材料现代分析与测试技术-各种原理及应用

XRD ：
射线产生机理：
（1）连续X 射线的产生：任何高速运动的带电粒子突然减速时，都会产生电磁辐射。

①在X 射线管中，从阴极发出的带负电荷的电子在高电压的作用下以极大的速度向阳极运动，当撞到阳极突然减速，其大部分动能变为热能都损耗掉了，而一部分动能以电磁辐射—X 射线的形式放射出来。

②由于撞到阳极上的电子极多，碰撞的时间、次数及其他条件各不相同，导致产生的X 射线具有不同波长，即构成连续X 射线谱。

（2）特征X 射线：根本原因是原子内层电子的跃迁。

①阴极发出的热电子在高电压作用下高速撞击阳极；
②若管电压超过某一临界值V k ，电子的动能（eV k ）就大到足以将阳极物质原子中的K 层电子撞击出来，于是在K 层形成一个空位，这一过程称为激发。

V k 称为K 系激发电压。

③按照能量最低原理，电子具有尽量往低能级跑的趋势。

当K 层出现空位后，L 、M 、N……外层电子就会跃入此空位，同时将它们多余的能量以X 射线光子的形式释放出来。

④K 系：L, M, N, ...─→K ，产生K α、K β、 K r ... 标识X 射线
L 系：M, N, O,...─→L ，产生L α、L β... 标识X 射线 特征X 射线谱
M 系: N, O, ....─→M ，产生M α... 标识X 射线 特征谱Moseley 定律 2)(1
αλ-•=Z a Z:原子序数，a 、α：常数 射线与物质相互作用的三个效应
（1）光电效应
•当 X 射线的波长足够短时，X 射线光子的能量就足够大，以至能把原子中处于某一能级上的电子打出来，
•X 射线光子本身被吸收，它的能量传给该电子，使之成为具有一定能量的光电子，并使原子处于高能的激发态。

（2）荧光效应
①外层电子填补空位将多余能量ΔE 辐射次级特征X 射线，由X 射线激发出的X 射线称为荧光X 射线。

②衍射工作中，荧光X 射线增加衍射花样背影，是有害因素
③荧光X 射线的波长只取决于物质中原子的种类(由Moseley 定律决定)，利用荧光X 射线的波长和强度，可确定物质元素的组分及含量，这是X 射线荧光分析的基本原理。

（3）俄歇效应
俄歇效应是外层电子跃迁到空位时将多余能量ΔE 激发另一个核外电子，使之脱离原子。

这样脱离的电子称为俄歇电子。

3.衍射理论
（1）衍射几何条件：
Bragg 公式 + 光学反射定律 = Bragg 定律
Bragg 公式：2 d Sin θ = n λ n ——整数，称为衍射级数
d ——晶面间距，与晶体结构有关
θ ——Bragg 角 或 半衍射角
2θ衍射角(入射线与衍射线夹角)
光学反射定律：当一束X 射线照射到晶体上时, 发生镜面反射散射线、入射线与晶面法线共面，且在法线两侧散射线与晶面的交角等于入射线与晶面的交角。

（2）衍射强度：I 相对 = F 、P 、θ分别为结构因数、重复因数、布拉格角
4.应用
在无机非金属材料研究中的一些常规分析测试中的主要应用方面： （1）物相分析 （2）晶胞参数测定 （3）晶体试样中晶粒大小、应力和应变测定 （4）相图或固溶度测定 （5）单晶材料：判断晶体对称性和晶体取向方位、观察晶体缺陷、研究晶体完整性 TEM
1.工作原理：
（1）聚焦电子束作照明光源：电子枪产生的电子束，经1-2级聚光镜会聚后，均匀地照射试样上的某一待观察的微小区域上。

（2）透射电子作为成像信号：电子束与试样作用，试样很薄——透射电子——其强度分布
与试样的形貌、组成、结构对应。

（3）透射出的电子经一系列透镜放大投射到荧光屏上。

（4）荧光屏把电子强度分布转变为可见光强度分布———图像 （阴极射线发光过程） 工作过程概括： ①电子枪发出电子束→②经会聚透镜会聚 → ③照射并穿透试样 →④经物镜成像 → ⑤中间镜投影镜放大→ ⑥电子显微像 (屏或底片)
2.应用
在无机材料中的应用：
（1）纳米材料：确定粉末颗粒的外形轮廓、轮廓清晰度、颗粒尺寸大小和厚薄、粒度分布和聚焦或准叠状态
（2）薄膜形貌：表面形貌及结构
（3）陶瓷材料：研究陶瓷材料晶粒、晶界及断口形貌
（4）晶体缺陷观察：晶界位错及其他界面，表面结构的TEM 观察，在高压电镜中晶体缺陷的动态观察和晶体缺陷的精细结构研究
（5）静态及晶格结构的确定
3.影响因素
（1）试样 SEM
1.工作原理：
(1)电子枪→电子束（交叉斑为电子源）→ 聚焦 →微细电子束（一定能量、束流强度、束斑直径） ；
(2)在试样表面扫描（时间、空间顺序栅网式扫描）
(3)产生二次电子、背散射电子、吸收电子、特征X 射线及其它物理信号；
2
3
220220001()()32()2:
::M e I I A e V mc R V S A V I V λθπθμλθ-=⋅⋅⋅⋅=式中符号意义: 入射X 光束强度,为非偏振光 入射X 的波长;
R:观察点与试样之间的距离（衍射仪半径）; 晶胞体积; e,m,c 分别为电子的电荷、质量；光速; ,F,P 分别为布拉格角、结构因数、重复因数;
S 、V:受X 光照射θ-2M 的试样面积和体积; A(),e 分别为吸收因数、温度因数;
(3)探测器收集背散射电子、二次电子等信号→电讯号→视频放大→显像管成像。

2.应用
（1）粉末颗粒观察：确定粉末颗粒的外形轮廓、轮廓清晰度、颗粒尺寸大小和厚薄、粒度分布和聚焦或准叠状态
（2）薄膜形貌观察
（3）陶瓷断口形貌观察
（4）缺陷观察
DSC
1.工作原理
功率补偿型DSC ：在试样和参比物容器下各装有一组补偿。

当出现温差（ΔT）时：
试样吸热，补偿放大器使试样热丝电流增大；至ΔT=0
试样放热，则使参比物热丝电流增大，至ΔT=0 。

DSC常与 DTA组装在一起，用更换样品杆和增加功率补偿单元达到既可作DSC，又可作 DTA 。

2.应用
(1)玻璃化转变温度的测定
(2)熔融和结晶温度的测定
(3)确定水在化合物中的存在状态
(4)转变点的测定
(5)洁净度的测定
(6)二元相图的测绘
3.影响因素
（1）试样特性：样品用量、粒度、试样几何形状
（2）实验条件：升温速率、气体性质
IR
1.工作原理
物质因受光的作用，引起分子或原子基团的共振，从而产生对光的吸收。

如果将透过物质的光辐射用单色器加以色散，使波长按长短依次排列，同时测量在不同波长处的辐射强度，得到的是振动光谱，又叫吸收光谱。

（1）如果用的光源是红外光波，即～1000μm，就是红外吸收光谱。

（2）如果用的是强单色光，例如激光，产生的是激光拉曼光谱。

2.应用
无机：（1）物质化学组成的分析：
①定性分析：根据谱的吸收频率的位置和形状来判断定未知物；
②定量分析：按其吸收的强度来测定它们的含量。

（2）作分子结构的基础研究：测定分子的键长、键角大小，并推断分子的立体构型；或根据所得的力常数，间接得知化学键的强弱；也可以从正则振动频率来计算热力学函数等。

3.影响因素
（1）试样制备：纯度、稳定性、含水量
（2）测试条件对红外光谱的影响：
1）物理状态：对基团的吸收频率影响较小，但对峰的形状有很大的影响。

气态——峰宽且矮,小分子物质有可能具有精细结构；
液态——吸收带变窄，峰位稍有移动；
固态——吸收带更复杂，峰形更尖锐。

2）溶剂的影响（极性和氢键的形成）
3）溶液的浓度与温度
4）样品的浓度和厚度
5）仪器的性能
6）样品表面反射的影响。