同济大学材料研究方法《材料研究方法》课后习题答案

1 材料研究方法课后习题答案 第 1 章 1、材料是如何分类的？材料的结构层次有哪些？ 答：材料按化学组成和结构分为：金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料； 按性能特征分为：结构材料 、 功能材料； 按用途分为：建筑材料 、 航空材料、电子材料、半导体材料、生物材料、医用材料。 材料的结构层次有：微观结构 、 亚微观结构、显微结构、宏观结构。 2、材料研究的主要任务和对象是什么，有哪些相应的研究方法？ 答： 任务 ：材料研究应着重于探索制备过程前后和使用过程中的物质变化规律，也就是在此基础上探明材料的组成 (结构 )、合成 (工艺过程 )、性能和效能及其之间的相互关系，或者说找出经一定工艺流程获得的材料的组成 (结构 )对于材料性能与用途的影响规律，以达到对材料优化设计的目的，从而将经验性工艺逐步纳入材料科学与工程的轨道 . 研究对象和相应方法见书第三页表格。 3、材料研究方法是如何分类的？如何理解现代研究方法的重要性？ 答：按研究仪器测试的信息形式分为图像分析法和非图像分析法；按工作原理，前者为显微术，后者为衍射法和成分谱分析。 第 2 章 1、 简述现代材料研究的主 答：现代材料研究的主 （ 1） 于确定物质中的物相组成 （ 2） 于测定某物相在物质中的含量 （ 3） 于推断测定晶体的结构 2、试推导 并对方程中的主要参数的范围确定进行讨论 . 答：见书第 97页。 3、 X 射线衍射试验主要有那些方法 , 他们各有哪些应用，方 法及研究对象 . 答： 实验方法 所用 辐射 样品 照相法 衍射仪法 粉末法 劳厄法 转晶法 单色辐射 连续辐射 单色辐射 多 晶 或 晶体粉末 单晶体 单晶体 样品转动或固定 样品固定 样品转动或固定 德拜照相机 劳厄相机转晶 粉末衍射仪 单晶或粉末衍射仪 单晶衍射仪 最基本的衍射实验方法有：粉末法，劳厄法和转晶法三种。由于粉末法在晶体学研究中应用最广泛，而且实验方法及样品的制备简单，所以，在科学研究和实际生产中的应用不可缺少；而劳厄法和转 晶法主要应用于单晶体的研究，特别是在晶体结构的分析中必不可少，在某种场合下是无法替代的。 第 3 章 1、如何提高显微镜分辨本领，电子透镜的分辨本领受哪些条件的限制？ 2 答：分辨本领：指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离；以物镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。光学透镜： n = N A，式中：是照明束波长；是透镜孔径半角； n 是物方介质折射率； n 在物方介质为空气的情况下， N 。即使采用油浸透镜 (n=一般为 70 75 )， N 以 1/2 。因此，要显著地提高显微镜的分辨本领，必须使用波长比可见光短得多的照明源。 实际上，透镜的分辨本领除了与衍射效应有关以外，还与透镜的像差有关（球差）。 2、透射电子显微镜的成像原理是什么，为什么必须小孔径成像？ 答：成像原理：质厚和衍射衬度。 为了确保透射电镜的分辨本领，物镜的孔径半角必须很小，即采用小孔径角成像。一般是在物镜的背焦平面上放一称为物镜光阑的小孔径的光阑来达到这个目的。透镜的分辨本领除了与衍射效应有关以外，还与透镜的像差有 关（球差）。球差范围内距高斯像平面 3/4 有 。习惯上称它为最小截面圆。在试样上相应的两个物点间距为： s/M= （高斯平面） ， r s=1/4 （最小截面圆所在平面）式中， 电磁透镜的球差系数，为电磁透镜的孔径半角。 r s 或 球差系数 孔径半角的立方成正比，随着的增大，分辨本领也急剧地下降。 所以选择小孔径成像。 3、 电子显微镜的工作原理什什么？扫描电镜各有哪些优点？ 答：工作原理：由三极电子枪发射出来的电子 束，在加速电压作用下，经过电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物理信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、 歇电子等。这些物理信号的强度随样品表面特征而变。它们分别被相应的收集器接受，经放大器按顺序、成比例地放大后，送到显像管的栅极上，用来同步地调制显像管的电子束强度，即显像管荧光屏上的亮度。由于供给电子光学系统使电子束偏向的扫描线圈的电源也就是供给阴极射线显像管的扫描线圈的电源，此电源发出的锯齿波信号同时控制两束电子束作同步扫描。因此，样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电 子束的位置是一一对应的。这样，在长余辉荧光屏上就形成一幅与样品表面特征相对应的画面 某种信息图，如二次电子像、背散射电子像等。画面上亮度的疏密程度表示该信息的强弱分布。 优点：样品制备非常方便，直接观察大块试样 ； 景深大； 放大倍数连续调节范围大； 分辨本领比较高； 4、 电子探针 谱仪和谱仪的特点是什么？ 答：电子探针 线面三种 能谱仪的特点： 1)所用的 i)探测器尺寸小，可装在靠近样品的区域：接收 可达 10000脉冲 /s 10波谱仪仅几十到几百脉冲 /s 10谱仪在低束流下 (1010作，仍能达到适当的计数率，束斑尺寸小，最少可达 波谱仪大于 1 2)分析速度快，可在 2 3 3)能谱仪不受聚焦圆的限制，样品的位置可起伏 2 34) 3 5)能进行低倍 X 6)分辨本领比较低，只有 150谱仪可达 10 7)峰背比小，一般为 100，而波谱仪为 1000 8)i)探测器必须在液氮温度 (77K)下使用，维护费用高。 5、 为什么透射电镜的样品要求非常薄，而扫描电镜无此要求？ 答：透射电镜中，电子束穿透样品成像，而电子束的透射本领不大，这就要求将试样制成很薄的薄膜样品。扫描电镜是通过电子束轰击样品表面激发产生的物理信号成像的，电子束不用穿过样品。 6、 电镜有哪些性质，环境扫描电镜中“环境”指什么？ 1) 用电子束作照明源，显微镜的分辨本领要高得多 , 分辨本领： 以直接分辨原子，并且还能进行纳米尺度的晶体结构及化学组成的分析 2) 但 :电磁透镜的孔径半角的典型值仅为 1010) 几何像差：由透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的 4) 色差：由电子波的波长发生一定幅度的改变而造成的 环境扫描电子显微镜 (所指环境并非真正意义上的大气环境，与传统 010品室的真空度很低，从 120常接近大气环境，但不等同于平均 760 7、高分辨电镜是否指分辨率高的电镜？ 答：高分辨电镜可用来观察晶体的点阵像或单原子像等所谓的高分辨像。这种高 分辨像直接给出晶体结构在电子束方向上的投影，因此又称为结构像。 加速电压为 10000或扫描透射电镜 )，只要其分辨本领足够的高，在适当的条件下，就可以得到结构像或单原子像。 并不是所有分辨率高的电镜都能进行结构像的分析。 8、电子探针仪与 答：电子探针仪的工作原理： 莫塞莱 (律 =K/(2 K 为常数 为屏蔽系数 Z 为原子序数 要测出特征 可确定相应元素的原子序数。又因为某种元素的特征 以只要测出这种特征 可计算出该元素的相对含量。 布拉格方程： 2 11、与 尤其透射电镜中的）电子衍射的特点是什么？ 答：（ 1） 斑直径为 12 m，经过双聚光镜的照明束相干性较好。 （ 2） 助它可以提高电子衍射相机长度。普通电子衍射装置相机长度一般为 500透射电镜长度可达 10005000 （ 3） 行选区电子衍射，使成像区域和电子衍射区域统一起来，达到样品微区形貌分析和原位晶体学性质测定的目的。 12、选区电子衍射和选区成像的工作原理是什么，这两种工作方式有什么应用意义？ 答： “ 选区电子衍射 ” 指在物镜像平面上放置一个光阑 (选区光阑 )限定产生衍射花样的样 品区域，从而分析该微区范围内样品的晶体结构特性。 当电镜以成像方式操作时，中间镜物平面与物镜像平面重合，荧光屏上显示样品的放大图像。此时，在物镜像平面内插入一个孔径可变的选区光阑，光阑孔套住想要分析的那个微区。因为在物镜适焦的条件下，物平 4 面上同一物点所散射的电子将会聚于像平面上一点，所以对应于像平面上光阑孔的选择范围 A B，只有样品上 区以内物点的散射波可以穿过光阑孔进入中间镜和投影镜参与成像，选区以外的物点如 当调节中间镜的激磁电流，使电镜转变为衍射方式操作 时，中间镜物平面与物镜背焦面相重合。尽管物镜背焦平面上第一幅花样是由受到入射束幅照的全部样品区域内晶体的衍射所产生，但只有 区以内物点散射的电子波可以通过选区光阑进入下面的透镜系统，所以荧屏上显示的只限于选区范围以内晶体所产生的衍射花样，实现了选区形貌观察与晶体结构分析的微区对应性。 这两种方法可以研究我们感兴趣的微区的晶体产生的衍射花样，从而实现了选区观察和衍射的对应。 第 4 章 1、 述差热分析的原理，并画出 答：差热分析是在程序控制温度下测定物质和参比物之间的温度差和温度关系 的一种技术。 由于物质在加热或冷却过程中的某一特定温度下，往往会发生伴随有吸热或放热效应的物理、化学变化。将差热电偶的一个热端插在被测试试样中，另一个热端插在待测温度区间内不发生热效应的参比物中，试样和参比物同时升温，测定升温过程中两者的温度差，就构成了热分析的基本原理。 、 何用外延始点作为 答：外延始点指峰的起始边陡峭部分的切线与外延基线的交点。国际热分析协会 大量的式样测定结果表明，外延起始温度与其他实验测得的反应起始温度最为接近，因此用外延始点作为 反应起始温度。 3、热分析的参比物有何性能要求？ 答：参比物是一定温度下不发生分解、相变、破坏的物质，要求在热分析过程中热性质、质量、密度等与试样尽量接近。 4、影响差热分析的仪器、试样、操作因素是什么？ 答：仪器： 1）炉子的结构和尺寸 2）坩埚材料和形状 3）差热电偶性能 4）测温热电偶与试样之间的相对位置 5）记录仪或其他显示系统精度 试样： 1）热容量和热导率变化 2）试样的颗粒度、用量及装 填密度 3）试样的结晶度、纯度 4）参比物 操作： 1）升温速度 2）炉内压力和气氛 3）记录仪量程及走纸速度 5、为何 答：在差热分析中当试样发生热效应时，试样本身的升温速度是非线性的，而且在发生热效应时，试样与参比物及试样周围的环境有较大的温差，它们之间会进行热传递，降低了热效应测量的灵敏度和精确度，所以 而 服这些不足，通过对试样因发生热效应而发生的能量变化进行及时的应有的补偿，保持试样与参比物之间温度始终保持相同，无温差、无热传递，使热损失小检测信号大，可进行实现定量分析。 5 6、阐述 答： 量输入到试样和参比物的能量差随温度或时间变化的一种技术。 差示扫描量热分析法就是为克服差热分析在定量测定上存在的这些不足而发展起来的一种新的热分析技术。该法通过对试样因发生热效应而发生的能量变化进行及时的应有的补偿，保持试样与参比物之间温度始终保持相同 ，无温差、无热传递，使热损失小，检测信号大。因此在灵敏度和精度方面都大有提高。 术的特点：由于试样用量少，试样内的温度梯度较小且气体的扩散阻力下降，对于功率补偿型 7、简述 答： 析样品要求：应选择热容量及热导率和试样相近的作为参比物； 试样的颗粒度要求： 100 目 试样的结晶度、纯度和离子取代要求：结晶度好，峰形尖锐；结晶度不好，则峰面积要小，纯度、离子取代同样会影响 线；试样的用量： 以少为原则，硅酸盐试样用量： ；试样的装填要求：薄而均匀，试样和参比物的装填情况一致 ；热中性体（参比物）：整个测温范围无热反应，比热与导热性与试样相近，粒度与试样相近（ 100 300 目筛），常用的参比物： 1270K 煅烧的高纯氧化铝粉， 果分析方法： 析样品要求： 果分析方法： 1） 称量法：用硫酸纸沿确定的峰面积界限描剪下来，用微量天平称量后进行换算，其读数误差在 2之内。 2） 数格法：在已确定的峰面积界限内，统计占据记录纸小格数进行换 算，其读数误差一般为 2 4。 3） 用求积仪，读数误差为 4。 4） 用计算机，误差为 8、简述热重分析的特点和影响因素 。 答：热重分析的特点：热重分析就是在程序控制温度下测量获得物质的质量与温度关系的一种技术。其特点是定量性强，能准确地测量物质的质量变化及变化的速率。 影响因素： 1） 热重曲线的基线漂移：基线漂移是指试样没有变化而记录曲线却指示出有质量变化的现象，它造成试样失重或增重的假象。这种漂移主要与加热炉内气体的浮力效应和对流影响、 及温度与静电对天平机构等的作用紧密相关。 2） 升温速率： 升温速率直接影响炉壁与试样、外层试样与内部试样间的传热和温度梯度。但一般地说升温速率并不影响失重量。对于单步吸热反应，升温速率慢，起始分解温度和终止温度通常均向低温移动，且反应区间缩小，但失重百分比一般并不改变。 3） 炉内气氛。 4） 记录纸走纸速度：记录纸走纸速度对热重曲线的清晰度和形状有很大影响。 5） 坩埚形式：坩埚的结构及几何形状都会影响热重分析的结果。 6） 热电偶位置。 7） 试样因素：试样量从两个方面影响热重曲线： a、试样的吸热或放热反应会引起试样温度发生偏差，用量越大，偏差越大；试样用量对逸出气体扩散和传热梯度都有影响 ，用量大则不利于热扩散和热传递。 b、试样粒度对热传导和气体的扩散同样有较大的影响：试样粒度越细，反应速率越快，将导致热重曲线上的反应起始温度和终止温度降低，反应区间变窄；粗颗粒的试样反应较慢。 c、试样装填方式对热重曲线的影响，一般地说，装填越紧密，试样颗粒间接触就越好，也就越利于热传导，但不利于气氛气体向试样内的扩散或分解的气体产物的扩散和逸出。通常试样装填得薄而均匀，可以得到重复性好的实验结果。 d、试样的反应热、导热性和比热容对热重曲线也有影响，而且彼此还相互联系。 e、试样的热反应性，历史和前处理、杂质、 气体产物性质、生成速率及质量，固体试样对气体有无吸附作用等试样因素也会对热重曲线产生影响。 9 举例说明热分析技术在材料研究中的应用。 差热分析和示差量热扫描法的应用 成分分析 每种物质在加热过程中都有自己独特的 定量分析 纯度分析 6 无机材料中 水泥化学上 确定原料中所含的碳酸钙和碳酸镁的含量 500 度形成水泥熟料的物理化学过程 玻璃 金属与合金材料 测定熔点（凝固点），制作合金的相图以及测定相变热 于低温实效现象的解释 里温度）的变化 常用来确定化学热处理 高分子材料中 热重分析的应用 含水矿物的结构和热反应过程，强磁性物质的居里点温度，测定计算热分解反应的反应级数和活化能； 玻璃工艺和结构 研究高温下玻璃组分的挥发，验证伴有失重现象的玻璃化学反应等 水泥化学 研究水合硅酸盐的水合作用动力学过程，精确测定加热过程中水合硅酸钙中游离氧化钙和碳酸钙的含量 硬化混凝土 结合逸气分析研究其中的水含量 高分子材料中 测定高聚物材料中添加剂含量和水分含量，鉴定和分析共混和共聚的高聚物，研究高 聚物裂解反应动力学和测定活化能，估算高聚物化学老化寿命和评价老化性能 热膨胀分析 陶瓷材料 研究和掌握各种原料的热膨胀特性确定陶瓷材料的配方和烧成制度， 确定玻璃化转变温度 热机械分析 测定高聚物的玻璃化转变温度，研究高聚物的松弛运动，固化过程，分析增塑剂含量，表征高聚物合金组分的相容性 热综合分析 几种手段相互补充相互验证 第 5 章 1. 了解各种波长的电磁波对原子（基团）的作用及其相应的光谱分析手段。 电磁波 对原子基团的作用 光谱分析手段 紫外光 波长较短，能量较高，引 起分子中价电子的跃迁 紫外光谱 红外光 波长较长，能量稍低，只能引起分子中成键原子和转动能级的跃迁 红外光谱 核磁共振波 能量更低，产生原子核自旋能级的跃迁 核磁共振谱 光子和分子非弹性碰撞产生的光散射效应 拉曼光谱 原子对特征波长光的吸收 原子吸收光谱 可见光 ： 380起外层电子跃迁。 7 2、产生红外吸收的原因是什么？阐述分子振动的形式和红外光谱振动吸收带的类型。 原因：（ 1）辐射具有刚好能满足物质跃迁时所需的能量，分子中某个基团的的振动频率和红外辐射的频率一致就满足了 （ 2）辐射与物质之间有相互作用，分子的偶极距必须发生变化的振动， 分子振动的形式： 1伸缩振动 对称伸缩振动 反对称伸缩振动 2变形和弯曲伸缩振动 面内变形 剪式振动 面内摇摆振动 面外变形 面外摇摆振动 扭曲变形掘动 红外光谱振动吸收带的类型： （） 伸缩振动区 （） 叁键和累积双键区 （） 双键伸缩振动区 （） 伸缩振动区和变形振动区 3、 阐述红外光谱吸收带强度及其位置的影响因素。 答：吸收带强度的因素： （ 1） 振动吸收带强度与分子振动偶极矩变化的平方成正比； （ 2） 同一类型化学键，偶极矩变化与结构的对 称性有关； （ 3） 氢键导致原子间距增大，偶极矩变化增大； （ 4） 与振动形式有关。 影响吸收带位置的因素： （ 1） 外部因素。与试样状态、测定条件、溶剂极性等有关。 （ 2） 内部因素。 A. 电效应，包括 (a) 诱导效应，某些电负性大的元素的加入，会引起键强变化，导致其振动频率向高频或低频移动； (b) 共轭效应，共轭效应使共轭体系中的电子云密度平均化，使原来的双键电子云密度降低，振动频率降低； (c) 偶极场效应，分子内空间中的电子、键分布会导致键性变化，使振动频率偏移； B. 氢键。氢键使电子云密度平均化，羰基的键性减弱，振动频率降低。 C. 振动 的偶合。 如果两个基团的振动频率相近，其相互作用会使谱带裂分成两个，一个低于正常频率，一个高于正常频率，称振动偶合。 D. 费米共振。 当一振动的倍频与另一振动的基频接近时，因相互作用而产生很强的吸收峰或发生裂分，称为费米共振现象。 E. 其他因素。如立体障碍、环的张力等。 4、简述红外光谱样品的制备方法 答：样品制备： 要求：浓度、厚度适宜，不含游离水多组分；测量前尽量进行组分预分离。 制备方法： （ 1） 气态样品：使用气体吸收池； （ 2） 液体和溶液试样：沸点较高的试样，直接滴在两块盐片之间 形成液膜；沸点较低、挥发性较大的试样，可注入封闭液体池中； （ 3） 固体试样： a. 粉末法； b. 糊状法； c. 压片法； d. 薄膜法； e. 溶液法 8 第 6 章 1、 什么是弛豫？为什么 答：由于核磁共振中氢核发生共振时吸收的能量是很小的，因而跃迁到高能态的氢核不可能通过发射谱线的形式失去能量而返回到低能态，这种由高能态回复到低能态而不发射原来所吸收的能量