材料测试分析方法(究极版)

材料测试分析方法材料测试分析方法 究极版究极版 绪论3分析测试技术的发展的三个阶段 阶段一分析化学学科的建立 主要以化学分析为主的阶段 阶段二分析仪器开始快速发展的阶段阶段三分析测试技术在快速 高灵敏 实时 连续 智能 信息化等方面迅速发展的阶段4现代材 料分析的内容及四大类材料分析方法 表面和内部组织形貌 包括材料的外观形貌 如纳米线 断口 裂纹等 晶粒大小与形 态 各种相的尺寸与形态 含量与分布 界面 表面 相界 晶界 位向关系 新相与母相 孪生相 晶体缺陷 点缺陷 位错 层错 夹杂物 内应力 晶体的相结构 各种相的结构 即晶体结构类型和晶体常数 和相组成 化学成分和价键 电子 结构 包括宏观和微区化学成份 不同相的成份 基体与析出相的成份 同种元素的不同价键类型和化学环境 有机物的分子结构和官能团 形貌分析 物相分析 成分与价键分析与分子结构分析四大类方法 四大分析1图像分析光学显微分析 透射光反射光 电子 扫描 透射 隧道扫描 原子力2物象x射线衍射 电子衍射 中子衍射3 化学4分子结构红外 拉曼 荧光 核磁获取物质的组成含量结构形 态形貌及变化过程的技术材料结构与性能的表征包括材料性能 微 观性能 成分的测试与表征6 现代材料测试技术的共同之处在哪里 除了个别的测试手段 扫描探针显微镜 外 各种测试技术都是 利用入射的电磁波或物质波 如X射线 高能电子束 可见光 红外 线 与材料试样相互作用后产生的各种各样的物理信号 射线 高 能电子束 可见光 红外线 探测这些出射的信号并进行分析处 理 就课获得材料的显微结构 外观形貌 相组成 成分等信息 9 试总结衍射花样的背底 并提出一些防止和减少背底的措施衍射 花样要素衍射线的峰位 线形 强度答 I 花材的选用影晌背底 2 滤波片的作用影响到背底 3 样品的制备对背底的影响措施 1 选靶靶材产生的特征x射线 常用K 射线 尽可能小的激发样 品的荧光辐射 以降低衍射花样背底 使图像清晰 2 滤波 k系特征辐射包括Ka和k 射线 因两者波长不同 将使 样品的产生两套方位不同得衍射花样 选择浪滋片材料 使 k 靶 3 样品 样品晶粒为50 m左右 长时间研究 制样时尽量轻压 可减少背底 11 X射线的性质 x射线是一种电磁波 波长范围 0 01 1000 X射线 的波长与晶体中的原子问距同数量级 所以晶体可以用作衍射光栅 用来研究晶体结构 常用波长为0 5 2 5 不同波长的x射线具有不同 的用途 硬x射线 波长较短的硬x封线能量较高 穿透性较强 适用于金属部 件的无损探伤及金属物相分析 软x射线 波长较长的软x射线的能量较低 穿透性弱 可用干分析非 金属的分析 用于金属探伤的x射线波长为0 05 0 1 当x射线与物质 原子 电子 作用时 显示其粒子性 具有能量E h 产生光电效应和康普顿效应等当x射线与x射线相互作用时 主要表 现出波动性 x射线的探测 荧光屏 ZnS 照相底片 探测器12标识X射线的产 生相理 标识x射线谱的产生相理与阳极物质的原子内部结构紧密相 关的 原子系统内的电子 按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个 能级 在电子轰击阳极的过程中 当某个具有足够能量的电子将阳 极靶原子的内层电子击出时 于是在低能级上出现空位 系统能量 升高 处于不稳定激发态 较高能级上的电子向低能机上的空位跃 并以光子的形式射出标识x 射线谱 13 莫塞菜 Moseley N G一J 定律待征x射线谱的频率只取决于阳极 靶物质的原子能级结构 它是物质的固有特性 第一章2 连续X射线谱的特点1 V变化 升高 i固定 I连 kiZU22效率 kZUI标 I连越大 连续造成的衍射背景越小 各种 波长射线的相对强度 I 都相应地增高 各曲线上都有短波极限 0 且 逐渐变小 各曲线的最高强度值 m 的波长逐渐变小 2 i变化 升高 U固定 各种波长射线的相对强度 I 都相应地增高 各曲线上都有短 波极限 0和最高强度值 m 且 0和 m保持不变 4 特征 标识 X射线的特点 结构I标 ki U U kk n n是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线 它和可见光 中的单色相似 亦称单色X射线当电压达到临界电压时 标识谱线的 波长不再变 强度随电压增加 如钼靶K系标识X射线有两个强度高峰为K 和K 波长分别为0 71A 和0 63A5 光电效应与俄歇效应光电效应5 光电效应与俄歇效应光电 效应入射的X射线 光子 的能量足够高时 同样可以将物质原子的 内层电子击出成为自由电子 并在内层产生空位 使原子处于激发 状态 外层电子自发回迁填补空位 降低原子能量 产生辐射 X射 线 这种由X射线 入射光子 激发原子产生辐射的过程称为光电 效应 俄歇效应原子中K层的一个电子被打出后 它就处于K激发状态 其 能量为EK 的一个空位被L层的两个空位所代替 这种现如果一个L层电子来填 充这个空位 K电离就变成L电离 其能量由EK变成EL 此时将释放E K EL的能量 释放出的能量 可能产生荧光X射线 也可能给予L层的电子 使其 脱离原子产生二次电离 即K层象称俄歇效应 6 x射线衍射分析的应用1物相分析 定性和定 量 已知化学求性质 2晶体结构分析 3单晶取向及多晶结构的测定 4测定晶粒的大小 应力 应变5测试相图 固溶体第二章4 吸收限 m产生突变的不连续处称为吸收限 相应的波长为吸收限波长入 吸收限对应的波长为 a 对应的能量就是轨道能量 对于K系吸收限为 K hc Ek原子序数愈低 对应的Ek愈小 则 K愈 大衍射实质大量原子散射波相互干涉5 阳极靶的选择 x ray衍射分析中 希望不产生k系荧光辐射 且试样对x ray的吸收要小 针对试样的原子序数 可以调整靶材料 A k 靶 k 样 根据样品成分选择靶材的原则是Z靶 Z样 1 B k 靶 k 样 则Z靶 Z样C k 靶 入射波长的影响 由干 sin 1 而满足衍射时d 2 因此 越 长产生的衍射条越少 6 衍射线在空间的方位取决于什么 而衍射线的强度又取决于什么 答 衍射线在空间的方位主要取决于晶体的面网间距 或者晶胞的大 小 衍射线的强度主要取决于晶体中原子的种类和它们在晶胞中的相对 位置 7 实验中选择X射线管以及滤波片的原则是十么 已知一个以Fe为主 要成分的样品 试选择合适的X射线管和合适的滤波片7 实验中选择 X射线管以及滤波片的原则是十么 已知一个以Fe为主要成分的样品 试选择合适的X射线管和合适的滤波片答 实睑中选择X射线管的原 则是为避免或减少产生荧光辐射 应当避免使用比样品中主元素的 原子序数大2 6 尤其是2 的材料作靶材的X射线管 选择滤波片的原则是X射线分析中 在X射线管与样品之间一个滤波 片 以滤掉kp线 滤波片的材料依靶的材料而定 一般采用比靶材的原子序数小1或2 的材料 以分析以铁为主的样品 应该选用Co或Fe靶的X射线管 同 时选用Fe和Mn为滤波片 8 试述x射线衍射物相分析步骤 及其鉴定时应注意问题 1 计算或查找出衍射图谱上每根峰的d值与I值 2 利用I值最大的三根强线的对应d值查找索引 找出基本符合的物 相名称及卡片号 3 将实侧的d I值与卡片上的数据一一对照 若基本符合 就可定 为该物相 鉴定时应注意的问题 1 d的数据比I I0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 将他局限于一定的范围内 9试比较衍射仪法与德拜法的优缺点1简便快捷2分辨能力强3直接获 得强度数据4 低角度区的2 测量范围大5 样品用量大6 设备较 复杂 成本高第三章原子核对入射电子为弹性 核外电子对为非弹 例题光子束入射固体样品表面会激发哪些信号 它们有哪些特点和用 途 答主要有六种1 背散射电子 能量高 样品表面几百nm深度范围 其产额随原子序数增大而增多 用作形貌分析 成分分析以及结构 分析 2 二次电子 能量较低 表层5 10nm深度范围 对样品表面化状态十分敏感 不能进行成分分析 主要用于分析样品表面形貌 3 吸收电子 其衬度恰好和SE或BE信号调制图像衬度相反 与背散射 电子的衬度互补 吸收电子能产生原子序数衬度 即可用来进行定性的微区成分分析 4 透射电子透射电子信号由微区的厚度 成分和晶体结构决定 可进 行微区成分分析 5 特征X射线 用特征值进行成分分析 样品较深的区域 6 俄歇电子 各元素的俄歇电子能量值很低 样品表面1 2nm范围 它适合做表面分析电子显微技术透射电子显微镜 TEM 扫描电子显 微镜 SEM X 射线能谱 EDS 原子力显微镜 AFM 扫描隧道显微镜 STM 2 薄 膜样品的基本要求是什么 样品制备的工艺过程如何 双喷减薄与离 子减薄各适用于制备什么样品双喷减薄与离子减薄各适用于制备什 么样品 答样品的基本要求1 薄膜样品的组织结构必须和大块样品 相同 在制备过程中 组织结构不变化 2 样品相对于电子束必须 有足够的透明度 3 薄膜样品应有一定强度和刚度 在制备 夹持 和操作过程中不会引起变形和损坏 4 在样品制备过程中不允许表 面产生氧化和腐蚀 样品制备的工艺过程1 切薄片样品 2 预减薄 3 终减薄 离子减薄1 不导电的陶瓷样品 2 要求质量高的金属样品 3 不 宜双喷电解的金属与合金样品 双喷电解减薄1 不易于腐蚀的裂纹端试样 2 非粉末冶金试样 3 组织中各相电解性能相差不大的材料 4 不易于脆断 不能清洗 的试样4tem电子显微分析特点 解 1 不破坏样品 直接用陶瓷等多晶材料 2 是一种微区分析方法 了解成分 结构的微区变化 3 灵敏度高 成像分辨率高 为0 2 0 3nm 能进行nm尺度的晶体 结构及化学组成分析 4 各种电子显微分析仪器日益向多功能 综合性发展 可以进行形 貌 物相 晶体结构和化学组成等的综合分析 7什么是双光束衍射 电子衍衬分析时 为什么要求在近似双光束条 件下进行 答案双光束衍射 倾转样品 使晶体中只有一个晶面满足 Bragg条件 从而产生衍射 其它晶面均远离Bragg位置 衍射花样 中几乎只存在大的透射斑点和一个强衍射斑点 原因在近似双光束条件下 产生强衍射 有利于对样品的分析8振幅 衬度和相位衬度 振幅衬度 质量 厚度衬度是由于材料的质量厚度差异造成的透射束强度的差 异而产生的衬度 主要用于非晶材料 衍射衬度由于试样各部分满足布拉格条件的程度不同以及结构振幅 不同而产生的 主要用于晶体材料 相位衬度 试样内部各点对入射电子作用不同 导致它们在试样出口表面上相 位不一 经放大让它们重新组合 使相位差转换成强度差而形成的 蓝移 当物质的结构或存在的环境发生变化时 其吸收带的最大吸收 波长 最大 向短波方向移动 这种现象称为紫移或蓝移 或向蓝 红移 当物质的结构或存在的环境发生变化时 其吸收带的最大吸收 峰波长 最大 向长波长方向移动 这种现象称为红移 或称为 向红 9TEM的主要发展方向 1 高电压 增加电子穿透试样的能力 可观察较厚 较具代表性的试样 增加 分辨率等 2 高分辨率 最佳解像能力为点与点间0 18nm 线与线间0 14nm 3 多功能分析 装置 4 场发射电子光源 11透射电镜对样品的要求 试样最大尺寸 直径不超过3mm 2样品 厚度足够薄 使电子束可以通过 一般厚度为20 200nm 3样品不 含水 易挥发性物质及酸碱等腐蚀性物质 4样品具有足够的强度和 稳定性 在电子轰击下不致损坏或变化 5清洁无污染 12TEM中的支持膜材料必须具备的条件 无结构 对电子束的吸收 不大 颗粒度小 以提高样品分辨率 有一定的力学强度和刚 度 能承受电子束的照射而不变形 破裂 电子衍射与x射线衍射相比 优1电子 短 小 入射束 衍射束 近乎与衍射晶面平行 使电子衍射分析过程更为简单 其晶体几何关系的研究比x射线衍射 要简单 直观 2物质对电子的散射作用很强 电子束穿透物质的能力下降 电子衍射只适于材料表层或薄膜样品的结构分析 3能够在同一试样上把形貌观察与结构分析结合起来 可进行选区衍射 缺1电子束与原子作用散射强度大于x射线的作 用 衍射束与透射束强度相当 两者产生交互作用 使得电子衍射 线束强度分析复杂 2薄膜样品制备复杂 3分析精度不如x射线衍射第四章1 扫描电镜SEM对试样有哪些要求 1 试样大小要适合仪器专用样品座的尺寸 小的样品座为 30 35mm 大的样品座为 30 50mm 高度5 10mm 2 含有水分的试样要先烘干 3 有磁性的试样要先消磁 2 如何制备扫描电镜块状和粉末试样 块状和粉末试样表面镀导电 膜的目的 1 块状试样导电材料 用导电胶将试样粘在样品座上 不导电材料 用导电胶将试样粘在样品座上 镀导电膜 2 粉末试样将粉末试样用导电胶 或火棉胶 或双面胶 粘结在 样品座上 镀导电膜 将粉末试样制成悬浮液 滴在样品座上 溶 液挥发后 镀导电膜 试样表面镀导电膜的目的是以避免在电子束照射下产生电荷积累 影响图象质量 3 扫描电镜的特点 1 可以观察直径为10 30mm的大块试样 制样方法简单 2 场深大 适用于粗糙表面和断口的分析观察 图像富有立体感 真实感 3 放大倍数变化范围大 15 300000倍 4 分辨率3 6nm 透射电镜的分辨率虽然高 但对样品厚度的要求十分苛刻 且观察 的区域小 5 可以通过电子学方法有效地控制和改善图像的质量 6 可进行多种功能的分析 观察阴极荧光图像和进行阴极荧光光谱分析 7 可使用加热 冷却和拉伸等样品台进行动态试验 观察各种环 境条件下的项变及形态变化等 4 你认为 电子显微分析只能观察显微形貌 这种说法对吗 论述 电子显微分析可对无机非金属材料进行哪些方面的分析 你认为 电子显微分析只能观察显微形貌 这种说法对吗 论述电子显微分 析可对无机非金属材料进行哪些方面的分析 电子显微分析只能观 察显微形貌 这种说法是不对的 电子显微分析还可对无机非金属材料进行以下方面的分析 1 形貌观察颗粒 晶粒 形貌 表面形貌 2 晶界 位错及其它缺陷的观察 3 物相分析选区 微区物相分析 与形貌观察相结合 得到物 相大小 形态和分布信息 4 晶体结构和取向分析 5 电子显微镜分析在材料研究中的应用 形态分析 元素的存在状态分析 玻璃的非晶态结构分析 材料断面的研究 晶界 微观研究 微区结构分析 高分子材料的研究6 表面分析可以得到哪些信息 1 物质表面层的化学成分 2 物质表面层元素所处的状态 3 表面层物质的状态 4 物质表面层的物理性质 7 影响SEM图像分辨率的主要因素 分辨本领的决定因素 扫描电 子束斑直径 入射电子束在样品中的扩展效应 操作方式及其 所用的调制信号 信号噪音比 杂散磁场 机械振动将引起 束斑漂流等 使分辨率下降 8 分辨本领的决定因素主要原因 扫描电子束斑直径 入射电子 束在样品中的扩展效应 操作方式及其所用的调制信号 信号 噪音比 杂散磁场 机械振动将引起束斑漂流等 使分辨率下 降 入射电子束束斑直径是分辨本领的极限 入射束在样品中的扩展效应导致相互作用体积产生 以及信号产 生的深度和广度 操作方式及成像信号体积的形状和大小决定了各种物理信号的深 度和广度 入射束的有效束斑直径随信号不同而变化 不同的信号调制的扫描像有不同的分辨本领 样品Z Z愈大 电子束进入样品表面的横向扩展愈大 分辨率愈 低 9 影响二次电子产额的主要因素 1 二次电子能谱特性 2 入射电子的能量 3 材料的原子序数 4 样品倾斜角 10 二次电子像衬度的特点 1 分辨率高 2 景深大 立体感强 3 主要反应形貌衬度 11 波谱仪的特点 优点1波长分辨率很高 谱仪分辨率是指分开 识别相邻两个谱峰的能力 如它可将波长十分 接近的VK 0 228434nm CrK1 0 228962nm 和CrK2 0 229351nm 3 根谱线清晰地分开 5 10eV 2峰背比大 背底扣除容易 数据处理简单 缺点 1 采集效率低 分析速度慢 2 难以在低束流和低激发强度下使用 由于经过晶体衍射后 强度损失很大 所以 波谱仪难以在低束流 和低激发强度下使用 这是波谱仪的两个缺点 Si Li 能谱仪的优点 1 分析速度快能谱仪可以同时接受和检测所 有不同能量的X射线光子信号 故可在几分钟内分析和确定样品中含 有的所有元素 带铍窗口的探测器可探测的元素范围为11Na 92U 2 0世纪80年代推向市场的新型窗口材料可使能谱仪能够分析Be以上的 轻元素 探测元素的范围为4Be 92U 2 灵敏度高X射线收集立体角大 由于能谱仪中Si Li 探头可以放在离发射源很近的地方 10 左右 无需经过晶体衍射 信号强度几乎没有损失 所以灵敏度高 可达 104cps nA 入射电子束单位强度所产生的X射线计数率 此外 能谱仪可在低入射电子束流 10 11A 条件下工作 这有利于 提高分析的空间分辨率 3 谱线重复性好 由于能谱仪没有运动部件 稳定性好 且没有聚焦要求 所以谱线 峰值位置的重复性好且不存在失焦问题 适合于比较粗糙表面的分 析工作 12电子探针分析的基本工作方式 定性分析1点分析用于测定样品上 某个指定点的化学成分 下图是用能谱仪得到的某钢定点分析结果 能谱仪中的多道分析器可使样品中所有元素的特征X射线信号同时检 测和显示 不像波谱仪那样要做全部谱扫描 甚至还要更换分光晶体 2线分析用于测定某种元素沿给定直线分布的情况 方法是将X射线谱仪 波谱仪或能谱仪 固定在所要测量的某元素特 征X射线信号 波长或能量 的位置上 把电子束沿着指定的方向做 直线轨迹扫描 便可得到该元素沿直线特征X射线强度的变化 从而 反映了该元素沿直线的浓度分布情况 改变谱仪的位置 便可得到另一元素的X射线强度分布 下图为50CrNiMo钢中夹杂Al2O3的线分析像 可见 在Al2O3夹杂存在的地方 Al的X射线峰较强 3面分析用于测定某种元素的面分布情况 方法是将X射线谱仪固定在所要测量的某元素特征X射线信号的位置 上 电子束在样品表面做光栅扫描 此时在荧光屏上便可看到该元 素的面分布图像 显像管的亮度由试样给出的X射线强度调制 图像中的亮区表示这种元素的含量较高 下图为34CrNi3Mo钢中MnS夹杂物的能谱面分析图像 定量分析定量分析时 先测得试样中Y元素的特征X射线强度IY 再 在同一条件下测出已知纯元素Y的标准试样特征X射线强度IO 然后两者分别扣除背底和计数器死时间对所测值的影响 得到相应 的强度值IY和IO 两者相除得到X射线强度之比KY IY IO 直接将测得的强度比KY当作试样中元素Y的重量浓度 其结果还有很 大误差 通常还需进行三种效应的修正 即原子序数效应的修正 吸收效应修正 荧光效应修正 经过修正 误差可控制在 2 以内 第七章热分析常用方法1 热重测量法在程序控制温度下 测量物质 质量随温度变化的一种技术 2 差热分析在程序控制温度下 测量物质与参比物之间的温度差随 温度变化的一种技术 3 热膨胀法在程序控制温度下 测量物质在可忽略的负荷下的尺寸 随温度变化的一种技术 4 差示扫描量热法在程序控温下 测量加入物质在与参比物之间的 能量差随温度变化的一种技术 2热分析的主要优点1 可在宽广的温度范围内对样品进行研究 2 可 使用各种温度程序 不同的升降温速率 3 对样品的物理状态无 特殊要求 4 所需样品量可以很少 0 1g 10mg 5 仪器灵敏度高 质量变化的精确度达10 5 6 可与 其他技术联用 7 可获取多种信息 1 何谓热分析 热分析的特点 热分析是在程序控制温度下 测量物 质的物理性质与温度之间关系的一类技术 特点过程分析 动态 2 热分析法的核心 研究物质在受热或冷却时产生的物理和化学的 变迁速率和温度以及所涉及的能量和质量变化 3 差热分析方法参比物要求 热中性体 基准物 比热和导热系数比试样接近 测量温度范围内不发生热效应的物质 细度100 300目 150 50 m 常用1450 以上煅烧2 3小时的氧 化铝粉 6 DTA差热的基本结构组成 加热炉 温度控制系统 差热系统 信 号放大系统 记录系统组成7 如何正确判读DTA曲线 明确试样加 热 冷却 过程中产生的热效应与曲线形态的对应关系 明确曲 线形态与试样本征热特性的对应关系 排除外界因素对曲线形态 的影响8 DTA曲线的几何要素 零线理想状态 T 0的线 基线 实际条件下试样无热效应时的曲线部份 吸热峰TS TR T 0 时的曲线部份 放热峰TS TR T 0时的曲线部份 起始温 度 Ti 热效应发生时曲线开始偏离基线的温度 终止温度 Tf 曲线开始回到基线的温度 峰顶温度 Tp 吸 放热峰的峰形 顶部的温度 该点瞬间d T dt 0 峰高是指内插基线与峰顶 之间的距离 峰面积是指峰形与内插基线所围面积 外推起始 点是指峰的起始边斜率