材料研究方法材料研究方法任课教师 何颖rehey@ 实验一楼213室 课程性质：必修课程适用对象：材料学院本科三年级开课院系：材料科学与工程学院学 分 数：2学分学 时 数：32学时使用教材: 王培铭、许乾慰主编 《材料研究方法》授课时间授课内容授课教师1~5周绪论何颖电子显微分析质谱分析6-10周光谱分析李远热分析11~15周X 射线衍射分析刘学良核磁共振分析16周论文交流何颖课程安排 学习要求和方法要求:掌握各仪器分析方法及原理,基本掌握仪器构成——方法及基本原理能够根据研究对象和任务,正确选择分析方法——分析对象（样品要求）及基本应用（结果分析）方法:把握各环节:听讲-自学-作业-实验-查阅相关资料考核方式：考试（70%）+平时（30%） 绪论绪论1.1 材料研究的意义和内容1.2 材料结构和研究方法的分类1.3 现代仪器分析的特点及发展1.4 国内外主要测试标准及组织简介 1.11.1材料研究的意义和内容材料研究的意义和内容Ø材料的定义材料的定义 用以制造有用的构件、器件或其他物品的物质Ø材料的种类按化学状态分按化学状态分•金属材料•无机材料•高分子材料•复合材料按使用用途分按使用用途分•建筑材料•包装材料•信息材料•生物医用材料等 材料研究的意义和内容材料研究的意义和内容•材料的组成、结构与性能–材料的性能是材料内部因素在一定外界因素作用下的综合反映。
–物质的组成和结构直接决定了材料的性能和效能–物质的组成和结构取决于材料的制备和使用条件 p 学习和掌握先进的研究方法,p 研究材料的组成、结构、形貌、价态、物相组成及其分布特征，晶体结构及其微细变化，显微结构及缺陷，p 进而探讨组成-工艺特性-显微结构-材料性能之间的内在的联系及变化规律为材料改性和制备预见性能的新材料创造条件Ø材料研究应着重于探索制备过程前后和使用过程中物质变化规律，以达到材料优化设计目的 “材料研究方法”教学目的•Why：了解研究材料结构、性能的重要性 Understand why materials characterization is important•What：掌握材料结构、性能的测试方法 Know what techniques are available for materials characterization •How：了解影响材料测试、分析结果的仪器因素 Understand how strengths and weaknesses of characterization techniques affect our interpretation of results Ø材料研究方法的含义材料研究的意义和内容材料研究的意义和内容广义广义：技术路线 实验技术 数据分析狭义狭义：某一种测试方法 如：X射线衍射方法 电子显微术 红外光谱分析 核磁共振分析等实验数据获取实验数据获取和分析和分析 1.21.2材料结构与研究方法分类材料结构与研究方法分类1.2.1材料结构层次Ø结构结构：材料系统内各组成单元之间的相互联系和相互作用方式•不同的材料具有不同的性能，同一材料经过加工也会有不同的性能，这些都归结与内部的结构不同•结构大致可分为四个层次： 原子结构 原子结合键 材料中原子的排列 晶体材料的显微组织 存在形式存在形式晶体结构非晶体结构孔结构各种不同形式的组合或复合尺度上尺度上 材料分析原理材料分析原理•材料分析的种类 化学成分分析、结构测定、图像分析•分析仪器–显微镜：显微组织观察–衍射仪：测定结构–谱仪：分析成分•分析仪器主要可分为三个单元–激发源–分析器–检测器 1.2.2 研究方法的种类•化学成分分析 化学成分的表征包括元素成分分析和微区成分分析•所用仪器包括:–光谱（紫外光谱、红外光谱、荧光光谱、激光拉曼光谱等）–色谱（气相色谱、液相色谱、凝胶色谱等）–热谱（差热分析、热重分析、示差扫描量热分析等）–表面分析谱（ X射线光电子能谱、俄歇电子能谱、电子探针、原子探 射线光电子能谱、俄歇电子能谱、电子探针、原子探针、离子探针、激光探针等)–原子吸收光谱、质谱、核磁共振谱、穆斯堡尔谱等 •结构测定 包括晶体结构、薄膜结构、表面结构分析等•所用仪器包括:–X射线衍射分析：晶体结构分析–电子衍射：选区晶体结构分析–中子衍射：晶体结构分析、晶体磁学性质研究等–俄歇电子能谱：表面结构分析1.2.2研究方法的种类 1.2.2研究方法的种类•图像分析–光学显微分析（透射光显微镜、反射光显微镜、近场光学显微镜、偏光显微镜、倒置显微镜等）–电子显微分析（扫描电镜、透射电镜）–隧道扫描显微镜、原子力显微镜等 •表面分析 高聚物的结构高分子的链结构高分子凝聚态结构（三次结构） 近程结构 (一次结构)远程结构 (二次结构)结构单元的化学组成结构单元键接方式（顺式、反式）结构单元空间立构（全同、间同、无规）支化与交联结构单元键接顺序高分子链尺寸（分子量、均方半径、均方末端距） 高分子链的形态（高分子链的构象、柔性与刚性）非结晶结构 结晶结构 液晶结构取向结构多相结构 1.2.3高聚物的结构分类 •链式结构•链的柔性•多分散性•凝聚态结构的复杂性•交联网状结构Ø高聚物的结构特点 •结构决定了性能 例如：共扼双键→链易旋转 →链柔性大 →玻璃化温度低→橡胶的弹性好 50年代美国研究工程塑料ABS（丙烯晴/丁二烯/苯乙烯），HIPS(丁苯橡胶)•结构也决定了高分子材料加工成型条件 PE 加工温度 ：160℃ PP加工温度 ：190－200℃ 1.2.4 高聚物结构研究方法高聚物的近程结构高聚物的近程结构：•吸收光谱•色谱•激光小角散射•电子显微镜高聚物的远程结构（高聚物的远程结构（链尺寸）：光散射、GPC（凝胶渗透色谱）高聚物聚集态的研究高聚物聚集态的研究：X射线衍射电子射线衍射核磁共振吸收（宽线）热分析法 谱分析方法：谱分析方法：红外吸收紫外吸收核磁共振气相色谱凝胶渗透色谱差热分析差示扫描量热分析热重衍射图像分析法衍射图像分析法：X射线衍射电子衍射直接成像观察方法：直接成像观察方法：光学显微镜偏光显微镜电子显微镜（透射、扫描） 1.3 1.3 现代仪器分析的特点及发现代仪器分析的特点及发展展 1.3.1近代测试技术的发展简单的天平、滴管之类的简单仪器（（手动目测采集数据）期间有20几位因该方面的工作而获得诺贝尔奖，如W.C.Rontgen，V.Raman, E.O.Lawrence, E. Ruska等。
特定的传感器电信号转变处理数据 （仪器化）微型计算机的加入，但仪器仍能独立工作（计算机化）微机成分不可分的部件，使用工作软件（智能化）功能十分完善的计算机用于测试分析（信息化）测试分析技术用于各种场合（不同生产领域、不同学科研究）20世纪20年代30-60年代70年代初20世纪80年代90年代现在 1.3.2现代测试技术的特点现代测试分析仪器是探测物质相互作用产生的信息，确定物质在各个层次上的组成、含量、结构、形貌和状态的仪器，可测量与物质组成、结构、形貌有关的光、电、热、声、磁等不同的物理量，阐明物质化学参数与样品物质组成、结构之间的关系，并对数据进行处理，显示结果 1.3.3现代测试技术的基本结构尽管各种不同的分析测试仪器， 采用的原理不尽相同， 外形也有较大的差异，但都是把非电量的物理量转换为电信号进行测量， 基本结构一致 激发源激发源样品室样品室检测器与检测器与接口电路接口电路电源与电源与辅助设备辅助设备信号加工信号加工与处理与处理信号记录信号记录与显示与显示分析器与分析器与分析系统分析系统计算机计算机现代分析测试仪器基本功能部件示意图激发样品信息样品与样品支承装置及其环境条件分选各种特征量检测特征信号并转换成电信号信号加工处理结果分析、记录与显示系统真空系统、高低温装置各仪器的信号处理，分析及整机协调控制1.3.3现代测试技术的基本结构 1.更高的灵敏度3.更高的准确性5.更高的自动化程度7.更可信的形态分析2.更好的选择性4.更快的分析速度 6.更完善的多元分析 8.实现无损分析9.原位，活体内，实时分析1.3.3测试分析的发展领域测试分析的发展领域 1.4 1.4 国内外主要测试标准及组织简介国内外主要测试标准及组织简介 按使用范围分：按使用范围分：国际标准区域标准按成熟程度分：按成熟程度分：法定标准推荐标准实行标准标准草案•标准文献的类型标准文献的类型按内容划分：按内容划分：国家标准专业标准军事标准公司标准基础标准产品标准工艺装备标准原材料标准工艺方程标准 •国外标准文献资料的名称国外标准文献资料的名称标准:Standard 规格:Specification公报:Bulletin 建议:Recommendation出版物:Publication 报告:Report手册:Handbook 法规:Code规则:Rules 工艺:Practice •国标标准化组织标准国标标准化组织标准 检索工具:国际标准化组织标准•美国材料与试验协会标准美国材料与试验协会标准 (American Society of Testing Materials ASTM)(American Society of Testing Materials ASTM)•中华人民共和国国家标准局中华人民共和国国家标准局 检索工具：中国标准化年鉴.(GB)•YB:冶金部标准 HG:化工部标准 LY:林业 JG:建材 本章作业本章作业1、材料的结构层次有哪些？采用何种研究方法来表征？２、材料研究方法如何分类？ 一、背散射电子•背散射电子是被固体样品中的原子反弹回来的一部分入射电子。
•弹性背散射电子是指被样品中原子核反弹回来的，散射角大于90度的那些入射电子，其能量没有损失•非弹性背散射电子是入射电子和样品核外电子撞击后产生的非弹性散射，不仅方向改变，能量也不同程度的损失如果逸出样品表面，就形成非弹性背散射电子•可进行微区成分定性分析俄歇电子(表层的元素信息） 荧光 (化学结合状态信息) 电子散射区域 二次电子(样品的表面信息) 入射电子束样品 特征X射线(元素信息) 背散射电子(凹凸/成份信息) 吸收电子 透射电子 二、二次电子•二次电子是指在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品表面的样品的核外层电子•二次电子的能量较低，一般都不超过50 ev大多数二次电子只带有几个电子伏的能量•二次电子一般都是在表层5-10 nm深度范围内发射出来的，它对样品的表面形貌十分敏感，因此，能非常有效地显示样品的表面形貌•不能进行微区成分分析俄歇电子(表层的元素信息） 荧光 (化学结合状态信息) 电子散射区域 二次电子(样品的表面信息) 入射电子束样品 特征X射线(元素信息) 背散射电子(凹凸/成份信息) 吸收电子 透射电子 电子束激发发光材料引起的发光。
主要用于雷达、电视、示波器和飞点扫描等方面 三、吸收电子•入射电子进人样品后，经多次非弹性散射能量损失殆尽,最后被样品吸收•当电子束入射一个多元素的样品表面时，则产生背散射电子较多的部位(原子序数大)其吸收电子的数量就较少•可进行微区成分定性分析俄歇电子(表层的元素信息） 荧光 (化学结合状态信息) 电子散射区域 二次电子(样品的表面信息) 入射电子束样品 特征X射线(元素信息) 背散射电子(凹凸/成份信息) 吸收电子 透射电子 四、透射电子•如果被分析的样品很薄．那么就会有一部分入射电子穿过薄样品而成为透射电子•它含有能量和入射电子相当的弹性散射电子，还有各种不同能量损失的非弹性散射电子•可进行微区成份定性分析俄歇电子(表层的元素信息） 荧光 (化学结合状态信息) 电子散射区域 二次电子(样品的表面信息) 入射电子束样品 特征X射线(元素信息) 背散射电子(凹凸/成份信息) 吸收电子 透射电子 五、特征Ｘ射线•当样品原子的内层电子被入射电子激发，原子就会处于能量较高的激发状态，此时外层电子将向内层跃迁以填补内层电子的空缺，从而使具有特征能量的Ｘ射线释放出来。
•用Ｘ射线探测器测到样品微区中存在一种特征波长，就可以判定这个微区中存在着相应的元素俄歇电子(表层的元素信息） 荧光 (化学结合状态信息) 电子散射区域 二次电子(样品的表面信息) 入射电子束样品 特征X射线(元素信息) 背散射电子(凹凸/成份信息) 吸收电子 透射电子 (SBSE)(SE)• 六、俄歇电子•在特征x射线过程中，如果在原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量并不以X射线的形式发射出去，而是用这部分能量把空位层内的另—个电子发射出去，这个被电离出来的电子称为俄歇电子•俄歇电子能量各有特征值，能量较低，一般为50-1500eV.•俄歇电子的平均白由程很小(1nm左右). •只有在距离表面层1nm左右范围内(即几个原子层厚度)逸出的俄歇电子才具备特征能量，因此俄歇电子特别适用于表面层的成分分析俄歇电子(表层的元素信息） 荧光 (化学结合状态信息) 电子散射区域 二次电子(样品的表面信息) 入射电子束样品 特征X射线(元素信息) 背散射电子(凹凸/成份信息) 吸收电子 透射电子 感谢您的关注 。