正装法;
B. 反装法;
C. 偏装法;
D. A+B。
3.德拜法中对试样的要求除了无应力外, 粉末粒度应为( ) 。
A. <325目;
B. >250目;
C. 在250-325目之间;
D. 任意大小。
4.测角仪中, 探测器的转速与试样的转速关系是( ) 。
A. 保持同步1﹕1 ;
B. 2﹕1 ;
C. 1﹕2 ;
D. 1﹕0 。
5.衍射仪法中的试样形状是( ) 。
A. 丝状粉末多晶;
B. 块状粉末多晶;
C. 块状单晶;
D. 任意形状。
六、正误题
1.大直径德拜相机能够提高衍射线接受分辨率, 缩短暴光时间。
( )
2.在衍射仪法中, 衍射几何包括二个圆。
一个是测角仪圆, 另一个是辐射源、探测器与试样三者还必须位于同一聚焦圆。
( )
3.选择小的接受光栏狭缝宽度, 能够提高接受分辨率, 但会降低接受强度。
( )
4.德拜法比衍射仪法测量衍射强度更精确。
( )
5.衍射仪法和德拜法一样, 对试样粉末的要求是粒度均匀、大小适中, 没有应力。
( )
七、填空题
1.在粉末多晶衍射的照相法中包括、和。
2.德拜相机有两种, 直径分别是和Φ mm。
测量θ角时, 底片上。