材料表面现代分析方法课程论文

1、材料表面现代分析方法课程论文1 背景材料科学是一门实验性的学科，对材料成分，组织，结构，形貌的检测是必不可少的，能够有效的分析材料特征的方法有：中子衍射、电子衍射、红外光谱、X射线衍射。其中X射线衍射和电子衍射具有无损试样的优点，因此不仅在材料学科应用广泛，而且已经渗透到物理、化学、地球科学、以及各种工程技术科学中，成为一种重要的实验方法和结构分析手段。2 XRD的原理及应用2.1 X射线的产生和性质通常获得X射线是利用一种类似热阴极二级管的装置，用一定材料制作的板状阳极（靶）和阴极（灯丝）密封在一个玻璃-金属管壳内，阴极通电加热，在阳极和阴极间加以直流高电压U（约数千伏），则阴极产生大量热电

2、子e将在高压电场作用下飞向阳极，在它们与阳极碰撞的瞬间产生X射线（如图1所示），仪器检测发现有连续X射线谱和特征X射线谱两类。X射线是一种波长很短的电磁波，波长约0.01-10nm范围内，用于衍射分析的X射线波长范围为0.05-0.25nm。 图1.X射线产生装置2.2 X射线衍射原理用于衍射分析的X射线波长范围为0.05-0.25nm之间，这与晶体中的原子间距数量级相同，因此可以用晶体作为X射线的天然衍射光栅，这就使得用X射线衍射进行晶体结构分析成为可能。当X射线沿某方向入射某一晶体的时候，X射线通过晶体时，晶体中原子的电子在电磁场的作用下将产生受迫振动，其振动频率与入射X射线的频率相同。由

3、于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，晶体中每个原子的核外电子产生的相干波彼此发生干涉。当每两个相邻波源在某一方向的光程差（）等于波长的整数倍时，它们的波峰与波峰将互相叠加而得到最大限度的加强，这种波的加强叫做衍射，相应的方向叫做衍射方向，在衍射方向前进的波叫做衍射波。=0的衍射叫零级衍射，=的衍射叫一级衍射，=n的衍射叫n级衍射。n不同，衍射方向也不同。在晶体的点阵结构中，具有周期性排列的原子或电子散射的次生X射线间相互干涉的结果，决定了X射线在晶体中衍射的方向，所以通过对衍射方向的测定，可以得到晶体的点阵结构、晶胞大小和形状等信息。空间点阵可以看成是

4、互不平行的三组直线点阵的组合，也可以看作是由互相平行且间距相等的一系列平面点阵所组成。劳厄和布拉格就是分别从这两个角度出发，研究衍射方向与晶胞参数之间的关系，从而提出了著名的劳厄方程和布拉格方程。伦琴发现X射线之后，1912年德国物理学家劳厄首先根据X射线的波长和晶体空间点阵的各共振体间距的量级，理论预见到X射线与晶体相遇会产生衍射现象，并且他成功地验证了这一预见，由此推出了著名的劳厄定律：当X射线照射晶体时，若要在某个方向上能获得衍射加强，必须满足在晶体中三个相互垂直的方向上相邻原子散射线的波程差为波长的整数倍。此后不久布拉格在劳厄试验的基础上，导出了著名的布拉格定律：，几何原理如图2所示。

5、为半衍射角；d为晶面间距；为衍射波长；n为衍射级数。布拉格方程揭示了在晶体中产生衍射的条件。 图2. 布拉格方程几何原理2.3 XRD物相分析2.3.1 物相定性分析不同的多晶体物质的结构和组成元素各不相同，它们的衍射花样在线条数目、角度位置、强度上就呈现出差异，衍射花样与多晶体的结构和组成有关，一种特定的物相具有自己独特的一组衍射线条（即衍射谱），反之不同的衍射谱代表着不同的物相+ 若多种物相混合成一个试样，则其衍射谱就是其中各个物相衍射谱叠加而成的复合衍射谱+ 因而，我们可以通过测定试样的复合衍射谱，并对复合衍射谱进行分析分解，从而确定试样由哪几种物质构成。 2.3.2 物相定量分析 物相

6、定量分析的任务是用X射线衍射技术，准确测定混合物中各相的衍射强度，从而求出多相物质中各相的含量。其理论基础是物质参与衍射的体积或者重量与其所产生的衍射强度成正比，因而，可通过衍射强度的大小求出混合物中某相参与衍射的体积分数或者重量分数，从而确定混合物中某相的含量。例如，向微米级Si3N4基体中加入Si3N4和TiC纳米颗粒, 利用热压烧结工艺得到了性能优良的纳米复合陶瓷材料Si3N4 /TiC,对其进行物相分析如下图3所示： 从图中可以看出纳米复合陶瓷材料Si3N4 /TiC中有， , 三相存在。2.4 晶粒尺寸分析多晶体材料的晶粒尺寸是影响其物理、化学等性能的一个重要因素! 用X射线衍射法测

7、量小晶粒尺寸是基于衍射线剖面宽度随晶粒尺寸减小而增宽这一实验现象，这就是1918年谢乐首先提出的小晶粒平均尺寸（D）与衍射线真实宽度之间有的数学关系式，该式也称为谢乐公式，其中D为晶粒的平均尺寸；K为接近1的常数；为特征X射线衍射波长；为衍射线剖面的半高宽，即半峰宽，为布拉格角。注意在对材料晶粒尺寸测定时，首先要对材料进行去应力处理，因为材料中的微观应力一般使衍射峰（线）变宽，有时也会引起衍射峰（线）位移。例如，对A，B两组晶粒尺寸不同的纳米材料分析如下图4所示：图4. A，B两组晶粒尺寸不同的材料XRD衍射由图4分析可知两组试样的晶体类型基本一致，但峰的宽化程度有差别，根据谢乐方程可计算晶粒

8、尺寸，其中A组试样的=62.45nm，B组试样的=445 nm。3 扫描电子显微镜原理及应用3.1 扫描电子显微镜工作原理扫描电子显微镜是一种大型分析仪器。它广泛应用于观察各种固态物质表面超微结构的形态和组成。扫描电子显微镜能从左刭右、从上到下依次对试样进行扫掠。在电子扫描中。把电子束从左到右方向的扫描运动叫做水平扫描，把电子束从上到下方向的扫描运动叫做帧扫描。二次电子成象是使用扫描电镜所获得的各种图象中应用最广泛，分辨率最高的一种图象。以二次电子成象为例来说明扫描电镜成象的原理。由电子枪发射的电子束最高可达30keV，经会聚透镜、物镜缩小束。在扫描线圈的磁场作用下，入射电子束在样品表面上按照

9、一定的空间和时间顺序做光栅式逐点扫描。由于人射电子与样品之间的相互作用将从样品中激发出二次电子（如图5所示）。由于二次电子收集极的作用可将各个方向发射的二级电子汇集起来，再将加速极加速射到闪烁体上，转变成光信号，经过光导管到达光电倍增管。使光信号再转变成电信号。这个电信号又经视频放大器放大并将其输送至显像管的栅极，调制显像管的亮度。因而，再荧光屏上呈现一幅亮暗程度不同的、反映样品表面形貌的二次电子象。在扫描电镜中，入射电子束在样品上的扫描和显像管中电子束在荧光屏上的扫描是用一个共同的扫描发生器控制的。这样就保证了入射电子束的扫描和显像管中电子束的扫描完全同步，保证了样品上的“物点”与荧光屏上的

10、“象点”在时间和空间上一一对应。称其为“同步扫描”。一般扫描图象是由近100万个与物点一一对应的图象单元构成的，正因为如此，才使得扫描电镜除能显示一般的形貌外。还能将样品局部范围内的化学元素、光、电、磁等性质的差异以二维图象形式显示 图5.入射电子束与样品表面相互作用而激发出来的各种信息图6.扫描电子显微镜工作原理图3.2 扫描电子显微镜特点1） 仪器分辨率较高，通过二次电子象能够观察试样表面6nm左右的微结构，采用LaB6电子枪，可以提高到3nm。2） 仪器放大倍数变化范围大，且能连续可调。因此可以根据需要选择大小不同的视场进行观察，同时在高放大倍数下也可获得一般透射电镜较难达到的高亮度的清

11、晰图像。3） 观察样品的景深大，视场大，图像富有立体感，可直接观察起伏较大的粗糙表面和试样凹凸不平的金属断口形貌。4） 样品制备简单。只要将块状或粉末状的样品稍加处理或不处理，就可直接放到扫描电镜中进行观察，因而更接近于物质的自然状态。5） 可以通过电子学方法有效地控制和改善图像质量，如亮度及反差自动保持，试样倾斜角度校正，图象旋转，或通过Y调制改善图象反差的宽容度，以及图象各部分亮暗适中。采用双放大倍数装置或图象选择器，可在荧光屏上同时观察放大倍数不同的图象。6） 可进行综合分析。装上波长色散X射线谱仪(WDX)或能量色散X射线谱仪(EDX)，使具有电子探针的功能，也能检测样品发出的反射电子

12、、X射线、阴极荧光、透射电子、俄歇电子等。把扫描电镜扩大应用到各种显微的和微区的分析方式，显示出了扫描电镜的多功能。3.3 举例说明 例如，Al2O3/TiC复合陶瓷材料，在含钴量不同时的SEM表面形貌照片。a图为Al2O3-TiC；b图为Al2O3-TiC-3%；c图为Al2O3-TiC-5%；d图为Al2O3-TiC-8%。如下图7所示：Al2O3/TiC复合陶瓷材料不含钴时，其颗粒粗大，分布不均匀，如7-a图；当含钴为3%时，其表面颗粒细小，分布均匀，且没有裂纹和微孔，如7-b图；当含钴量为5%时，颗粒细小，分布均匀，但有微裂纹分布于晶界和晶粒内部，如7-c图；当含钴量为8%时，颗粒细小

13、，分布均匀，但有微孔存在于晶粒中，如7-d图。综合分析Al2O3-TiC-3%具有较好的力学性能 图7. Al2O3/TiC复合陶瓷材料不同含钴量的SEM表面形貌4 参考文献1 周玉主编. 材料分析方法. 北京：机械工业出版社， 2004(11).2 王龙龙 .扫描电子显微镜J.工业技术.2012，（11）.3 吕志杰, 艾兴, 赵军, 王素玉.Si3N4/ TiC纳米复合陶瓷材料显微结构J. 山东大学学报2005,(2).4 饶群力，路庆华， 毕刚，王瑞斌，范小兰. 纳米SiC颗粒SAXS表征及其与XRD、SEM的比较J.上海交通大学学报. 2004，（10）.5 杨新萍. X射线衍射技术的发展和应用J.