材料结构与性能测试实验指导书材料化学专业

1、实验 一 纳米钛酸锆粉体的合成与钛酸锆陶瓷的制备一、实验目的 1、熟练掌握化学沉淀法合成粉体技术 2、研究TiO2含量即不同的Zr/Ti 比对其微结构及介电性能的影响3、了解陶瓷坯体的成型的影响因素二、实验原理 化学沉淀法原理是在的混合溶液中加入适量的适当沉淀剂，并且在良好的条件控制下使钛离子、锆离子与沉淀剂形成沉淀物，再对沉淀物进行适当的处理得到ZrxTi1-xO2(x =0.40，0.5，0.60)粉体。该法主要使用的沉淀剂有草酸、柠檬酸、碳酸盐和氨水。化学沉淀法工艺简单、反应条件温和，容易控制，但是反应所得的粉体容易引入杂质，并且粒度分布较宽，在使用前还需要再次处理。三、实验内容1、实验

2、所需仪器和试剂仪器：磁力搅拌器，干燥箱，烧杯，量筒，箱式电阻炉，压片机试剂：硫酸钛，氧氯化锆，盐酸，氨水，无水乙醇2、实验步骤1）按照 ZrxTi1-xO2 (x=0.40, 0.50, 0.60)的配比，分别配制0.5 mol/L 的Ti(SO4)2 和ZrOCl2·8H2O水溶液，并将两溶液混合均匀。2）在室温下缓慢滴加氨水到基液中搅拌，并用盐酸与氨水体积比为1:1的溶液调节PH值为9，3）滴加完毕后继续搅拌1 h，过滤，产物用去离子水洗除杂质离子，用无水乙醇脱水后，于 80oC 干燥。4）对产品进行差热分析，确定粉体的煅烧制度；5）于 800oC 煅烧,可制得一系列粉体，红外分

3、析确定样品的化学成分。6）SEM观察煅烧后粉体的形貌, XRD 检测样品的物相组成。8）成型：在煅烧好的粉体中加入适量的质量分数为4.5%的PVA溶液作为粘结剂，混合均匀后，使用压片机，在10MPa压力下压制成厚度为1.5mm、直径为15mm的坯体（具体尺寸大小需要测量。9）烧成：把样品迭放在刚玉板上，样品之间垫上一些同种成分的熟料粉或经煅烧的ZrO2粉。坩埚口和刚玉板都应磨平。坩埚应放在炉膛内温度均匀的区域，即炉膛中央部位，不能大靠近硅碳棒和炉门。注意：在烧结前将坯体120干燥6h。具体烧结升温制度为：， 分别在1450, 1500, 1550和1600oC空气气氛中烧结4 h，升温和降温速

4、率均为10oC/min.四、实验过程中，注意观察实验现象，不同的Zr/Ti 比对其微结构及介电性能的影响。判断出烧成坯体的烧成质量。实验 二 热分析曲线分析一、实验目的及要求1、了解差热分析仪和热重分析仪工作的基本原理、结构及操作方法。2、掌握热分析曲线分析。二、主要仪器设备：差热分析仪和热重分析仪三、实验内容与方法1、由教师介绍差热分析仪和热重分析仪的构造并作示范测试操作。2、热分析曲线（DTA、TG-DTA）分析。四、差热分析仪和热重分析仪工作的基本原理、结构及操作方法。差热分析仪1. 差热分析基本原理和结构    物质在加热过程中的某一特定温度下，

5、往往会发生物理、化学变化并伴随有吸、放热现象。差热分析（DTA）是通过物质在加热过程中特定温度下的吸、放热现象来研究物质的各种性质的。它是程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差与温度的关系的一种技术。检测和记录温度差与温度关系的仪器是差热分析仪。它主要由加热炉及温度控制单元、样品支持器、热电偶及记录仪组成。2. 样品差热测量的实验操作步骤（1）将等量的符合要求的试样和参比物以同样的方式填入两个相同坩埚，分别放入加热炉中的试样座与参比座；（2）记录仪的温度限标分别置于起始和终止温度；（3）调整温度控制程序的偏差指示，使偏差指示在零位附近；（4）调节差热放大器的“调零”旋钮，使差热指示为0；

6、（5）选择适当的量程范围、升温速度和走纸速度；（6）差热仪预热20min后，接通电炉电源，启动记录仪马达，使差热仪按预定条件进行样品测量；（7）观察差热曲线，峰顶位置在基线右边表明样品有吸热，在基线左边表明样品有放热；（8）样品测试完毕，断开各单元电源。热重分析1、 基本原理和结构热重分析法是在程序控制温度下，测量物质的质量随温度变化的一种实验技术。热重分析通常有静态法和动态法两种类型。静态法又称等温热重法，是在恒温下测定物质质量变化与温度的关系，通常把试样在各给定温度加热至恒重。该法比较准确，常用来研究固相物质热分解的反应速度和测定反应速度常数。动态法又称非等温热重法，是在程序升温下测定物质

7、质量变化与温度的关系，采用连续升温连续称重的方式。该法简便，易于与其他热分析法组合在一起，实际中采用较多。热重分析仪的基本结构由精密天平、加热炉及温控单元组成。由热重分析记录的质量变化对温度的关系曲线称热重曲线（TG曲线）。曲线的纵坐标为质量，横坐标为温度。2、热重分析的样品测试步骤（1）调整天平的空称零位；（2）将坩埚在天平上称量，记下质量数值P1，然后将待测试样放入已称坩埚中称量，并记下试样的初始质量；（3）将称好的样品坩埚放入加热炉中吊盘内；（4）调整炉温，选择好升温速率（若为自动记录，应同时选择好走纸速度，开启记录仪）；（5）开启冷却水，通入惰性气体；（6）启动电炉电源，使电源按给定速

8、度升温；（7）观察测温表，每隔一定时间开启天平一次，读取并记录质量数值 （若为自动记录，则定时观察TG曲线，并标记质量和温度值）；（8）测试完毕，切断电源，待炉温降至100时切断冷却水。五、实验数据结果分析：热分析曲线分析。一、四川有丰富的蛇纹石（Mg6Si4O10OH8）族层状硅酸盐矿物粘土原料，可用制上等镁橄榄石耐火材料 。 （1） 说明为什么当以纤蛇纹石为主要原料生产镁橄榄石耐火材料时，在烧成过程中易炸裂？那种蛇纹石更有利于耐火材料的快烧？（2） 由纤蛇纹石的DTA和XRD分析推出蛇纹石在加热中产生的热反应（即分析纤蛇纹石DTA曲线上的热反应实质）。二、碳酸盐热效应分析。三、 矿石的热反

9、应分析：（1）分别写出磁铁矿、赤铁矿、针铁矿的热反应式。（2）问这三种铁矿石哪种能用来合成针状（尖晶石结构）的-Fe2O3磁记录陶瓷材料，你将怎样来合成？（3）铁锈（-Fe2O3）是否有磁性？若以铁锈为原料，你将怎样来合成-Fe2O3磁记录陶瓷材料？瓷记录陶瓷材料图4磁铁矿、赤铁矿、针铁矿的DTA曲线 四、根据图5中热反应曲线，分析CaC2O4·H2O的热反应。五、固体推进剂是用于火箭发动机的火药，问图6中的哪种化合物对AP推进剂的燃速最有效？六、采用固相反应法制备La1-xSrxCo0.2Fe0.8O3系固体氧化物燃料电池阴极材料，图7是用高纯试剂La2O3，SrCO3，Co2O3

10、，Fe2O3粉体，加入无水乙醇，充分混合，研磨10小时，烘干后样品的热分析曲线。试分析La1-xSrxCo0.2Fe0.8O3样品的热变化。七、氢氧化镁（MH）是一种用途广泛，对环境友好的绿色无机粉体材料，已用于聚合物材料的阻燃添加剂、水处理剂、无机陶瓷材料等领域。吕建平等人采用溶液沉淀法，在50%氯化镁水溶液中加入适量含胺基官能团的水溶液性聚合物和阴离子表面活性剂，搅拌后分别加入适量的氨水和氢氧化钠水溶液，并将所得沉淀过滤、洗涤、干燥既得MH纳米粉体。由图8分析：MH纳米粉体的结晶程度怎样？有多少水溶性大分子和表面活性剂分子包裹在MH微粒表面上？MH纳米粉在什么温度下热分解脱水生成氧化镁？八

11、、南京工业大学的郝广明等人采用溶胶-凝胶法合成了铁电材料钛酸铅PT纳米粉体。PT纳米粉体的制备以钛酸丁酯和三水醋酸铅为原料，以无水乙醇为溶剂，首先制得溶胶和凝胶，然后将干凝胶研磨和适当的温度下热处理由固相反应合成PT纳米粉体。根据图10分析PT凝胶的热变化，问在什么温度下才能完全合成PT铁电相？九、清华大学的史慧等人采用溶胶-凝胶法制备了（NaBi）1/2TiO3压电陶瓷粉体，根据图11和其制备流程图分析（NaBi）1/2TiO3干凝胶的热变化，并确定其煅烧温度。六、讨论、心得（针对具体的实验内容，例如：实验原理、方法、图谱分析等等，要具体深刻）实验 三 红外光谱图分析一、实验目的及要求1、了

12、解红外光谱仪工作的基本原理、结构及操作方法。2、掌握红外光谱图分析。二、主要仪器设备：红外光谱仪三、实验方法1、由教师介绍红外光谱分析仪的构造并作示范测试操作2、红外光谱图的分析。四、红外光谱仪工作的基本原理、结构及操作方法。1、红外光谱仪工作的基本原理、结构当一定频率的红外光照射分子时，如果分子中某个基团的振动频率和它一样，光的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子，这个基团就吸收了一定频率的红外光。分子吸收光能后由原来的振动基态能级跃迁到较高的振动能级。按量子学说，当分子从一个量子态跃迁到另一个量子态时，就要发射或吸收电磁波，两个量子状态间能量差E与发射或吸收光的频率之间存在如下关系：E=h,

13、记录下吸收或透射光与红外区的频率的曲线即成为红外谱图。红外光谱仪的结构由光源、单色器、检测器、放大器和记录系统组成。2、具体操作步骤1打开主机电源，主机进行自检（约1分钟），打开PC机，进入windows操作系统。2 实验样品的准备卤化物压片法: 取 l-2 mg试样粉末在玛瑙研钵中充分磨细（试样颗粒小于所用的辐射波长，则可消除或削弱粒子的散射影响。一般需粉碎至2m，再加入400mg干燥的KBr粉末，继续磨研几分钟，直至完全混合均匀，并将混合物在红外灯下烘烤10 min左右（温度不宜太高）, 约取100mg混合物于压片机上进行压片，获得直径为13mm、厚为0.8mm左右的薄片。3由开始菜单中T

14、hermo Nicolet或桌面Omnic快捷方式进入Omnic红外光谱仪测试操作窗口，在实验Experiment选项中选择样品测试方式。4绘制试样的红外光谱图整个过程包括（1）设定收集参数；（2）收集背景；（3）收集样品图；（4）对所得试样谱图进行基线校正、标峰等处理；（5）标准谱库检索；（6）根据需要打印谱图。对一些已知化合物进行标准谱库检索。5收集样品图完成后，即可从样品室中取出样品架。并用浸有无水乙醇的脱脂棉将用过的研钵、镊子、刮刀、压模等清洗干净，置于红外干燥灯下烘干，以备制下一个试样。6 关机 关机时先关闭omnic软件在关闭仪器电源，盖上仪器防尘罩。五、红外光谱图分析(参考红外基

15、团特征吸收表，对照谱图判断含有那些基团，推定可能是何种物质；再查阅标准谱图，判定推断的结果是否正确)。一、 CO的红外光谱在2170cm-1处有一振动吸收峰，试求CO的红外吸收波长和键力常数？二、 在下列分子的能级跃迁中，哪个能产生中红外吸收光谱？哪个能产生远红外吸收光谱？哪个能产生紫外可见吸收光谱？三、 分别计算H2O、CO2和(SiO4-4)离子团的正则振动、伸缩振动和弯曲震动的个数；并分别指出图1中水的各个振动频率；说明CO2为什么在红外吸收光谱中只有两个吸收谱带？四、 指出下列振动在红外光谱中或激光拉曼光谱中是活性还是非活性：结构式振动方式是否红外活性？是否拉曼活性？CO2对称伸缩振动

16、CO2弯曲振动H2O非对称伸缩振动SiO4-4离子对称伸缩振动SiO4-4离子三重简并面内弯曲振动SiO4-4离子三重简并非对称伸缩振动五、指出图2石英红外光谱图中各个吸收谱带是什么基团的哪个振动产生的？六、指出图3方解石红外光谱图中各个吸收谱带是什么基团的哪个振动产生的？七、指出图4硬石膏和生石膏红外光谱图中各个吸收谱带是什么基团的哪个振动产生的？八、指出图5铁橄榄石红外光谱图中各个吸收谱带是什么基团的哪个振动产生的？九、指出图6各粘土红外光谱图中各个高波数吸收谱带是什么基团的哪个振动产生的？哪种粘土的结构水含量最高？哪种粘土的层间水含量最高？十、根据图7高岭石热变化过程中红外光谱图的变化，

17、分析高岭石随温度的升高，其结构的变化。六、讨论、心得（针对具体的实验内容，例如：实验原理、方法、图谱分析等等，要具体深刻）实验 四 X-ray衍射技术与定性相分析一、实验目的及要求1、通过观测演示实验，了解X射线衍射仪的基本原理、结构及操作方法。2、掌握X-ray图谱的物相分析。二、主要仪器设备: X射线衍射仪三、X射线衍射仪的基本原理、结构及操作方法。1、基本原理：X射线衍射仪利用X射线轰击样品，测量所产生的衍射X射线强度的空间分布，以确定样品的微观结构的仪器。X射线是一种波长很短(约为200.06)的电磁波，能穿透一定厚度的物质，并能使荧光物质发光、照相乳胶感光、气体电离。在用电子束轰击金

18、属“靶”产生的X射线中,包含与靶中各种元素对应的具有特定波长的X射线，称为特征（或标识）X射线。且X射线遵循布喇格定律： 2d sin=n式中为X射线的波长，n为任何正整数。 当X射线以掠角(入射角的余角)入射到某一点阵平面间距为d的原子面上时，在符合上式的条件下，将在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线。当 X射线波长已知时(选用固定波长的特征X射线)，采用细粉末或细粒多晶体的线状样品,可从一堆任意取向的晶体中，从每一角符合布喇格条件的反射面得到反射,测出后，利用布喇格公式即可确定点阵平面间距、晶胞大小和类型;根据衍射线的强度,还可进一步确定晶胞内原子的排布。如果利用结构已知的晶体，则在测定出

19、衍射线的方向后,便可计算X射线的波长，从而判定产生特征X射线的元素。这便是X射线谱术,可用于分析金属和合金的成分。 2、仪器结构：X射线晶体分析仪由交流稳压器、调压器、高压发生器、整流与稳压系统、控制电路及管套等组成。3、仪器操作方法：1打开冷却水，继电器触点K1即接通。2接通外电源。3按低压按钮SB3，交流接触器KMI接通，即其触点KMl-1，KMl-2接通。4预热3分钟后按下高压按钮SB4。S表示管流零位开关及过负荷开关，正常情况下应接通，故交流接触器KMn-1，KMn-2接通。5根据X射线管的额定功率确定管压和管流。调整管压系通过调压器改变高压变压器的一次电压来实现。经过由二极管V1，V

20、2及电容C1，C2组成的倍压全波整流线路将高压加到X射线管上。高压值由电压表读出。通过灯丝电位器R可调节管流，其数值由电流表读出。6样品的制备。7入射X射线经狭缝照射到多晶试样上，衍射线的单色化可借助于滤波片或单色器。衍射线被探测器所接收，电脉冲经放大后进入脉冲高度分析器。操作者在必要时可利用该设备自动画出脉冲高度分布曲线，以便正确选择基线电压与上限电压。信号脉冲可送至计数率仪，并在记录仪上画出衍射图。脉冲亦可送至计数器(以往称为定标器)，经微处理机进行寻峰、计算峰积分强度或宽度、扣除背底等处理，并在屏幕上显示或通过打印机将所需的图形或数据输出。8关闭的过程与起动的过程相反，即先将管流、管压降

21、至最小值，再切断高压，切断低压电及外电源，经15min后关闭冷却水。使用X射线仪时必须注意安全，防止人身的任何部位受到X射线的直接照射及散射，防止触及高压部件及线路，并使工作室有经常的良好通风。四、实验内容及方法1、由教师介绍X射线衍射晶体分析仪的构造并作示范操作。2、对自己合成出的样品和未知样品进行测试分析3、X-ray图谱物相分析方法：1、卡片索引查找法；2、软件分析法卡片索引查找法 查名称或数字索引 卡片编号 按编号 标准数据 对比全部数据，基本相符， 综合分析结果的合理性。（一）卡片索引查找法未知物相衍射数据(Å)未知物相衍射数据标准衍射数据“钛铁矿”？181钛铁矿(

22、7;)(Å)33.7463.71102102.746102.74010482.54772.53511062.23462.22111381.86961.858204101.72581.71411661.50921.6221081、单一物相的鉴定1） 样品名初定，用XRD验证 一块黑色矿物，半金属光泽，可能为“钛铁矿”？方法：直接查中文矿物名称索引，钛为九画 181矿物编号 按矿物编号181 标准数据 对比全部数据，基本相符， 综合分析结果的合理性。2）样品名未知衍射数据索引呈粒径约为1.5mm八面体晶粒，油脂至金刚光泽，无色透明，硬度低，产于锑矿床氧化带中。方法： 3.21（10） 1

23、.972在实验数据中选出三条最强线 1.972（8） 3.21 1.674（8） 1.674 据=3.21在衍射数据索引中区间3.293.20 一组数 3.21（10）1.97（8） 177 1.675（8） 据=177 标准数据 对比未知物相标准数据 177方锑矿(Å)(Å)36.4036.40111103.21103.2122262.7862.7840032.5432.5433181.97281.9744081.67481.67562241.60541.60644431.56031.56171131.45031.45073121.39021.39280021.35831

24、.36073361.27861.27966261.24461.2458402、 混合物相的鉴定镁铝砖（MgO, Al2O3,少量SiO 2，Fe2O3和CaO）方法：选出中等强度以上的线条，按强度递降次序排，2.10（10），1.50（9），2.43（6），1.21（6），1.26（5），2.02（2），1.43（2）。 据=2.10查区间2.192.10 找一组数 据2.11（10）、1.492（9）、1.218（6），方镁石150 对比 均有 扣除方镁石的线条，发现叠压线（）要保留！ 2.43 在剩下的线条中再选三强线 2.02 2.092.00 1.43找出一组数：2.015（8）、2.

25、435（10）、1.429（9），镁尖晶石158 对比后，均能对上没有再剩下线条查相图方镁石、尖晶石 结果合理。镁铝砖的XRD分析未知矿镁铝砖标准衍射数据方镁石150镁尖晶石158(Å)(Å)(Å)4.62.862.432.102.021.651. 561.501. 431. 261. 231. 211. 171. 081. 051. 010. 9651261025292516116112.452.111. 6461.4921.2731.2181.054410494654.672.8652.4352.0151.6491.5551.4291.2771.2331.16

26、81.0821.0541.0121.01075583791433652五、X-ray 衍射图谱分析依据计算机处理出的数据，初步判定实验样品的物相。六、讨论、心得（针对具体的实验内容，例如：实验原理、方法、图谱分析等等，要具体深刻）实验 五 电子显微镜图片分析一、实验目的及要求1、通过观测演示实验，了解扫描电镜工作的基本原理、结构及操作方法。2、掌握电子显微镜图片分析。二、主要仪器设备：扫描电镜和透射电镜三、实验方法1、由教师介绍扫描电子显微镜的构造并作示范操作。2、电子显微镜图片（SEM、TEM、HR-TEM）分析。四、扫描电镜工作的基本原理、结构及操作方法。扫描电镜1扫描电镜的基本结构和工作

27、原理 扫描电镜的基本结构可分为电子光学系统、扫描系统、信号检测放大系统、图像显示和记录系统、真空系统和电源及控制系统六大部分。扫描电子显微镜利用细聚焦电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产行各种物理信号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。扫描电镜具有景深大、图像立体感强、放大倍数范围大、连续可调、分辨率高、样品室空间大且样品制备简单等特点，是进行样品表面研究的有效分析工具。扫描电镜所需的加速电压比透射电镜要低得多，一般约在130kV，实验时可根据被分析样品的性质适当地选择，最常用的加速电压约在20kV左右。扫描电镜的图像放大倍数在一定

28、范围内(几十倍到几十万倍)可以实现连续调整，放大倍数等于荧光屏上显示的图像横向长度与电子束在样品上横向扫描的实际长度之比。扫描电镜的电子光学系统与透射电镜有所不同，其作用仅仅是为了提供扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。扫描电镜最常使用的是二次电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度，后者用于显示原子序数衬度。2实验操作步骤：1）样品制备扫描电镜观察的试样必须是固体（块状或粉末），在真空条件下能保持长时间稳定。对于含有水分的样品要事先干燥。表面由氧化层或沾污物者，要用丙酮等溶剂清洗。有些样品必须用化学试剂侵蚀后才能显露显微组织结构，如玻璃必须用质量分数35的HF酸侵蚀约1

29、0s才显露出分相结构。（1）块状样品的制备样品直径一般为1015mm，厚度约为5mm。对于导电性材料只要切取适合于样品大小的试样块，注意不要损伤所要观察的新鲜断面，用导电胶粘贴在铜或铝质样品座上，即可直接放到扫描电镜中观察。对于导电性差或绝缘的非金属材料，由于在电子束作用下会产生电荷堆积，阻挡入射电子束进入样品及样品内电子射出样品表面，使图像质量下降，因此，这类样品用导电胶粘贴到样品座上后，要在离子溅射镀膜仪或真空镀膜仪中喷镀一层约10nm厚的金、铝、铜或碳膜导电层。导电层的厚度通常根据颜色来判断，也可以用喷镀金属的质量来控制。导电层太厚，将掩盖样品表面细节，太薄时造成不均匀，会局部放电，影响

30、图像质量。（2）粉末样品的制备粉末样品的制备包括样品收集、固定和定位等环节。其中粉末的固定是关键，通常用表面吸附法、火棉胶法、银浆法、胶纸（带）法和过滤法。最常用的是胶纸法，先把两面胶纸粘贴在样品座上，然后把粉末撒到胶纸上，吹去未粘贴在胶纸上的多余粉末即可。对于不导电的粉末样品也必须喷镀导电层。对于观察化学成分衬度像（背散射电子像、吸收电子像和特征X射线扫描像）的样品，表面必须抛光。2）扫描电镜的测试操作（1）开机接通电源，打开冷却水；按下列程序抽真空：预抽真空（一般不超过5min）加热油扩散泵（一般需2025min）抽高真空约5min后仪器可进入工作状态；接通高压，加高压至所需值；加灯丝束流

31、至所需值；接通显示器、扫描系统电源。（2）电子束合轴灯丝电流饱和点调整顺时针旋转灯丝钮，慢慢加大灯丝电流，确定灯丝饱和。最佳灯丝电流应略低于饱和点电流，以延长灯丝寿命并获得稳定的发射电流。电子束对中调整。从灯丝发射出的电子束通过阳极进入电磁透射系统，经过聚光镜和光阑照射到样品上，只有当电子束和电子光学轴同轴时才能获得最大照明亮度。这就是所谓的电子束对中。它包括电子枪合轴和末级光阑合轴两个方面。电子枪合轴是调节电子抢上的机械合轴螺栓和电磁对中线圈的电流，使电子束和电子光路同轴，在显示屏上得到最亮的图像。末级光阑合轴是调节光盖螺栓，微调光阑位置，使图像在过焦和欠焦时不发生横向漂移。在改变末级光盖孔

32、径和聚光镜电流时都要进行末级光阑合轴。（3）更换试样断开灯丝电流、高压、显示器和扫描系统电源。待约2min后灯丝稍许冷却后，对镜筒放气；将试样移动机构回到原始位置，打开样品室，取出样品台，注意样品台及其他部件不要碰撞样品室。取下样品座将所需观察的样品座放到样品台上，调整试样标准高度，然后将样品台放入样品室。重新对镜筒抽真空，约5min后仪器可进入工作状态。（4）二次电子像的观察和分析通常用电子探测器接收二次电子。在探测器收集极的正电位（一般为250500V）作用下二次电子被拉向收集极，然后又被带10kV正电位的加速极加速，打到闪烁体上，产生光信号，经光导管输送到光电倍增管，光信号又转变为电信号

33、并经放大后输送到显示系统，调制显像管栅极，从而显示出反映试样表面特征的二次电子像。为了获得立体感强、层次丰富、细节清楚的高质量图像，在观察过程中必须反复仔细选择设定各种条件参数。高压选择：二次电子像的分辨率随加速电压增加而提高。一般先在20kV下初步观察。对于不同的试样状态和不同的观察目的选择不同的高压值。如对原子序数小的试样应选择较小的高压值，以防止电子束对试样穿透过深和荷电效应。（5）观察和照相 1用轨迹球或按钮移动样品，找到合适视野，放大至所需倍数，用小荧光屏仔细聚焦，观察图像无漂移，调整亮度至爆光时间为2秒。 2在底片上输入样品名称等有关信息，按PHOTO按钮进行照相。 （6）关机 1

34、依此关闭灯丝电流和高压，再关闭镜筒电源，最后关闭电镜主机电源。 2待10分钟后，依次关闭总电源柜及墙壁上两个空气开关。五、电子显微镜图片分析。1、陶瓷中晶粒的细化和均化，对材料性能的稳定和提高有十分重要的意义，测出图1和图2由于晶体异常生长形成的粗晶颗粒的大小，并评价铌酸钾钠陶瓷和PLZT陶瓷样品的性能。 2、我国有丰富的优质滑石矿资源，滑石是制造绝缘电瓷滑石瓷、镁橄榄石瓷的主要原料，天然滑石矿具有鳞片状结构，这种结构在制瓷工艺的成型中易定性排列，导致烧成收缩不均匀而开裂，通常在实际生产中需要把滑石原料预烧（1350左右），使滑石产生相变而破坏其层状结构。3、多孔陶瓷的显微结构分析：4、牙科瓷

35、的显微结构分析:六、讨论、心得（针对具体的实验内容，例如：实验原理、方法、图谱分析等等，要具体深刻）实验六 硅碳棒电炉的使用一实验目的1掌握硅碳棒电炉的具体使用方法；2了解确定烧成制度的依据和原则；3学会如何确定最佳烧结制度。二烧结机制烧结的实质是粉坯在适当的气氛下被加热、通过一系列的物理、化学变化，使粉粒间的粘结发生质的变化，坯块强度和密度迅速增加，其他物理、化学性能也得到明显的改善。烧结的目的一方面是为了在高温状态下使在合成过程中尚未完全起化学反应的少部分氧化物继续完成化学反应，力求全部生成锆钛酸铅等化合物；另一方面是为了在高温条件下使锆钛酸铅等化合物由松散颗粒状态溶固结合成一体，生成无数

36、小晶粒，并通过结晶，使晶粒生长成为均匀、致密、具有某种显微组织结构和一定机械强度、物理性能，以及一定形状的锆钛酸系多晶陶瓷元件。通过烧结，制品的压电性能和物理电气性能就已基本确定。烧结机制可归纳为：1粘性流动；2蒸发与凝聚；3体积扩散；4表面扩散；5晶界扩散；6塑性流动等。烧结是一个复杂的物理、化学变化过程；是多种机制作用的结果。坯体在升温过程中相继会发生下列物理、化学变化：1蒸气吸附水：（室温100）除去坯体在干燥时未完全脱去的水分。2粉料中结晶水排除：（300-700）3分解反应：（300-950）坯 料中碳酸盐等分解、排除二氧化化碳等气体。4碳、有机物的氧化：（450-800）燃烧过程，

37、排除大量气体。5晶型转变：（550-1300）石英、氧化铝等的相转变。6烧结前期：经蒸发、分解、燃烧反应后，坯体变得更不致密，气孔可达百分之几十。在表面能减少的推动力作用下，物质通过不同的扩散途径向颗粒接触点（颈部）和气孔部位填充，使颈部不断长大，逐步减少气孔体积；细小颗粒间形成晶界，并不断长大，使坯体变得致密化。在这很长的过程中，连通的气孔不断缩小，晶粒逐渐长大，直至气孔不再连通，形成孤立的气孔，分布在晶粒相交位置，此时坯体密度可达理论密度的90%。7烧结后期：晶界上的物质继续向气孔扩散、填充，使孤立的气孔逐渐变小，一般气孔随晶界一起移动，直至排出，使烧结坯体致密化。如再继续在高温下烧结，只

38、有晶粒长大过程了。如果在烧结后期，温度升得太快，坯体内封闭气孔来不及扩散、排出，只是随温度上升而膨胀，这样，会造成制品的的密度反而会下降。某些材料在烧结时会出现局部液相，加快了烧结的过程，可得到更致密的制品。8降温阶段：冷却时某些材料会发生相变，因而控制冷却制度，也可以控制制品的相组成：如要获得合适相组成的部分稳定的氧化锆 固体电解质，冷却阶段的温度控制是很重要的。坯 体烧结后在宏观上的变化是：体积收缩、致密度提高、强度增加。因此可以用坯体的收缩率（线收缩率）、气孔率、体积密度与理论密度之比值、机械强度等指标来衡量坯体的烧结程度。相同的坯 体在不同的烧成制度下烧结，会得到生烧、正火、过烧等不同

39、的结果；不同的升温速度也会得到不同的制品。可以从坯 体在不同的烧结制度下得到的制品的密度变化来确定最佳烧结制度（可获得最大密度制品的烧结制度为最佳）。坯体在烧结过程的不同阶段会放出大量气体，如果在这一阶段升温太快，会引起强烈反应；急速排出的大量气体会使坯 体开裂、起泡，造成损坏；因此，当温度上升到这些温度段时，应缓慢升温，或长时间保温，减缓反应速度。同样某些晶型转变也伴随或多或少的体积变化，也要注意控制温度，减缓变化的速度。另外，烧结初期应该注意保温，使物质的扩散进行得更充分，可得到更致密的烧结体。三确定烧结条件的依据1相图：相图是确定烧结条件的主要基础；2差热分析：差热分析的数据也是作为确定

40、烧结条件的依据之一。但在较高温度下的真实情况需要依靠烧成收缩曲线来确定烧结条件；3烧成收缩曲线：它是确定烧结条件下的最好依据。根据烧成收缩曲线 可以在烧结前确定出成型坯件的放大数值、在烧结过程控中的升温速度及在这个温度下的合适保温时间。曲线还可示出烧成温度的范围。4体积密度：它是衡量坯件致密度高低和结晶成瓷状况的重要手段。四确定烧结条件的原则烧结条件具体应遵循下列三条基本原则：1烧成温度的确定：主要取决于配方的化学组成、坯 件的形状尺寸和成型方法以及升温速度的快慢、保温时间的长短。2升温速度和保温时间的确定：升温速度与烧成温度和保温时间也有密切关系。当升温速度快（大于300/小时）时，烧成温度

41、就宜偏上限，保温时间也不宜增长；当升温速度较慢时，烧成温度就宜偏下限，保温时间可适当增长。3降温速度和冷却方式的确定：主要取决于坯 件的形状、尺寸和高温炉的构造。保温结束后，一般中小型坯件都可采用停电随电炉自然降温冷却的方式。但为了防止坯件在降温冷藏却过程中产生还原发黑，可在降温冷却过程中把炉门稍微敞开一点，加速自然冷却，使炉内具有一定的氧化气氛。五仪器设备硅碳棒高温电炉ZK-1可控硅电压调整器六烧结步骤根据所确定的最佳烧结条件进行烧结，操作步骤可分为升温、冷却三个阶段。为了严格执行烧结条件，控制烧结质量，必须作好下列几点：1）每隔10分钟观察、调整、记录一次炉温，并在接近最佳节烧成温度和保温

42、期间，反复校正、核对炉温，防止烧成温度过高或偏低。2）每次装炉之前，仔细检查高温炉内硅碳棒发热均匀程度和热电偶保护管有无坡损，热电偶插入炉内长度是否合适，高温炉的散热、保温状况等。1） 装埚之前，仔细检查坩埚、坩埚盖的密封状况。硅碳棒电炉的升温操作可分为三个步骤：即手动升温预热；参数和程序设置；手、自动切换。若是未作修改的重复使用，只需进行、二项操作。在电炉升温时应事先检查：电气钥匙处于“竖直”（关闭）状态，电压调整器的电源开关在“关”状态，手动电位器的旋钮在“零”（向上旋于端部）状态，工作选择开关在“手动”状态。（一）手动升温预热操作1 将现场配电板的断路器推至“合”状态，此时电源向电炉及控

43、制柜送电。2 顺时针旋动电气钥匙90°，红色“停止”指示灯点亮，控制柜受电工作。3 按动红色按钮，红色指示灯熄灭，绿色“工作”指示灯点亮，主回路受电工作。4 向左拨动电压调整器的电源开关，电压调整器的工作指示灯点亮，向下旋动“手动”调节旋钮，缓慢调节使电流表示值上升至30-40A处。这样，手动操作完成，电炉开始开始升温、烤炉和预热，预热温度可达300，预热时间约需2小时。（二）参数、程序设置操作高温电炉使用的温度控制仪具有人工智能调节，控制状态自适应。它的工作方式可分为五个状态，分别是： 参数设置状态； 程序设置状态； 程序运行状态； 程序暂停状态； 停止准备状态。参数、程序设置的操

44、作必须在仪表进入、两个状态时才能进行，设置过程一般在电炉的烤炉、预热时进行。仪表得电后自动进入停止准备状态，此时PV 显示实际温度，、SV 交替显示STOP。1.按住 Ê 待 PV 显示HIAL时，仪表已进入参数设置状态。用 Ù ，Ú 配合 á （光标移动）就可以方便地写入各个控制参数。依次按动 Ê 就能把所有的参数分别设置写入。参数设置停止时，仪表将自动回到停止准备状态，仪表已经设置写入的控制参数。2.将 Ê 一按即放二次，再按 á 待仪表 PV 显示C01时，仪表已进入程序设置状态。此时，用 Ù ， Ú

45、; 配合 á 可以方便地写入程序设置数值，依次按动 Ê ，就能把所需的程序编排数值全部设置写入。仪表升温程序的编排采用温度1时间1温度2时间2温度30时间30的格式，其定义为第一点温度，第一段时间，第二点温度，第二段时间。例如要实现一个从200开始，1小时后线性升温至500，保温半小时后自动关炉的试验升温曲线，需写入的程序数值为：C01=200 T01=60（从200开始，60分钟升至500）C02=500 T02=30（在500处保温30分钟）C03=500 T03=-121（-121是关炉停止的专用字符）程序参数设置停止时，仪表将自动回到停止准备状态。（一） 手动-自动

46、切换操作当仪表处于停至准备状态时，并且 PV 中显示预热温度接近第一点温度时，就可以进行手动-自动切换操作，即烤炉、预热结束，程序曲线开始执行。操作过程：1按下RUN/HOLD键，RUN指示灯点亮，OUT指示灯点亮，MA 表上有输出。2 将电压调整器上的工作选择开关拨向右面“自动”方向，此时调整器开始执行程序工作信号， á 、A 显示新的工作状态。程序升温开始后， PV 显示实际温度， SV 显示理论温度，在刚切换时输出和 PV 有时会有一些波动，经过人工智能环节调整后，就将趋于稳定和平缓。然后根据给定的升温曲线，进行温度拟合。自动地执行整个升温曲线，直至给定升温曲线的结束。若进入R

47、UN一段时间后控制效果不够理想，则可启动“自适应”功能运行。操作为：按动á 键，使 SV 出现“AT”显示即可。此时，仪表执行2-3次冲击式试探调整后，根据产生的输出振荡和温度振荡自动整定出一组新的控制参数进行更为完善的控制。四注意事项1务必正确使用电炉，以延长使用寿命。2严禁炉温超过额定的最高温度。短时间最高可达1350，长时间只能达到1300。3硅碳棒应尽量妨止与氧气、水蒸汽、碱、碱土金属、石棉、硼化物等直接接触。4炉温在300以上，不应打开炉门，更不允许冷空气对流，否则，将严重损坏炉膛。五实验报告1实验目的；2坯件在烧结过程中可能发生的物理、化学反应的类型各相应的温度段，设置的

48、烧结制度（每段的升温速度和保温时间）；3硅碳棒炉的操作要点；4影响烧结的主要因素；5实验时发生的现象、实验结果。六思考题1如何确定烧结制度？2怎样正确使用高温炉子？3如何判断烧结质量？4常见烧结疵病及防治措施。实验七 陶瓷的金属化与封接一实验目的和基本要求实验目的：1了解陶瓷的金属化与封接过程中的物理化学变化；2掌握被银的具体操作方法；二实验原理随着信息功能陶瓷技术的不断发展，有时需要将陶瓷与金属、陶瓷与陶瓷牢固地封接在一起，由于陶瓷材料表面结构与金属材料表面结构不同，焊料往往不能润湿陶瓷表面，也不能与之作用而形成牢固的粘接，因而陶瓷与金属的封接是一种特殊的工艺方法，即金属化的方法：先在陶瓷表

49、面粘附一层金属薄膜，从而实现陶瓷与金属的焊接。另外，用特制的玻璃焊料可直接实现陶瓷与陶瓷的焊接。陶瓷的金属化与封接是在瓷件工作部位的表面化上，涂覆一层具有高导电率、接合牢固的一层金属薄膜作为电极。用这种方法将陶瓷和金属件焊接到一起时，其主要工艺流程如下：陶瓷表面作 淀积 加热焊料使陶瓷金属化烧渗 金属薄层 与金属焊封其中，最关键的工艺是陶瓷表面的金属化。可作为金属薄膜电极的材料很多，除银以外，铜、金、镍、锡等均具有良好的导电性能。目前，在国内外以采用银电极最为普遍。整个被银过程，包括涂银和烧银两个阶段。在整个过程中，银浆随着温度的升高，发生 一系列的物理化学变化。主要可分成以下几个阶段：1胶合

50、剂挥发分解阶段（90325）银浆中的胶合剂熔化、且全部分解，直至除净。化学反应式为：Ag2CO3 Ag2O+CO2Ag2O 2Ag+O即Ag2CO3 2Ag+CO2+OC10H16+28 Ag2O 10CO2+56Ag+8H2O2碳酸银或氧化银还原为金属银阶段（410600）碳酸银或氧化银开始还原为金属银Ag。在520开始中，还原出来的金属银与助熔剂形成胶状混合物，渗入到制品表面，至600还原作用基本结束。化学反应式为：C10H16+28 Ag2O 10CO2+56Ag+8H2O28Ag2CO3+ C10H16 56Ag+38CO2+8 H2O3助熔剂转变为胶体状阶段（520600）助熔剂硼酸

51、铅和氧化铋开始转变为液体状态，同金属银一起，开始渗入制品表面。化学反应式为：28Bi2O3+3C10H16 56Bi+30CO2+24H2O7Pb(BO2)2+ C10H16 7Pb+10CO2+8 H2O+14B4金属银与制品表面牢固结合阶段（600以上） 还原出来的金属银Ag、铅Pb和Bi，在600开始渗入制品表面，但不牢固。800是烧渗银层所需的下限温度，850是烧渗银野所需的上限温度。在850银层的渗透效果最好，机械化抗张强度可达到最大值。但对于锆钛酸铅压电陶瓷元件来说，由于其抗还原性较差，为防止三氧化二钛的产生，一般只烧渗到700左右较为理想。电极的作用有二：1）是为极化创造条件。因

52、为对于信息功能陶瓷中的锆钛酸铅等瓷件来说，本身是强绝缘体，不导电。极化时，要施加高压电场，若无电极，就不容易得到充分极化，也不能在瓷件表面积聚电荷而具有压电效应； 2）是起传递电荷的作用。经过极化的压电陶瓷元件，受到力的作用后，机械能转换成电能，呈现正压电效应。电荷的传递，全凭电极来完成。 制品涂覆银层后，应达到下列基本要求：1）必须完整均匀、无堆积不平、流窜花纹、明显鳞皮、无开裂、漏底脱落等。2）应光亮洁白，导电率高，无任何其它金属夹杂，不应发黑变黄。3）银层应结合牢固，抗张强度一般不低于100公斤/厘米2。4）应具有较强的抗腐蚀能力，化学稳定性好。5）银层面积应符合规定的技术要求。6）被银

53、前后制品的颜色基本一致，无显著差别。7）制品非被银面，不应有任何银迹。三实验步骤1选取合适的银浆；2将待金属化的试样清洁备用；3用柔软而稍有弹性的狼毫毛笔或毛刷蘸适量银浆，用手工逐个地均匀涂在制品表面； 4每涂一遍，必须在200250温度下彻底烘干，直至银层呈灰色或浅兰色或鱼白色为止。冷却到室温后，再涂第二遍。一般以涂两遍较好。一面涂好后，再涂另一面。5烧渗银层 烧渗银层就是将彻底烘干的制品，放在专用烧银耐火板上，移入高温电炉内，按银浆配方规定的温度培烧。注意升温与降温速度要合适。一般进炉温度不高于150，在200以下为200/小时，210350/小时，360500为150/小时，510至最高温度为300