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1、2015年材料现代分析方法试题-小百合1. 请简述XRD谱图分析的基本原理、一般方法及注意事项。基本原理红外线和可见光一样都是电磁波，而红外线是波长介于可见光和微波之间的一段电磁波。红外光又可依据波长范围分成近红外、中红外和远红外三个波区，其中中红外区（2.525m；4000400cm-1）能很好地反映分子内部所进行的各种物理过程以及分子结构方面的特征，对解决分子结构和化学组成中的各种问题最为有效，因而中红外区是红外光谱中应用最广的区域，一般所说的红外光谱大都是指这一范围。红外光谱属于吸收光谱，是由于化合物分子振动时吸收特定波长的红外光而产生的，化学键振动所吸收的红外光的波长取决于化学键动力常
2、数和连接在两端的原子折合质量，也就是取决于的结构特征。这就是红外光谱测定化合物结构的理论依据。红外光谱作为“分子的指纹”广泛的用于分子结构和物质化学组成的研究。根据分子对红外光吸收后得到谱带频率的位置、强度、形状以及吸收谱带和温度、聚集状态等的关系便可以确定分子的空间构型，求出化学建的力常数、键长和键角。从光谱分析的角度看主要是利用特征吸收谱带的频率推断分子中存在某一基团或键，由特征吸收谱带频率的变化推测临近的基团或键，进而确定分子的化学结构，当然也可由特征吸收谱带强度的改变对混合物及化合物进行定量分析。而鉴于红外光谱的应用广泛性,绘出红外光谱的红外光谱仪也成了科学家们的重点研究对象.傅立叶变
3、换红外（FT-IR）光谱仪是根据光的相干性原理设计的，因此是一种干涉型光谱仪，它主要由光源（硅碳棒，高压汞灯），干涉仪，检测器，计算机和记录系统组成，大多数傅立叶变换红外光谱仪使用了迈克尔逊（Michelson）干涉仪，因此实验测量的原始光谱图是光源的干涉图，然后通过计算机对干涉图进行快速傅立叶变换计算，从而得到以波长或波数为函数的光谱图，因此，谱图称为傅立叶变换红外光谱，仪器称为傅立叶变换红外光谱仪。X射线物相分析的基本原理我们知道每一种结晶物质都有自己独特的晶体结构。因此，当X射线通过晶体时，每一种结晶物质都有自己独特的衍射花样，它们的特征可以用各个反射晶面的晶面间距值d和反射线的强度来表
4、征。通常用d和I的数据代表衍射花样。衍射花样的用途： 一是可以用来测定晶体的结构； 二是用来测定物相。分析的一般方法a.用尝试的办法进行物相鉴定：先取三强线尝试，吻合则可定；不吻合则从谱中换一根（或二根）线再尝试，直至吻合。b.对照卡片去掉已吻合的线条（即标定一相），剩余线条归一化后再尝试鉴定。直至所有线条都标定完毕。注意事项（1）d的数据比I/Il数据重要。（2）低角度线的数据比高角度线的数据重要。（3）强线比弱线重要，特别要重视d值大的强线。（4）应重视特征线。（5）应尽可能地先利用其他分析、鉴定手段，初步确定出样品可能是什么物相，将它局限于一定的范围内。a.多相混合物的衍射线条有可能有重
5、叠现象，但低角线条与高角线条相比，其重叠机会较少。若一种相的某根衍射线条与另一相的某根衍射线重叠，而且重叠的线条又为衍射花样中的三强线之一，则分析工作就更为复杂。b.当混合物中某相的含量很少时，或某相各晶面反射能力很弱时，它的衍射线条可能难于显现，因此，X射线衍射分析只能肯定某相的存在，而不能确定某相的不存在。2.简述TEM的基本构造与原理（透射电镜的基本结构透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。它由电子光学系统（镜筒）、电源和控制系统、真空系统三部分组成。透射电子显微镜的主体部分是电子透镜和显像记录系统，由置于真空中的电子
6、枪、聚光镜、物样室、 物镜、衍射镜、中间镜、 投影镜、荧光屏和照相机等组成，与光学显微镜的结构完全类似。电子枪发射的电子在阳极加速电压的作用下，高速地穿过阳极孔，被聚光镜会聚成很细的电子束照明样品。因为电子束穿透能力有限，所以要求样品做得很薄，观察区域的厚度在200nm左右。由于样品微区的厚度、平均原子序数、晶体结构或位向有差别，使电子束透过样品时发生部分散射，其散射结果使通过物镜光阑孔的电子束强度产生差别，经过物镜聚焦放大在其像平面上，形成第一幅反映样品微观特征的电子像。然后再经中间镜和投影镜两级放大，投射到荧光屏上对荧光屏感光，即把透射电子的强度转换为人眼直接可见的光强度分布，或由照相底片
7、感光记录，从而得到一幅具有一定衬度的高放大倍数的图像。 透射电镜的成像原理电子显微镜与光学显微镜的成像原理基本一样，所不同的是前者用电子束作光源，用电磁场作透镜。另外，由于电子束的穿透力很弱，因此用于电镜的标本须制成厚度约50nm左右的超薄切片。从聚光镜来的电子束打到样品上。与样品发生相互作用。如果样品薄到一定程度，电子就可以透过样品。所有这些电子通过物镜后在物镜的后焦面上会形成一种特殊的图象。我们称之为夫琅禾费衍射花样。如果被电子束照射的区域是非晶，则花样的特点是中央亮斑加从中央到外围越来越暗的光晕。如果被电子束照射的区域是一块单晶，则花样的特点是中中央亮斑加周围其它离散分布、强弱不等的衍射
8、斑。如果被电子束照射的区域包括许多单晶，则花样的特点是中央亮斑加周围半径不等的一圈圈亮环。对非晶样品，从不同原子上散射出的同一方向上的电子波之间没有固定的相位差，且随着散射角的增大，散射的电子数量少，能量损失大，它们通过物镜后，直进的电子形成中央亮斑。散射的电子形成周围的光晕。越往外，光晕越来越弱。对晶体样品，由于原子排列的规律性，不同原子的同一方向的散射波之间存在固定的相位差。某些方向上相位差为2的整数倍。由于电子衍射花样与晶体的结构之间存在对应关系，如果我们记录下衍射花样，就可以对晶体结构进行分析。这正是透射电子显微镜能够进行晶体结构分析的原因之一。对多晶样品，每个单晶形成自己的衍射花样。
9、由于各个单晶的取向不同，每个单晶上相同指数的衍射波出现在以入射电子方向为中心线的圆锥上，它们通过物镜后形成衍射圈。通过分析这些衍射圈的半径和亮度，也可以对多晶样品进行结构分析。把透射电镜的工作方式切换到衍射模式，则在物镜后焦面上形成的花样在荧光屏上可以观察到，也可以用底片或相机记录下来。在衍射衬度模式中，像平面上图象的衬度来源于两个方面。一是质量、厚度因素；一是衍射因素。所谓质量因素，是指由于样品的不同部位的密度不同（其它都相同），同样强度的电子束打到该样品后，密度高的区域透过去的直进电子束弱于密度低的区域。于是到达荧光屏上的效果是密度高的区域暗，密度低的区域亮。这就形成了衬度。所谓厚度因素，
10、是指由于样品的不同部位的厚度不同（其它都相同），同样强度的电子束打到该样品后，厚区域透过去的直进电子束弱于薄的区域。于是到达荧光屏上的效果是厚区暗，薄区亮。这也形成了衬度。所谓衍射因素，是指由于样品上不同的部位产生电子衍射的情况不同（其它都相同），同样强度的电子束打到该样品后，产生强衍射的区域透过去的直进电子束弱于产生弱衍射的区域。于是到达荧光屏上时，产生强衍射的区域暗，弱衍射的区域亮（明场像）。利用衍射因素，加上电子衍射花样，可以对材料中的许多内容进行研究，如晶界、位错、层错、孪晶、相界、反相畴界、析出相、取向关系等。3. 在材料结构研究中，TEM是常用的表征方法。谈谈与你的专业方向或研究课
11、题相关的TEM样品的制备方法及注意事项。（二）液相成膜法 将可溶性的聚合物制成0.10.5%的稀溶液，将此稀溶液直接滴于带有支持膜的载网上，待溶剂挥发干燥后成膜；或先将稀溶液滴于水面或甘油表面上成膜（所用溶剂与水或甘油不混溶）随后把此膜打捞在载网上，为了提高反差还可把膜染色处理后用电镜观察。溶液成膜法选择的良溶剂必须是高纯度的，而且又能容易挥发。 为了观察不能溶解或不易溶解的颗粒样品，可制成其极稀的悬浮液或乳液，一般配成万分之几十万分之几的稀液，可用超声波法进一步分散悬浮液或乳液中的颗粒。然后将试样滴于带支持膜的载网上，干燥后即可进行电镜观察。 三）超薄切片法 超薄切片法必须用超薄切片机切片，
12、试片厚度要求50nm左右。但将切好的薄片从刀刃上取下时容易发生变形或弯曲。 解决方法： （1）包埋，即把样品包埋在一种可以固化的介质中，通过选择不同的配方来调节包埋剂的硬度，使之与样品的硬度相匹配，且所用包埋剂必须对试样本身的结构不起破坏作用（如溶解或溶胀）。常采用的包埋剂有邻苯二甲酸二丙稀酯、甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸丁酯混合单体、环氧树脂，包埋剂固化后，进行修块和切片； （2）先把样品在液氮或液态空气中冷冻，冷冻后进行超薄切片。由于共混改性塑料中多数聚合物是由C、H等低原子序数的元素组成，电子密度差别很小，加上试样很薄，试样的反差很小。为了增加反差，需采用染色技术。染色就是将含某种重金属的
13、试剂对试样中的某一相或某一组分进行选择性地化学处理，使其接合上或吸附上重金属，而另一部分没有重金属原子，从而使它们对电子的散射能力有明显差别，提高超薄切片样品图像的衬度。对于弹性体增韧塑料，切片前染色还可使弹性体硬化便于切片。几种染色剂四氧化锇(OsO4) 四氧化钌(RuO4) 磷钨酸（四）复型法 先将试样的一个表面打磨抛光，形成平整的表面，选择适当的蚀镂剂将试样表面侵蚀，再用适当的方法将蚀镂过的表面复制下来，复制物作透射电镜观测，从而了解试样的形态结构。（五）投影法 由轻元素组成的有机物、高分子聚合物等对电子的散射能力差，在电子图像上形成的衬度很小，不易分辨，可采用重金属投影来提高衬度。投影
14、工作在真空镀膜机上进行。选用某种重金属材料（如Ag、Cr、Ge、Au或Pt等）作为蒸发源，金属受热成原子状态蒸发，以一定倾斜角投到样品表面，由于样品表面凹凸不平，形成了与表面起伏状况有关的重金属投影层。由于重金属的散射能力，投影层与未蒸发重金属部分形成明显的衬度，增加了立体感。（六）刻蚀法 这种方法是研究聚合物聚集态结构（特别是结晶结构）和聚合物多相复合体系织态状态的一种有效方法。因为一般结晶聚合物都含有晶区和非晶区，或由不同聚合物组成的多相复合体系含有不同组分所组成的微区（分散相或连续相）。刻蚀剂对这些试样的晶区和非晶区，或不同组分的微区有选择性刻蚀作用。因而，在刻蚀过程中有可能出现选择性地
15、优先刻蚀掉样品中某一相（往往是无定形区）或某一组分（视给定的刻蚀剂对一定组分的相溶性或氧化性而定）。因此，样品经过刻蚀后可更清晰地显露出这些结晶聚合物或聚合物多相复合材料的结构状态。通常采用的刻蚀方法有：溶剂刻蚀、氧化剂刻蚀、等离子体刻蚀及离子减薄法。需要指出的是，在刻蚀的同时，由于溶剂诱导作用或应力诱导作用会在试样表面形成新的结晶或缺陷，所以选择合适的刻蚀剂及刻蚀条件是得到材料真实结构的关键。等离子刻蚀是利用离子束对试样中不同区域或不同组分的破坏程度不同，致使试样表面受离子束轰击时，将优先破坏其中某一区域（无定性相或被易作用的组分），从而使材料的织构更清晰地显露出来。一）制样应注意的几个问题 1.电子损伤 电子束照射下的样品温度会升高3050（有机材料），而镜体又处于高真空，故必须使样品在电子束辐照、热和真空条件下保持稳定。流体、潮湿、易升华、低熔点或易分解的物质（聚合物中杂质）会污染电镜，并得到假象，因此这样的物质不能观察。2.电子束透射能力 电子束穿透能力较弱，不能观察厚样品，若用加速电压为10kV的电镜，样品不能超过100nm，要得到高分辨率像，样品必须尽可能薄（一般50nm左右）；若用高压电镜可用较厚的试样，但也不宜太厚。此外，聚合物样品取决于本身结构特性，在电子束辐照下，可能出现化学作用（降解或交联）或物理作用（结晶化或无定
