材料现代分析技术整理

1、第一部分 X射线衍射分析（XRD）1. K系特征谱线特点：由L、M、N等壳层的电子跃迁到K壳层的空位时发出的X射线，分别称为K、K、K谱线，共同组成K线系特征谱线。K特征谱线最强，比相邻谱线强90倍，是最常用的谱线。2. 特征X射线的产生：在原子内固定壳层上的电子具有特定能量，当外加能量足够大时，可将内层电子激发出去，形成一个内层空位，外壳层的电子跃迁到内层，多余的能量以X射线形式放出。3. X射线的本质为电磁波。4. 滤光片的目的和材料：用来过滤或降低X射线光谱中的连续X射线和K线的金属薄片,K大部分被吸收，K损失较小，滤波片材料的原子叙述一般比X射线管靶材的原子序数低1。5. CuK的含义

2、：以Cu作为靶材，高速电子轰击在铜靶上，使铜K层产生了空位，L层电子跃迁到K层，产生K系特征辐射。6. X射线的衍射方向是根据布拉格方程理论推导出的。7. 布拉格方程的推导： 含义：线照射晶体时，只有相邻面网之间散射的X射线光程差为波长的整数倍时，才能产生干涉加强，形成衍射线，反之不能形成衍射线。讨论：（1） 当一定，d相同的晶面，必然在相同的情况下才能获得反射。（2） 当一定，d减小，就要增大，这说明间距小的晶面，其掠过角必须是较大的，否则它们的反射线无法加强，在考察多晶体衍射时，这点由为重要。（3） 在任何可观测的衍射角下，产生衍射的条件为：，但波长过短导致衍射角过小，使衍射现象难以观测，

3、常用X射线的波长范围是0.250.05nm。（4） 波长一定时，只有的晶面才能发生衍射衍射的极限条件。8. X射线的强度（严格定义）单位时间内通过衍射方向垂直单位面积上X射线光量子数目。表示方法：衍射峰高度或衍射峰积分面积。理论计算（P-多重性因数，F-结构因子，-因数）。9. 面网指数与干涉指数： 布拉格方程永远是一级反射形式。10. 结构因子（F）：晶胞的形状和大小的影响，只与晶胞中的原子的种类、数目和位置有关。11. 系统消光：符合布拉格方程的晶面，由于结构因素的作用（|F|=0）而不能产生衍射现象。衍射产生的充分必要条件为：衍射必要条件加|F|不为0。点阵消光（位于阵点的结构基元若非由

4、一个原子组成，则结构基元内各原子散射波间相互干涉也可能产生|F|=0的现象。（结构消光）因结构基元内原子位置不同而进一步产生附加消光现象。12. 消光特点：简单点阵（任何符合布拉格方程的晶面都能产生衍射峰）底心点阵（只有在HK同为奇数或同为偶数时才能发生衍射）体心点阵（只有在HKL中有2个奇数和一个偶数或同为偶数时才能发生衍射，H+K+L为奇数不发生衍射，为偶数发生衍射）面心点阵（只有在HKL同为奇数或偶数时才能发生衍射）13. 物相分析：确定材料中由哪几个相租场，或是某种物质以何种结晶状态存在（物相定性分析）在此基础上确定各组成相含量（物相定性分析）。14. 物相分析的原理：任一种结晶物质都

5、具有一定的晶体结构，在一定波长的X射线照射下，每种晶体物质都给出自己特有的衍射花样，每一种晶体物质和它的衍射花样一一对应，多相式样的衍射花样只是它所含物质的衍射花样机械叠加而成，以d和I数据组代表衍射花样，将由式样测的的dI数据组与已知数据组进行对比，从而鉴定出式样中存在的物相。15. PDF卡片：粉末衍射卡片，又称ASTM或JCPDS卡片，每张卡片记录着一种结晶物质的粉末衍射数据。16. 晶粒度的测定：谢乐方程，式中是垂直于（hkl）面方向的晶粒尺寸大小（）；为所用的射线波长（）；为布拉格角；衍射线（hkl）宽化度（）；为一常数，具体数值与宽化度的定义有关，若取衍射线半宽高，则，若取衍射线的

6、积分宽度，则。17. 结晶度：材料中晶相所占的体积分数Xc=Wc/(Wc+Wa) （Xc代表结晶度，Wc代表晶相的质量分数，Wa代表非晶相的质量分数）测定方法：通过测定晶相的衍射强度Ic与非晶相的衍射强度。a实现，即：Xc=Ic/(Ic+KIa)（K为常数，可由实验测定）。18. 非晶态物质：由少数漫散峰组成，可利用此特征来鉴别物质属于晶态还是非晶态，当非晶态物质中出现部分晶态物质时，就会在漫散峰上叠加明锐的结晶峰。19. 点阵参数的精确测定：图解外推法：从实验数据出发，根据误差函数外推，以消除误差的办法。 最小二乘法：以准确的测量数据为基础，从实验点出发，寻求最佳直线或曲线的办法。标准样校正

7、法：以标准物质的点阵参数作为标准数据，对待测样品的数据进行校正。20. 固溶体分析：固溶体衍射数值d值随固溶体成分而改变，从而引起点阵常数的改变，反过来，通过测定固溶体的点阵常数，可分析固溶体的成分。基本方法：制作一系列的固溶体成分与其衍射系数或点阵常数之间的关系曲线，测定待测固溶体的衍射数据或点阵常数，利用关系曲线进行透影，从而确定固溶体成分。电子显微分析1. 背散射电子：被固体样品原子反射回来的一部分入射电子，分为弹性和非弹性两种。产生范围为1000到1um，成像分辨率5002000，产额：与式样的原子序数有密切关系，背反射电子的产额随原子序数的增加而增加。应用：形貌特诊分析、显示原子序数

8、衬度、定性成分分析。2. 二次电子：被入射电子轰击出来的核外电子。特点：对式样表面状态非常敏感，能有效显示式样表面的微观形貌。扫描电子显微镜的分辨率通常就是二次电子的分辨率。产额：随原子序数的变化不明显，主要取决于表面形貌。3. SEM的主要性能：放大倍数：目前商品化扫描电子显微镜的放大倍数可以从2020万倍；分辨率：是扫描电子显微镜主要性能指标，通过测量图像上两亮点之间的最小暗间距宽度，然后除以放大倍数，既可以得到极限分辨率，约为二次电子像分辨率约为50100，对于微区成分分析而言，分辨率指能分析的最小区域，对成像而言，指能分辨两点之间的最小距离。这两者决定于电子束直径，电子束直径越小，分辨

9、率越高。景深：景深是指透镜对高低不平的试样各部分位能同时聚焦成像的一个能力范围。4. 样品制备方法：金属和陶瓷等块状样品：切割成大小合适的尺寸，用导电胶将其粘贴在电镜的样品座上即可直接观察。颗粒及细丝状样品：在金属片上涂抹一层导电材料，把粉末样品贴在上面，或将粉末样品混入包埋树脂等材料中，然后将其硬化而将样品固定 。5. 二次电子像的衬度分类：形貌衬度：入射束和样品表面法线平行时，即入射与法线角度为0，二次电子的产额最少；若样品表面倾斜45，则电子束穿入样品激发二次电子的有效深度增加到2倍，入射电子使距表面510nm的作用体积内逸出表面的二次电子数量增多。成分衬度：由于部分二次电子是由背散射电

10、子激发的，而背散射电子与原子序数Z关系密切，所以产额随Z增加而增大，但幅度不大，对给定的入射电子束强度，二次电子信号强度随样品倾斜角度增大而增大。6. 成分衬度：被反射电子信号随原子序数Z的变化比二次电子的变化显著的多，因此图像应有较好的成分衬度，样品中原子序数较高的区域中由于收集到的背反射电子数量较多，故荧光屏上的图像较亮，因此，利用原子序数造成衬度变化可以对各种合金进行定性分析，样品中的重元素是图像上的亮区，而轻元素在图像上是暗区。7. 形貌衬度：用背反射电子信号进行形貌分析时，其分辨率比二次电子低，因为背反射电子是来自一个较大的作用体积，此外，背反射电子能量高，它们以直线轨迹逸出金属表面

11、，对于背向检测器的样品表面，因检测器无法收集到背反射电子而变成一片阴影，因此在图像上会显示出较强的衬度，而掩盖了许多有用的细节。8. SEM的应用：金相组织（具有比光学显微镜放大倍数高，清楚的观察到材料的组织细节）、微观形貌、解理断口分析（解理断口、准解理断口、沿晶断口、韧性断口、疲劳断口）。9. 电子探针：电子探针是目前较为理想的一种微区化学成分分析仪器。它是根据高能电子和固体物质相互作用的原理，利用能量足够高的一束细聚焦电子束轰击样品表面，将在一个有限深度和侧向扩展的微区体积内，激发产生特征X射线讯号，他们的波长将是表征该微区内所含元素及其浓度的重要信息。根据特征X射线波长进行元素定性分析

12、，特征X射线的强度进行元素定量分析。电子探针所能分析的元素可从4Be到92U。10. 电子探针的分析特点：分析所需样品数量少，传统化学方法无法比拟。分析不破坏样品。分析速度快，成本低。可以进行点、线、面立体分析，反应元素微观分布规律。对传统化学分析方法难以区分的REE和Pt能很好的区分。操作特性波谱仪（WDS）能谱仪（EDS）分析原理 波长-强度能量-强度分析元素范围4Be-92U11Na-92U分辨率510ev145155ev 峰背比值5001500100左右分析速度2030min23min分析精度误差15%5%左右分析微区大小1000nm2550nm探测极限 0.010.1% 0.10.5

13、%电子束斑直径200nm5nm对样品表面要求平整光滑粗糙断面也适用应用特点成分精确测定成分半定量分析11. 电子探针的工作方式（方法）：定点分析，线扫描分析，面扫面分析。12. 定点分析：确定该点区域内存在的元素，包括全谱分析和半定量分析元素特征X射线波长或能量差异。全谱分析：对未知成分的试样，全谱分析可以分析式样中含有哪些元素，打开驱动分光晶体的同步电机，使L由低到高，即衍射角从小到大扫描，按各峰值的L值，求出对应的值，查表可得样品中的一切元素。半定量分析：定点分析可以进行定量、半定量分析。对于精度要求不高的半定量分析来说，如果忽略吸收效应、原子序数效应、荧光效应对特征X射线强度的影响因素，

14、那么某元素的特征X射线强度与该元素在式样上含量成正比，因此可以得到半定量结果。13. 线扫描分析：确定某元素沿选定直线的分布元素特征X射线强度的差异。使电子束在试样表面沿预先选定的直线扫描，谱仪固定接受某一元素特征X射线，得到被测元素在所分析直线上的分布状况，一般使电子束作定点扫描，静止不动，在式样移动轴上安装同步机，使式样以十分慢的速度移动，并由记录仪记录下不同位置的特征X射线强度。14. 面扫描分析：确定元素在选定区域上的分布状态元素图像量度的差异。使电子束在试样表面做光栅扫描，谱仪固定接受某一元素的特征X射线，并以此调制荧光屏亮度，得到整个扫描微区面上被测元素的分布状态，若在扫描微区面上

15、某点被测元素含量较高，发射特征X射线信号就强，于是在荧光屏上就得到了较亮的图像，反之，在荧光屏上得到较暗的图像，从而可以定性地现实一个微区面上的某元素偏析情况。投射电子显微分析(TEM)1. 成像系统的放大倍数：物镜放大倍数100300倍，中间镜020倍，投影镜200倍。若物镜、中间镜、投影镜的放大倍数分别为M1、M2、M3，则成像系统的总放大倍数为 2. 复型（间接样品）制备方法与材料：是将样品表面浮凸复制于某种薄膜而获得的，利用这种样品在透射电镜下成像即可间接的反应原样品的表面型貌特征。要求：必须是无结构，非晶态的有足够的强度和刚度，良好的导电、导热和耐电子束轰击性能常用的复型材料是非晶碳

16、膜和各种塑料薄膜。3. 明场成像和暗场成像：利用透影到荧光屏上的选区衍射谱可进行透射电镜的两种最基本成像操作，选用直射电子形成的像为明场像；选用散射电子形成的像称为暗场像。4. 中心暗场成像：由于成像电子束偏离的透射电镜的光轴而造成较大的像差并在成像时难以聚焦，成像质量较差，为获得高质量的暗场像，常采用“中心暗场成像”，即将入射电子束反向倾斜一个相应的散射角度，而是散射电子沿光轴传播，使衍射束与光轴平行，正好通过光栏孔，而直射束和其它衍射束均被挡掉。5. 像衬度：像衬度是图像上不同区域敏感程度的差别。分为振幅衬度和相位衬度，振幅衬度分为质厚衬度和衍射衬度，它们分别是非晶体样品衬度和晶体样品衬度

17、的主要来源。6. 质厚衬度：非晶体样品透射电子显微图像衬度是由于样品不同微区间存在原子序数或厚度的差异而形成，即质量厚度衬度，简称质厚衬度，质厚衬度来源于电子的非相干弹性散射。7. 衍射衬度：在晶体样品的成像过程中，起决定作用的是晶体对电子的衍射。由样品各处衍射束强度的差异形成的衬度称为衍射衬度，简称衍衬。8. 透射电子显微分析应用：晶体缺陷、微观组织结构、晶体像测定分析。红外光谱分析1 红外光谱表示方法：纵坐标一般用透过率T（%）表示，横坐标用波长表示（nm）或用波数（）表示，因而吸收峰向下，向上则为透过。2 中红外波数范围：4000400。3 红外谱线的特征：1.吸收谱带的数目。2.吸收谱

18、带的位置。3.吸收谱带的强度。4.吸收谱带的形状。4 红外分析的特点：红外光谱法主要是研究在振动中伴有偶极距变化的化合物。红外吸收谱带的位置形状反应了分子结构的特点，可以用来鉴定未知物结构或确定化学基团；而谱带的吸收强度与分子组成或化合物基团的含量有关，可用进行定量分析和纯度鉴定。每种化合物都有他的特征红外光谱图。气体、液体、固体样品都可以鉴定，并且用量少，分析速度快，重复性好；红外光谱法不仅与其它许多分析方法一样，能进行定性和定量分析，也是鉴定化合物和测定分子结构的最有用方法之一。5 振动吸收条件：振动的频率与红外光光谱段的某频率相等。偶极距变化。6 双原子振动：分子中原子以平衡点为中心，以

19、非常小的振幅作周期性振动，可近似看作简谐振动。7 多原子分子的振动：伸缩振动（原子沿键轴方向伸缩，键长变化，键轴不变）变形振动（基团键角发生周期性变化键长不变）。8 振动的自由度：简正振动的数目称为振动自由度，每个振动自由度相当于红外光谱图上的一个吸收谱带。非线性分子振动形式有3n-6种，而线性分子有3n-5种。9 绝大数化合物在红外光谱图上出现的峰数远小于理论计算的振动数，是由于如下原因造成的没有偶极距变化的振动相同频率的振动吸收重叠，被简并。仪器不能区别那些频率十分接近的振动，或吸收很弱，仪器检测不出。有些吸收落在仪器检测范围之外。10 基团频率：通常把能代表其存在、并有较高强度的吸收谱带

20、称为谱带区或者官能团区，其所在的位置称为基团频率。11 影响谱带位置因素：基团频率主要是由基团中原子的质量和原子间的化学键力常数决定，一个特定的基团只有在和周围环境完全没有力学或电学耦合的情况下，它的化学键力常数才固定不变，一切能引起化学键常数改变的因素都会影响谱带的位置。12 固体试样制备方法：（1）卤化物压片法：将12mg试样与200g纯KBr研细均匀，置于模具中，加压至Pa压力，获得透明薄片，即可用于鉴定。（2）石蜡糊法：将干燥处理后的试样研细，与液体石蜡或全氟代烃混合，调成糊状，夹在盐片中测定。（3）薄膜法：主要用于高分子化合物测定，试样直接加热熔融后涂制成膜，也溶解在低沸点的易挥发溶

21、剂中，涂在盐片上，待溶剂挥发后成膜测定。13 红外光谱的应用：鉴定化合物和分子结构、化学键为常数计算、表面吸附性能研究。热分析1. 差热分析（DTA）、差示扫描量法（DSC）、热重法（TG）热分析法定义测量参数温度范围/应用范围差热分析法（DTA）程序控温条件下，测量在升温、降温或恒温过程中样品和参比物之间的温度差温度201600熔化及结晶转变、二级转变、氧化还原反应、裂解反应等的分析研究。主要用于定性分析差示扫描量热法（DSC）程序控温条件下，直接测量样品在升温、降温或恒温过程中所吸收或释放出的能量热量170725研究范围与DTA大致相同，但能定量测定多种热力学赫尔动力学参数，如比热、反应热

22、、转变热、反应速度和高聚物结晶度等热重法（TG）程序控温条件下，测量在升温、降温或恒温过程中样品质量发生的变化质量201000熔点、沸点测定，热分解反应过程分析与脱水量测定等；生成挥发性物质的固相反应分析等2. 热差分析的影响因素：（1）化合物中水的类型（2）阳离子的电负性、离子半径和电价，随着阳离子的电负性增大、离子半径减小电价升高，分解温度降低。（3）升温速率：提高升温速率将使DTA曲线的峰温增高，峰型尖锐狭长，降低毗连反应的分辨率（4）试样形状、粒度、称量和填装（5）压力和气氛3. 差热分析曲线表示方法：DTA曲线以温度或时间为横坐标，以式样和参比物温差T为纵坐标，以显示试样在缓慢加热和

23、冷却时的吸收与放热过程，吸热时成谷，放热时成峰。4. 物质产生热效应的原因：物理原因（结晶转变、熔融、气化、升华、吸附、脱附、吸收）化学原因（化学吸附、析出、脱水、分解、氧化度降低、氧化、还原、氧化还原反应）5. DTA的应用：物质鉴定、物质的物理化学过程分析、转变点温度测定、相图测定。6. 差示扫描法（DSC）：以热流率为纵坐标，以时间或温度为横坐标。7. DSC曲线和DTA曲线的区别：DSC曲线与DTA曲线形状相似，但它们的物理含义不同，DSC曲线的纵坐标表示热流率，DTA曲线的纵坐标表示温差T；DSC曲线的吸热峰为上凸峰，DTA吸热峰为下凹峰。8. 差示扫描法的应用：差示扫描法克服了差热

24、分析法以T间接表达物质热效应的缺陷，具有分辨率高、灵敏度高等优点，因而能定量测定多种热力学和动力学参数，且可进行晶体微细结构分析，具体应用（1）样品焓变测定（2）样品比热容测定（3）结晶性高聚物结晶度测定（4）液晶相变的热分析研究。9. 热重分析(TG):以质量（m）为纵坐标（从上到下质量减少）以温度或时间为横坐标（从左到右温度增加）m-T曲线。10. 微商热重曲线与微商热重法（DTG）：微商热重曲线是热重曲线中质量对时间进行一次微分得到dm/dtT曲线，表示质量随时间的变化率与温度或时间的关系。11. 微商热重曲线与热重曲线的关系：微商热重曲线上的峰顶点与热重曲线的拐点相对应，微商热重曲线上

25、的峰数与热重曲线上的台阶数相等，微商热重曲线的峰面积与失重量成正比。12. 热重分析应用：热重分析适用于加热或冷却过程中有质量变化的一切物质，配合DTA或DSC方法可以进行物质鉴定，活化能和反应级数的计算。电子能谱分析1 俄歇电子能谱法：利用具有一定能量的电子束激发样品的俄歇效应，通过检测俄歇电子的能量和强度，从而获得有关表层化学成分和结构信息的方法。2 俄歇效应：俄歇效应是原子发射的一个电子导致另一个或多个电子（俄歇电子）被发射出来而非辐射X射线（不能用光电效应解释），使原子、分子成为高阶离子的物理现象，是伴随一个电子能量降低的同时，另一个（或多个）电子能量增高的跃迁过程。3 表示方法：例如表示原子已有空穴是K层能级上的一个电子被激发出，L1能级上的一个电子填入K能级空穴，多余的能