材料现代测试方法实验指导

1、实验一. X射线衍射分析学时：2 要求：必做 类型：演示 类别：专业基础一、目的要求1. 了解X射线的发现史，X射线衍射技术的发展史； 2. 了解多晶（粉末）X射线衍射分析仪器的构造及其功能以及X射线衍射的基本原理；3. 熟悉和掌握标准粉末衍射（PDF）卡片、索引及使用方法；能够完成物相定性分析。二、实验原理多晶体（粉末）X射线衍射分析仪是用单色X射线照射多晶体（粉末）样品，在满足布拉格公式（2dsin=n）条件时产生衍射，把衍射图谱记录下来用以分析晶体结构的仪器，主要用于以下几个方面：1 X射线物相分析，就是根据样品的衍射线的位置、数目及相对强度等确定样品中包含有那些结晶物质。2 进行X射线

2、定量物相分析以及根据晶格常数随固溶度的变化来测定相图或固溶度等3 根据X射线衍射线的线形及宽化程度等来测定多晶试样中晶粒大小、应力和应变情况等。4 根据样品的衍射峰位和衍射强度，可以完成未知样品的晶体结构解析。三、实验仪器设备该仪器为日本理学公司生产的SmartLab3kW，SmartLab 9kW和赛默飞世尔公司的ARL XTRA型多晶体（粉末）X射线衍射分析仪，由X射线发生器、测角仪、探测器和控制运算部分构成。多晶体（粉末）X射线衍射分析仪示意图X射线衍射分析仪光路图封闭式X射线管结构图四、操作步骤5 按仪器说明书规定顺序打开电源、冷却水和衍射仪。6 按仪器说明书中规定步骤和时间逐步将X射

3、线管的电压、电流升到所需数值。7 将粉末样品压入样品板里，去掉多余样品，将样品板插入样品台。8 根据样品和测试要求设定扫描条件。9 按“开始”键开始样品测试。10 在样品测试结束后，按仪器说明书中规定步骤和时间逐步降低电压、电流，关闭仪器，关闭冷却水，关闭电源。五、数据处理1. 用得到的样品衍射图谱进行平滑、去背底、检峰等处理和计算，得到各个衍射峰的角度、d值、半高宽、绝对强度、相对强度的数据。2. 根据得到的衍射峰数据和其他样品的信息用,利用Search Match软件进行样品的物相定性分析，同时找到样品里所含各种结晶物质的PDF卡片3. 根据测试目的，用得到的衍射峰数据和PDF卡片数据进行

4、计算，得到所需要的结果。六、问题分析： 1 列举三名在X射线衍射领域做出巨大贡献的科学家，并简述其贡献。2 布拉格公式（2dsin=n）中的d、各代表什么意思？3 索引分为几种？怎样使用？4 卡片分成几个区域？和衍射图谱检索有关的主要有那些区域的数据？X射线衍射图谱和数据标准粉末衍射（PDF）卡片（执笔人：潘志刚）实验二 电子显微分析学时：6学时 实验性质：必做 实验类型：综合、设计 实验类别：专业基础Part I透射电子显微分析一、实验目的1. 了解透射电子显微镜的结构和工作原理2. 掌握透射电子显微镜样品制备的方法。3. 掌握透射电镜衍衬像和高分辨像的成像方法、辨别及图像分析等。二、实验原

5、理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。透射电镜的成像原理：阿贝首先提出了相干成像的一个新原理，即衍射谱(傅里叶变换)和二次衍射成像的概念，并用傅里叶变换来阐明显微镜成像的机制。透射电镜的成像原理就是利用阿贝成像原理。根据光学中的阿贝成像理论，当一束平行光束照射到具有周期结构特点的物体时会产生衍射现象，如图1所示。除零级衍射束(即透射束)外，还有各级衍射束，通过透镜(物镜)的聚焦作用，在其后焦面上形成衍射振幅的极大值，每个振幅极大值又看看成次级相干波源，由它们发出的次级波在像平面上相干成像。图1中像平面上的A、B及C就是周期

6、结构物点A、B和C的像。这样阿贝的透镜衍射成像可分为两个过程：一是平行光束收到周期特点物体的散射作用形成各级衍射谱，及物的信息通过衍射谱呈现出来；二是各级衍射波通过干涉重新再像平面上形成反映物体特征的像。显然，这要求从物体同一点出发的各级衍射波在经过上述两个过程后必须在像平面上会聚为一点，图1中，从A点发出的各级衍射波最后在像平面上A点成像；而从物体不同点发出的同级平行散射波经过透镜后都聚焦到后焦面上的同一点，只有这样才能形成反映物体特点的传统意义的像。参与成像的次级波越多，叠加的像越与物接近。在电子显微镜中，用电子束代替平行光束，用薄膜样品代替周期性结构的物体，就可以重复以上衍射过程。图1阿

7、贝成像原理示意图三、实验仪器设备及流程本实验用仪器为日本电子公司生产的JEM-2010 UHRTEM高分辨电镜。仪器性能指标：加速电压200KV，线分辨率1.43Å，点分辨率1.9Å。它由电子光学系统、电源与控制系统及真空系统三部分组成。1. 电子光学系统组成电子光学系统透射电子显微镜的核心，它分为三部分，照明系统、成像系统和图像观察记录系统，具体详见图2。(1) 照明系统照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中、倾斜调节装置组成。其作用是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源。电子枪是透射电子显微镜的电子源，常用的有热阴极LaB6电子枪(本机用的是六硼化

8、镧电子枪)和场发射电子枪(冷场发射和肖特基发射(热场)。聚光镜用来会聚电子枪射出的电子束，以最小的损失照明样品，调节照明强度、孔径角、和束斑大小。常规的透射电镜中一般采用双聚光镜系统。(2) 成像系统成像系统主要是由物镜、中间镜和投影镜组成。物镜是用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。透射电子显微镜分辨本领的高低主要取决于物镜。物镜的分辨本领主要决定于极靴的形状和加工精度。物镜的后焦面上安放的是物镜光阑。中间镜是一个弱激磁的长焦距变倍透镜。如果把中间镜的物平面和物镜的像平面重合，则在荧光屏上得到一幅放大像，这就是电子成像操作；如果把中间镜的物平面和物镜的后焦面重合，则在荧光屏

9、上得到一幅电子衍射花样，这就是电子衍射操作。图2 JEM-2010透射电镜电子光学系统剖面图投影镜的作用是把经中间镜放大（或缩小）的像（或电子衍射花样）进一步放大，并投影到荧光屏上。目前，高性能的透射电子显微镜大都采用5级透镜放大，即中间镜和投影镜有两级，分第一中间镜和第二中间镜，第一投影镜和第二投影镜。(3) 观察记录系统观察和记录装置包括荧光屏、照相机构和计算机。2透射电镜的成像衬度透射电镜的成像衬度分为质厚衬度、衍射衬度和相位衬度，分别对应质厚衬度像、衍射衬度像和相位衬度像，如图3所示。质厚衬度是由于非晶试样中各部分厚度和密度差别导致对入射电子的散射程度不同而形成的衬度.衍射衬度是基于晶

10、体薄膜内各部分满足衍射条件的不同而形成的衬度。根据衍射衬度原理形成的电子图像称为衍衬像.在实验中，既可以选择特定的像区进行电子衍射(选区电子衍(a) 质量厚度衬度像(d) 相位衬度像图3 透射电镜的衬度像(b) 衍射衬度明场像(c) 衍射衬度暗场像射)，也可以选择一定的衍射束成像,称为选择衍射成像.选择单光束用于晶体的衍衬像, 选择多光束用于晶体的晶格像。若物镜光阑套住其后焦面的中心透射斑，形成的电子图像称为明场像(BF)，若物镜光阑套住其后焦面的某一衍射斑,形成的电子图像称为暗场像(DF)。相位衬度：衍射束和透射束或衍射束和衍射束由于物质的传递引起的波的相位的差别而形成的衬度。入射电子波照射

11、到极薄试样上后，入射电子受到试样原子散射，分为透射波和散射波两部分，它们之间相位差为/2。如果物镜没有像差，且处于正焦状态，透射波与散射波相干结果产生的合成波振幅相同或相接近，强度差很小，所以不能形成像衬度。如果引入附加的相位差，使散射波改变/2位相，那么，透射波与合成波的振幅就有较大差别从而产生衬度，这种衬度称为相位衬度。常用方法是利用物镜的球差和散焦。在加速电压、物镜光阑和球差一定时，适当选择散焦量使这两种效应引起的附加相位变化是(2n-1)/2，n=0，1，2,就可以使相位差变成强度差，从而使相位衬度得以显示出来。高分辨电子显微像是相位衬度的一种，相位衬度还包括波纹像、费涅尔条纹、层错条

12、纹等。高分辨电子显微像种类包括一维晶格条纹像、一维晶格像、二维晶格像、二维结构像和原子像等。3试样的制备方法根据透射电镜所观察样品类型的差异，可分别采用如下方法来制备获得满足观察需要的薄试样：(1) 粉碎方法，(2) 电解抛光方法，(3) 超薄切片方法，(4) 离子减薄方法，(5) 聚焦离子束方法等。四、实验操作步骤自己选定两种方案的一种：方案一：纳米材料表征(一）试样的准备：自己选定一种一维纳米材料，如碳纳米管、纳米线或纳米带。(二) 透射电镜试样制备。自己选定以下的方法：1. 粉末法。自己设计工艺路线。所用设备：真空镀膜仪、真空干燥箱等。2. 切片法。自己包埋试样，然后进行切片。所用设备：

13、超薄切片机、制刀机、冰箱、加热板和真空干燥箱等。(三）电镜观察。在指导老师的指导下，选择区域，获得高质量的高分辨电子显微像。所用设备：200kV高分辨透射电镜。方案二：晶体材料的物相分析(一）试样准备：自己选定一种固体结晶质材料，如方解石、石英、萤石、SrTiO3、BaTiO3等。(二) 试样制备：机械磨薄和离子减薄。所用设备：离子减薄仪、3mm冲片器、磨片机、凹坑研磨机和加热板等。(三）用透射电子显微镜进行电子衍射，获得二到三张电子衍射图。所用设备：200kV透射电镜。五、数据处理1衍射图谱分析。根据所得的电子衍射图，自己设计分析方案，编制计算机程序，确定物相结构。2高分辨电子显微像分析：从

14、图像上测定晶面间距，根据JCPDS卡片确定晶面指数，然后确定图像的方向；如果图像能观察到晶体缺陷，简单指出缺陷的类型、晶体中的取向等信息，并对性能的影响加以讨论。六、分析讨论题1TEM的图像衬度有哪些？2在TEM成像过程中物镜光阑的作用是什么？3TEM有哪些分析功能？4选区电子衍射的基本公式是什么？如何进行电子衍射图谱的标定？Part II扫描电子显微分析一、实验目的1了解扫描电子显微镜的基本构造和工作原理2掌握电镜的样品制备3掌握扫描电镜的一般操作过程4掌握扫描电镜的图像衬度和图像分析方法二、实验原理1. 扫描电镜工作原理以二次电子的成像为例，由电子枪发射的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级

15、聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在偏转线圈作用下于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射（以及其它物理信号），二次电子发射量随试样表面形貌而变化。二次电子信号被探测器收集转换成电信号调制显示器的亮度。2. 扫描电镜的图像衬度扫描电镜图像衬度是信号衬度，根据其形成的依据，可分为形貌衬度、原子序数衬度和电压衬度。形貌衬度的形成是由于某些信号，如二次电子、背散射电子等，其强度是试样表面倾角的函数。二次电子像是最典型的形貌衬度。原子序数衬度是由于试样表面物质原子序数（或化学成分）差别而形成的衬度。背散射电子像、吸收电

16、子像都包含原子序数衬度。电压衬度是由于试样表面电位差别而形成的衬度。这种局部电位将使样品和探测器之间的静电场分布发生变化，从而影响二次电子的轨迹和信号强度。如可用来检测集成电路芯片的表面电位分布像。3. 扫描电镜的成像信号聚焦电子束与样品作用产生一系列信号：二次电子、背散射电子，特征X射线、俄歇电子、X荧光等，扫描电镜所使用的信号探测器有二次电子探测器、背散射电子探测器和能谱仪探测器（特征X射线探测器），所以通过本仪器可以看到二次电子像、背散射电子像和能量色散谱图。一般情况下，利用扫描电镜观察的是样品表面的二次电子像（形貌衬度像）。通过改变Singnal可看到背散射电子像，背散射电子信号既有形

17、貌的信息又有原子序数的信息，因此背散射电子像采用背散射电子信号分离观察有三种模式：组成像、形貌像和阴影像，如图1所示。图1 扫描电镜背散射电子像（BEI），（a）阴影像，(b) 组成像，（c）形貌像三、实验仪器设备及流程该实验用仪器为日本电子公司(JEOL)生产的JSM-5900，其主要性能指标：分辨率3nm，最大加速电压30KV。由真空系统、电子控制系统和电子光学系统组成。电子光学系统由电子枪、聚光镜、物镜、物镜光阑和样品室等部件组成，扫描电镜剖面图及基本构造外型如图2所示。本实验选取两个样品观察二次电子像和背散射电子像。样品制备：对于导电样品，选取适合样品台大小的尺寸，用导电胶粘在样品台上

18、放入即可。对于块状非导电样品或粉末样品，则需先用导电胶或双面胶粘在样品台上用离子溅射仪镀上导电层如金、铂或碳。注意样品中不能含有挥发性物质或腐蚀性物资，如水，乙醇，丙酮等。四、实验操作步骤将仪器镜筒放气，打开样品室门，插入样品台，关闭样品室门。按下相应的抽真空按键，仪器自动抽真空到10-4，运行JSM-5900Main Menu，见图3所示的JSM-5900的用户图形界面。点击HT，逐级加高压至15KV或20KV，屏幕会出现图象，若未出现，则由于样品位置未在中央或电子束焦点未在样品上，移动样品或按住focus，上下移动鼠标即可得到清晰的图像，改变放大倍数可得到不同放大倍数的图像。用Scan3或

19、Scan4都可得到清晰的照片，只是图像的像素不同而已。保存图片到文件夹即可。图2 JSM-5900扫描电镜的剖面图(a)及外形构造图(b)图3 JSM-5900操作界面五、数据处理（略）六、分析讨论题1. 扫描电镜有哪些图像衬度？2. 扫描电镜有哪些成像信号？3. 影响扫描电镜图像分辨率的因素是什么？Part III X射线能谱显微成分分析一、实验目的1了解X射线能谱仪（简称能谱仪，英文为：Energy Dispersive Spectrometer，缩写为EDS）的构造、工作原理；2熟悉X射线能谱的元素分析的分析方法和应用；3掌握正确选用微区成分分析方法及分析参数的选择。二、实验原理能谱仪利

20、用电子束与样品作用，在一个有限深度和侧向扩展的微区体积内，激发产生X射线讯号，它们的波长（或能量）和强度将是表征该微区内所含元素及浓度的重要信息。能谱仪所能分析的元素可从4Be到92U，但原子序数低于12的轻元素或超轻元素的测定，需要某些特殊的条件和技术。微区成分的定量分析，即把某元素的特征X射线强度换算成百分浓度。1能谱仪工作的基本原理由试样出射的具有各种能量的X光子，相继经Be窗射入Si(Li)内，在1区产生电子空穴对.每产生一对电子空穴对，要消耗掉X光子3.8eV能量。因此每一个能量为E的入射光子产生的电子-空穴对数目N=E/3.8，入射X光子的能量越高，N就越大。利用加在晶体两端的偏压

21、收集电子空穴对，经前置放大转换成电流脉冲，电流脉冲的高度取决于N的大小，电流脉冲经主放大器转换成电压脉冲进入多道脉冲高度分析器。脉冲高度分析器按高度把脉冲分类并进行记数，这样就可以描出一张特征X射线按能量大小分布的图谱。2X射线能谱显微成分分析方法(1) 化学成分分析(元素定性、定量分析)扫描电镜的能谱分析可以把样品的成分和形貌、乃至结构结合在一起进行分析。既可对在较大范围区域内进行组分分析，也可对微小区域进行成分分析，最小分析区取决于X射线的空间分辨率（X射线在样品中的出射区域的大小）。在分析电子显微镜的分析中，电子束在试样中的扩展直接影响了空间分辨率，加速电压的选择、入射电子束直径、试样的

22、密度计元素组成(原子质量和原子序数)等都是决定空间分辨率的因素。定量分析是通过X射线的强速来获取组成样品材料的各元素的浓度(含量)。根据实际情况，前人提出了测量未知样品盒标样的强度比方法，再将强度比经过定量修正换算成浓度比。最广泛使用的一种定量修正技术是ZAF修正。图1为试样元素定性、定量分析结果。(2) 元素的X射线面分布电子束只作用在试样上一点，得到的是X射线能谱显微分析的定点分析方法(包括定点定性和定点定量分析)，对于不同元素在试样中的分布以及它们含量的百分浓度，可以通过扫描电镜，使电子束在试样上做二维扫描，测量特征X射线的强度，使与这个强度对应的亮度变化与扫描信号同步在阴极射线管CRT

23、上显示出来，就得到特征X射线强度的二维分布的像，如图2(a)所示，这种分析方法称之为元素的面分布（X-Ray Mapping）分析方法。(3) 元素的X射线线分布在面分布图上沿着指定的直线段提取出的X射线信号的强度分布曲线，称为X射线线扫描（X-Ray Linescan），可以获得感兴趣元素的X射线强度沿这条线的分布图，如图2(b)-(c)所示。Element LineWeight %Atom %FormulaCompnd %O K34.29S62.04(null)-Al K0.900.96Al2O31.70Si K1.591.64SiO23.40S K4.474.03SO311.16Cl K

24、0.340.28Cl0.34Ca K3.742.70CaO5.23Fe K54.6828.35Fe2O378.18Total100.00100.00100.00图1 X射线能谱显微成分分析元素定性、定量分析结果三、实验仪器设备X射线能谱仪的基本结构：锂漂移硅Si(Li)探测器，数字脉冲信号处理器，模数转换器，多道分析器及计算机。四、实验操作步骤1试样准备：与SEM相同，为了得到较精确的定性、定量、面分布以及线分布的分析结果，应该对试样进行适当的处理，尽可能使试样表面平整、光洁。同时保证试样中无挥发性物质，以免真空下对电镜镜筒和X射线探头造成污染、损坏。然后放入SEM样品室中，调整试样的工作距离

25、，使X射线探测器以最佳的立体角接受试样表面激发出的特征X射线。2分析过程：打开SEM高压，选择合适的加速电压，一般选择最高谱峰能量的23倍。调整SEM以观察样品的表面形貌，选择待分析的区域，增加SEM的电子束束斑到能谱仪具有足够的X射线的强度（大于500cps），调整SEM的焦距，观察到清晰的图像，然后进行选区或点，用能谱仪采集图谱，然后进行定性和定量分析，还可进行元素的线、面的成分分布分析。(a) 镀Cr层-金属基体中元素的面分布图（Mapping）(b) Si3N4陶瓷层活塞环横断面二次电子像(SEI)(c) (b)中横线上元素的线分布图图2. 能谱仪与SEM结合进行元素的线扫描、面扫描分

26、布分析五、数据处理能谱仪所能分析的元素(定性分析)可从4Be到92U，但原子序数低于12的轻元素或超轻元素的测定需要某些特殊的条件和技术。利用能谱仪进行微区成分的定量分析(原子序数大于12 的元素)，即把元素成分经过一系列校正定量计算出来。六、分析讨论题1能谱仪的构造有哪些部分？其基本工作原理是什么？2能谱仪具有哪些分析方法？3能谱仪进行定性分析的基本原理是什么？ （执笔人：刘云飞、施书哲）实验三 综合热分析学时：2 实验性质：必做 实验类型：综合 实验类别：专业基础一、实验目的1了解材料热分析测试技术发展历史，了解TG、DSC等热分析仪器的构造及基本工作原理；2熟悉热分析的实验步骤及简单实例

27、分析，通过实验学会读TG和DSC图，了解热重和差热曲线的物理含义，根据热重和差热曲线分析材料在加热过程中的物理和化学变化。引导学生感知测试技术对材料研究的作用，追求创新的态度和意识，为应用热分析方法开展研究打下基础。二、实验原理国际热分析协会（ICTAC）定义：热分析是在一定的气氛中测量样品的性质随温度的变化的关系的一组技术。差示扫描量热法的基本原理是在程序控温下，样品和参比样之间的温度差或功率补偿值与样品温度的关系曲线，横坐标为时间或温度，纵坐标为热电势或功率，曲线的形状与样品的潜热和显热有关。潜热在曲线上显示出峰效应，而显热表现为基线。曲线的数学描述由日本学者神户博太郎给出：a：基线 开始

28、升温后，样品和参比物之间有温度差T存在，一定时间平衡后，样品和参比物才按程序升温速度（V）升温，此时T成为定值，形成差热曲线的基线（T）a。当t较大时，（T） （T）a：（T）a=b峰 差热曲线热效应峰与基线所围城的面积正比于过程的热效应。三、实验仪器设备及流程仪器名称型号厂家仪器技术指标分析内容差热/热重分析仪STA 449C/6/F德国Netzsch公司最高温度1650，重量灵敏度0.1g，各种气氛条件热分解温度、相转变温度相变热焓、温度稳定性和氧化稳定性、比热Cp、反应阶段和反应动力学差示扫描量热仪DSC 204/1/F德国Netzsch公司温度范围为-170700，各种气氛条件熔点、熔

29、融热和结晶热、反应动力学、比热、相转变温度、结晶度、纯度、氧化诱导期、玻璃化温度四、实验操作步骤（1）打开电源、电脑，运行STA449C测试软件，打开控制箱及测试主机，检查气体种类、气流速度是否正确；（2）打开水箱，设定其恒温值高出室温23；（3）设定正确的热电偶、坩埚和支架类型；（4）由测试软件检测支架信号、重量信号，使仪器处于正常的工作状态；（5）做基线：参比及试样位置上分别放置干净的坩埚，在测试程序中选定“Correction”，输入相应的测试温度范围、升温速度、气体种类及流量等测试条件，启动程序进行测试；（6）保存基线测试结果；（7）测试样：在试样坩埚内装入430mg试样（根据测试要求

30、可变动），记录精确质量，在程序中输入与“Correction”相同的测试条件，启动程序自动测试；（8）保存测试结果，打开综合热分析软件；（9）利用综合热分析软件对测试数据进行分析，给出一定温度范围内的失重、热量变化值及特征温度；（10）打印分析结果。五、数据处理（1）仪器结构简图见图1和图2。请标出下列仪器结构图中各部分的名称。图1 STA 449C/6/F同步热分析仪结构简图图2 DSC 204/1/F差示扫描量热仪结构简图（2）读图。说明下列试样在加热过程中的质量变化与温度的关系。图3 铁氧体粉体的热重曲线六、分析讨论题（1）读图 聚四氟乙烯的DSC图如下。指出该材料的Tg及熔融温度。图4

31、 聚四氟乙烯DSC图（2）热分析有哪些应用？举例说明，比较全面地理解测试技术对材料研究的作用。（3）测试注塑料粒料（该粒料由高分子材料与无机95氧化铝配料构成）的TG-DSC曲线，导出测试数据，采用ORIGIN或EXCEL软件绘图，描述注塑料粒料种类和吸放热随温度变化规律，分析在加热过程中该有机和无机物含量的变化，有机物可能是什么体系？查找高分子材料PP、PE、PS、PC、PVC的典型DSC曲线，推测注塑料中高分子材料的种类。注塑料粒料经过注塑成型烧成后，可获得95氧化铝陶瓷制品。通过TG-DSC曲线简单说明烧成制度制定时要注意的问题。通过查阅文献综合分析热分析技术对材料研究的作用。（ 执笔人：李晓云、罗亚丽）实验四 傅立叶变换红外光谱实验学时：2 要求：必做 类型：演示 类别：专业基础一 实验目的1了解红外光谱仪发展史，了解色散型红外光谱及傅里叶变换型红外光谱仪的区别及发展进程2初步了解傅立叶变换红外光谱仪的结构及工作原理3熟悉FT-IR的实验操作过程4阅读红外测试相关文献，